长沙地铁2号线信号系统DCS有线网组网方式介绍

祁 颖

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

长沙地铁2号线信号系统DCS有线网组网方式介绍

祁 颖

（北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070）

地铁信号系统主要由列车自动监控子系统（ATS）、列车自动防护子系统（ATP）、列车自动驾驶子系统（ATO）以及数据通信子系统（DCS）等组成。其中DCS子系统是一个宽带通信系统，提供整个信号系统所需的双向、可靠、安全的数据交换服务。可以说，DCS子系统性能的高低，直接影响着整个信号系统的功能实现。将基于长沙地铁2号线信号系统中的DCS子系统，介绍一种新型的、比传统DCS子系统更具优势的DCS有线网组网方案。

信号系统；DCS；组网

1　DCS子系统介绍

DCS子系统是一个宽带通信系统，提供信号系统所需双向、可靠、安全的数据交换服务。DCS子系统与信号系统内的其他子系统间关系如图1所示。

由图1可知，信号系统内的所有子系统要实现其内部和外部的通信，都需要通过DCS子系统。按照DCS子系统实现的方式不同，可将DCS子系统分为有线网部分和车地无线网部分。

有线网部分主要由交换机通过光纤、网线来组网，无线网部分主要由轨旁无线模块和车载无线模块通过无线电波来组网。DCS子系统组成结构示意如图2 所示。

本文只对有线网进行讨论和描述。

2　传统DCS子系统有线网组网方案

DCS子系统有线网部分主要分为ATS网和信号网两部分。ATS网主要用于ATS子系统信息的传输，信号网主要用于信号相关设备的信息传输，轨旁ATP、轨旁ATO、联锁等子系统都属于信号网。

如图3所示，传统的DCS子系统有线网在组网时，通常采用将ATS网和信号网在物理上进行隔离的组网方式，ATS网和信号网在物理上是相互独立的。

ATS网连接控制中心、各车站、以及车辆段内ATS子系统相关设备，一对独立的交换机通过光纤的连接构成独立且冗余的骨干环网；各车站、车辆段和控制中心内的相关设备独立构成局域网并通过直接或间接的方式接入骨干网中。

信号网连接各设备集中站、各车站内的信号相关设备，实现对现场设备的控制与监测。

ATS网和信号网之间的通信通过车站ATS服务器来实现信息交互。

这种传统的组网方式能够比较直观的看出网络结构，但是需要更多的交换机设备、且网络维护也较麻烦，很不实用。

3　新型DCS子系统有线网组网技术

进入21世纪，通信技术更加迅猛的发展，新通信技术的出现使网络结构也越来越简单。

3.1虚拟局域网技术

虚拟局域网（VLAN）是把一个物理网络划分为多个逻辑工作组。它是一种先进的网络构造方法。VLAN不是一个物理网络，但存在于一个物理网络上。使用VLAN技术可将整个网络划分为若干个逻辑上的子网，除非进行设置，否则，这些子网是分离的，就像在同一网络上构造出若干个独立的网络，故称为虚拟网。

VLAN技术能把一个局域网划分成多个虚拟局域网，每个VLAN都有一个标识号（如VLAN TAG），在整个局域网中唯一标识该VLAN。根据不同的VLAN TAG就可以识别不同的VLAN。交换机可以将不同VLAN进行隔离。

3.2交换机的二层交换技术

二层交换机转发数据报文是根据报文的MAC地址进行转发的，交换机内部维护一个地址转发表，该表内记录MAC地址与其所对应的端口、VLAN号，转发数据时根据这张表进行。MAC地址转发表示意如图4所示。

交换机通过将接收数据报文的源MAC地址、接收端口及VLAN号记录在地址表中，来学习MAC地址。

由此可见，多个VLAN可以共享物理局域网、交换设备和链路，然而他们之间是相互隔离的，就好像各自组成一个独立的局域网一样。VLAN的所有帧流量都被限制在该VLAN中，这样就能提高网络性能，防止广播风暴。

一个VLAN是一个逻辑的子网，一个VLAN与一个物理子网的区别：一个物理子网由一个物理缆线段上的设备所构成；一个逻辑的子网VLAN则由被配置为该VLAN成员的设备组成，这些设备可以位于交换区块中的任何位置。无论是物理子网还是VLAN子网，他们的网络特性是一样的。

3.3生成树技术

地铁信号系统是与安全密切相关的系统，其在设计通信网时考虑了链路冗余和环网的设计思想，旨在一条通信链路故障时，不会影响本环网的正常运行，即使整个环网出现故障，也能确保整个通信系统正常运行。

但是这种设计也带来一些弊端，例如当环网中两条路径都正常工作时，有可能造成网络中广播风暴。如何避免环网中广播风暴，这就引入生成树技术。

目前，较常用的是多生成树协议(Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP)，其工作原理是：可将环路网络修剪成为一个无环的树型网络，避免报文在环路网络中的增生和无限循环，同时还提供数据转发的多个冗余路径，在数据转发过程中实现VLAN 数据的负载均衡。本种协议具有如下特性。

