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实验研究
随着我国城市轨道交通的迅猛发展，越来越多的地铁列车网络采用以太网TRDP 协议进行通信。以太网大大提升了网络的带宽和传输速率，提高了信息传输能力，但同时存在可靠性、实时性方面的缺陷，可能会影响列车实时控制性能，威胁行车安全，采用TRDP 协议并不能解决这些问题。
本文针对SDTv2协议进行了研究，并通过实际项目应用，
实现了地铁列车重要数据安全实时的传输。
1 TRDP 协议
列车实时数据协议（Train Real-Time Data Protocol，
TRDP）是一种列车实时传输协议，定义在IEC61375-2-3的附录A 中。TRDP 层位于应用层和传输层之间，传输层使
TRDP 协议通过FCS-32生成多项式对TRDP 头进行
CRC 校验，生成头部校验码HeaderFCS，但协议并未对用户数据段进行校验。
TRDP 协议过程数据有PUSH 和PULL 两种模式，常用的是PUSH 模式，如图2所示。TRDP 协议简要描述了一下超时判断机制，并未对数据
传输实时性要求进行详细规定。
2 SDTv2协议
安全数据传输协议（Safe Data Transmission version
2，SDTv2）是一种在应用数据层增加安全数据传输的协议，主要适用于列车以太网通信，也可用于MVB 通信。定义在
IEC61375-2-3的附录B 中。
图2
SDTv2提供了在一个安全相关（重要）
数据源（SDSRC）
和一个/多个安全相关数据宿（SDSINK）之间的安全通信路径。该安全通信路径称作“SDTv2通道”。SDSRC 侧SDTv2层的主要任务是添加协议信息，在发送之前构成传输层数据安全传输所必需的VDP。SDSINK 侧SDTv2层确认已接收的VDP，如果确认成功则在SDTv2应用接口呈现
已包含的重要数据。地铁列车TRDP 安全数据传输协议研究
朱少华，吉凡
（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏南京，210031）
摘要：目前地铁列车以太网通信主要采用TRDP协议。该协议存在如下问题：（1）只对TRDP头进行了校验，缺少对用户数据段的校验；（2）缺少对数据收发实时性的具体要求。为此，本文研究了安全数据传输协议SDTv2。该协议在TRDP的基础上，增加了对用户数据段的校验，同时对数据收发实时性进行了具体要求。通过该协议的使用，有效的提升了数据传输的正确性和实时性，保证了地铁列车重要数据的传输。
关键词：地铁；以太网； TRDP；SDTv2；安全数据传输
SDSRC使用2.1中计算的SID作为初始值，对重要过程数据、用户数据版本、安全序列计数器进行SC-32循环冗余校验计算得到SafetyCode，生成VDP发送出去。SDSINK接收到VDP后，通过TRDP定义的源IP、目的IP、ComId到对应发送方，根据发送方的预定义信息得到SMI等数据，使用SC-32计算对应SID，然后用SID作为初始值，对接收到的重要过程数据等信息再次使用SC-32计算应该得到的SafetyCode，与实际接收到的SafetyCode进行对比，判断VDP的是否正确。SDTv2应用程序接口。
2.3.2.1 VDP种类
VDP可以分为以下种类：
正确VDP：SafetyCode校验正确且用户数据版本正确的VDP。
重复VDP：本次经过校验的SafetyCode与上次经过校验的SafetyCode相同的VDP。
初始VDP：不是重复VDP，或者上电/重启后第一个正确VDP，或者通信中断恢复后第一个正确VDP，或者SDSRC冗余切换后第一个正确VDP。
新鲜VDP：正确VDP，且不是初始VDP，且SID是初始SID，且SSC延续上个初始或新鲜VDP的SSC。
有效VDP：新鲜或者重复VDP。
2.3.2.2 VDP有效性检查
SDSINK在收到初始VDP之后，记录下当前SSC i，然后等待接收下一个VDP。如果下一个VDP的SSC i+1范围在：SSC i +1 <= SSC i+1 <= SSC i+ T rx_safe / T tx_period，则为新鲜VDP，如果SSC i= SSC i+1，则为重复VDP。此时SSC i+1作为新的SSC i记录下来，再次等待接收下一个VDP。其他SSC 无效。
SDSINK将通过校验正确且SSC新鲜或者重复的VDP 判断为有效VDP，呈现给应用程序接口。
南京汽车网2.3.2.3 宿时间监测
SDSINK接收到初始VDP之后开始计时，如果在T rx_safe 时间内收到新鲜VDP，则重新开始计时。当超过该时间未收到新鲜VDP时，SDSINK判断数据接收超时，安全通信丢失，等待再次收到初始VDP后开始计时，安全通信恢复。
24 | 电子制作 2021年05月
实验研究
2.3.2.4 保护时间检查
保护时间检查用于检测两个冗余SDSRC均激活的情况。保护时间T guard应从接收初始VDP之后开始计时，并且持续时间为T rx_safe的倍数（可配置）。SDSINK在接收到一个SDSRC初始VDP之后开始计时，如果在T guard时间内收到了其冗余SDSRC的初始VDP，则SDSINK判断保护时间违反，安全通信丢失。此时保护时间重新开始计时，直到T guard内未收到冗余SDSRC的初始VDP停止计时，安全通信恢复。
2.3.2.5 延迟监测
延迟监测用于监督VDP传输的延迟。在网络故障的情况下，延迟时间平均值可能会随时间增加。SDSINK在接收到新鲜VDP的SSC i之后，对于下个VDP有一个预期SSC E=SSC i+1，实际采样得到的是SSCs，当SSC E-SSCs >= T rx_safe / T tx_period时，SDSINK判断延迟时间违反，安全通信丢失。当SSC E-SSCs < T rx_safe / T tx_period时，安全通信恢复。
2.3.2.6 通道监测
通道监测用于检测SDTv2通道发生硬件或者软件故障后，传输故障率突然增加的情况。如果单位时间内接收到的带有不正确SafetyCode的VDP数量超过预定义的阈值（通道监测阈值），则SDSINK判断通道故障，指示安全通信丢失。当不正确SafetyCode的VDP数量小于阈值时，安全通信恢复。
3 协议应用
无锡3号线智能列车网络采用实时以太网进行通信，通信协议为基于TRDP过程数据的SDTv2协议。
本项目将列车网络系统与各个子系统划分不同系统编号，根据系统编号、车辆号、设备号分配设备IP地址、通信组播地址、ComID、SMI等信息，并配置SDTv2时间参数。网络系统与子系统之间通过上述信息和参数互相收发数据，按照SDTv2协议验证数据的正确性和实时性，实现了列车安全数据传输。
■3.1 ComID
TRDP定义了通信标识符（Communication Identifier，ComID）作为协议数据单元的独特标识符。本项目的ComID按表1规则进行分配（ABCDDE，其中A表示过程数据流向）。
■3.2 SMI
SDTv2定义了安全消息标识符（Safe Message Identifier，SMI）作为用户定义的安全数据传输标识符。本项目的SMI按表2规则进行分配（ABCDDEF，其中A表示过程数据流向）。
表1
参数描述
A
表示过程数据流向。
A=1，表示网络系统发送给子系统的过程数据；
A=2，表示子系统发送给网络系统的过程数据；
A=3，子系统之间通讯的过程数据。
B
表示通信方式。
B =0，表示组播；
B =1，表示单播。
C
表示子系统设备所在车号。
单B =0时，C=0。
备注：子系统之间通讯的数据，定义为接收设备所在车车号。
DD表示子系统编号。
备注：子系统之间通讯的数据，定义为接收设备系统编号。
E设备顺序号，用于区分同一系统多个设备或多个通信周期的需求。表2
参数描述
A
表示过程数据流向。
A=1，表示列车主控设备；
A=2，表示子系统设备。
B置为0。
C表示设备所在车号。
DD表示系统编号。
E表示报文号。
F表示设备号。
■3.3 时间参数配置
T tx_period：本项目规定与TRDP发送周期一致。
T rx_period：本项目规定为CPU执行周期，注意T tx_period 应为该值的整数倍，即T tx_period = N * T rx_period。
T rx_safe：本项目规定为T tx_period的5倍，即T rx_safe = 5* T tx_period。
T guard：本项目规定为T rx_safe的10倍，即T guard = 10 * T rx_safe。
4 总结
SDTv2协议在TRDP协议的基础上，增加了对数据传输的正确性和实时性要求。通过双重SC-32循环冗余校验、VDP有效性检查、通道监测等方式，SDTv2确保了数据收发的正确性。通过宿时间监测、保护时间检查、延迟监测等方式，SDTv2确保数据收发的实时性。
参考文献
＊ [1] IEC 61375-2-3 Electronic railway equipment – Train communi cation network (TCN) – Part 2-3: TCN communication profile.＊ [2]李亭蓄. 基于TRDP协议的列车以太网网络通信实时性研究[D].大连交通大学,2019.
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