1）成型一个无环的树型网络（通过禁用充当备份的链路实现），从而解决网络中广播风暴的问题。

2）当网络中的一条路径故障后，能够迅速启动备用链路，从而缩短网络的收敛时间。

3）可以为不同VLAN生成不同的生成树，实现不同VLAN的流量可以按照不同路径进行转发，从而均衡了网络负载。

3.4交换机的三层路由技术

前面已经讲述不同VLAN之间是隔离的，无法实现通信，但是对于具体的应用来说，需要不同VLAN之间进行通信，这就需要用到路由技术。

三层交换机具有路由功能，在其内部管理着一张路由表，这张路由表指示出：在本交换机中，要去往目的地的下一跳的相关信息。

收到一个数据包后，交换机先查找本路由表中目的IP地址所对应的下一跳地址，然后通过重新封装MAC帧后，从所对应的端口转发出去。当然，整个处理过程相当复杂，还涉及到ARP协议的应用，这里就不再赘述了。

那么，交换机中这个路由表是如何生成和实现的呢？这就涉及到路由技术。

目前，最常使用的路由技术是开放式最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）协议，其工作原理是：路由器收集其所在网络区域上各路由器的连接状态信息，即链路状态信息（Link-State），生成链路状态数据库（Link-State Database）。路由器掌握该区域上所有路由器的链路状态信息，也就等于了解整个网络的拓扑结构，再根据相关的算法独立地计算出到达任意目的地的路由信息。

3.5虚拟路由器冗余协议技术

通常，一个网络内的所有主机都设置了缺省网关，这样主机发出的目的地址不在本网段的报文将被通过缺省网关发往发送出去，从而实现了主机与外部网络的通信。当缺省网关故障时，本网段内所有主机将断掉与外部的通信。虚拟路由冗余协议（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）就是为解决上述问题而提出的，它为具有多播或广播能力的局域网（如以太网）设计。

虚拟路由冗余协议是一种容错协议。VRRP将局域网的一组路由器（包括一个Master即活动路由器和若干个Backup即备份路由器）组织成一个虚拟路由器，称为一个备份组。控制虚拟路由器IP地址的VRRP路由器称为主路由器，它负责转发数据包到这些虚拟IP地址。虚拟IP地址在路由器间共享，其中一个指定为主路由器，而其他的则为备份路由器，如果主路由器不可用，这个虚拟IP地址就会映射到一个备份路由器的IP地址（这个备份路由器就成为主路由器）。

4　新型DCS子系统有线网组网方案

应用上述网络和通信的技术，可以设计出一种新型DCS子系统有线网的组网结构，并且这种组网结构已应用到长沙2号线地铁信号系统中，如图5所示。

结合实际工程，本种方案的设计思想是：在原有环网设计的思想上，减少设备使用数量的同时、尽量增加更多的冗余环路和冗余直连通路。

1） 由8个设备集中站通过三层交换机首尾互联，构成2个大环。

2） 由望城坡站、湾镇站、五一广场站、迎宾路口站通过三层交换机A首尾互联，由溁湾镇站、五一广场站、迎宾路口站、万家丽广场站通过三层交换机B首尾互联，由迎宾路口站、万家丽广场站、长沙大道站、长沙火车南站通过三层交换机A首尾互联，由万家丽广场站、长沙大道站、长沙火车南站、光达站通过三层交换机B首尾互联，构成4个小环。

3） 由望城坡站通过三层交换机对与控制中心三层交换机对分别直接互联，由迎宾路口站通过三层交换机对与控制中心三层交换机对分别直接互联，由光达站通过三层交换机对与控制中心三层交换机对分别直接互联，构成6条直连路径。

4） 由车辆段通过三层交换机对与光达站三层交换机对分别互联，构成2条直连路径。

5） 由控制中心、车辆段、各设备集中站内部通过三层交换机对之间直接互联，构成直连路径。

上述物理网络结构中，通过在交换机上配置VLAN技术、路由技术、生成树等技术，并结合交换机自身的交换特性，即可实现与传统DCS网络结构所具有的相同功能和特性。

综上所述，在交换机上应用上述网络技术，既可保证ATS网和信号网相互独立， 又可实现ATS网和信号网的相互通信。与传统的DCS子系统有线网组网方案对比，这种组网方案具有如下优势。

1）需要的硬件更少，从而减少网络中硬件的故障点数量（即减小了MTBF）。

2）能够提供更多的冗余连接，这样通过使用MSTP协议就可以保证链路出现故障后，更快恢复网络通信的同时，不增加网络的传输延时。

3）确保每个节点到目的地有最少的转发次数，从而保证网络中最小的传输延时。

4）保证网络功能的同时，降低了成本。

5　结论及展望

本文介绍的新型DCS子系统有线网组网方案虽然在国内的实践机会还比较少，但是在国外的地铁信号系统领域内已得到实践和验证，如新加坡市区线DTL1-DTL2-DTL3、圣保罗8号线和11号线、拉加斯加1号线、以及马德里7号线和8号线等。

另外，本文提出的组网设计思路也可应用除地铁信号领域以外的其他领域。

[1]严伟，潘爱民.计算机网络[M].北京:清华大学出版社，2012.

[2]华为技术有限公司.HCNA网络技术学习指南[M].北京:人民邮电出版社，2012.

[3]沈海娟.网络互联技术—路由与交换[M].北京:浙江大学出版社，2006.

The subway signal system includes mainly the automatic train supervision subsystem (ATS), automatic train protection subsystem (ATP), automatic train operation subsystem (ATO) and data communication subsystem (DCS), of which the DCS subsystem is a broadband communication system, and it provides two-way, reliable and safe data exchange services for the entire signal system. That is to say, The performance of DCS subsystem will directly affect the functions of the entire signal system. The paper introduces a new DCS wired networking solution based on the DCS subsystem of the signal system for Changsha metro line 2, the solution has more advantages than traditional DCS subsystem.

signal system; data communication subsystem (DCS); networking

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.020

2015-09-22）