軌道交通自動售檢票系統(tǒng)網(wǎng)絡性能計算與驗證的論文
1自動售檢票系統(tǒng)概述
軌道交通自動售檢票系統(tǒng)集先進的集成技術、計算機技術、現(xiàn)代通信技術、網(wǎng)絡技術、自動控制技術、IC卡技術、大型數(shù)據(jù)庫技術、機電一體化技術、模式識別技術、傳感技術、精密機械技術等于一體，是實現(xiàn)軌道交通自動購票、檢票、計費、收費、統(tǒng)計全過程的自動化系統(tǒng)。AFC系統(tǒng)具備多項管理職能，直接面向乘客，是軌道交通運營系統(tǒng)中的重要組成部分。該系統(tǒng)主要處理交易和財務數(shù)據(jù)，必須保證信息的高度安全。AFC系統(tǒng)平臺必須滿足可靠性、安全性、易用性、可擴展性、互聯(lián)互通等需求，并具有準確采集與處理、大批量可靠地傳輸以及統(tǒng)計和管理數(shù)據(jù)的能力。
2網(wǎng)絡帶寬需求驗證
2.1車站與中央系統(tǒng)間的網(wǎng)絡帶寬
車站計算機系統(tǒng)與中央計算機系統(tǒng)間的網(wǎng)絡由綜合有線傳輸子系統(tǒng)提供的光傳輸網(wǎng)、以太網(wǎng)接口來實現(xiàn)，以太網(wǎng)接口直接接入中央核心交換機，車站計算機也直接與車站交換機連接。
假設車站每日處理不少于20萬客流(1客流≈2.5筆交易)，交易數(shù)據(jù)記錄長度約為100B，每個車站按最大連接128臺終端設備計算，每2s采集1次設備狀態(tài)信息，設備狀態(tài)信息長度為200B;在設置參數(shù)后，應在5min內下達所有系統(tǒng)設備，假定最大參數(shù)文件為10MB;同時，線路上還應留有一定的帶寬，以保證數(shù)據(jù)的查詢響應速度，分2級下達。據(jù)此，車站計算機與中央計算機系統(tǒng)間的網(wǎng)絡帶寬計算為
A=200000×2.53600×8≈18筆/s(1)
B=18×100×8≈15Kbit/s(2)
C=128×200×82≈103Kbit/s(3)
D=10M×25×60≈68Kbit/s(4)
E=B+C+D=184Kbit/s(5)
式中，A為峰值交易量，B為峰值數(shù)據(jù)傳輸量，C為設備狀態(tài)及數(shù)據(jù)，D為設備參數(shù)數(shù)據(jù)，E為總帶寬。
考慮TCP/IP包頭和其他開銷，以及管理、時鐘同步等其他應用的網(wǎng)絡開銷，雖然式(5)的計算值為184Kbit/s，但是真正為系統(tǒng)所提供的網(wǎng)絡線路帶寬應不小于512Kbit/s。
2.2中央與外部系統(tǒng)間的網(wǎng)絡
中央與外部系統(tǒng)間的網(wǎng)絡，是指線路中央通過專用網(wǎng)絡與軌道交通清分系統(tǒng)通信的網(wǎng)絡。假設每日有300萬人次客流的處理需求，高峰期內25%的客流集中在2h內;考慮極端情況，所有乘客都購票或加值，進站、出站和售票交易的'記錄長度為100B。據(jù)此，中央計算機系統(tǒng)與清分系統(tǒng)之間所需網(wǎng)絡帶寬的計算公式為
X=3000000×2+3000000≈9000000筆/d(6
Y=9000000×0.253600×2≈312.5筆/s(7)
Z=312.5×100×8≈250Kbit/s(8)
式中，X為日交易量，Y為峰值交易量，Z為峰值數(shù)據(jù)傳輸量。
考慮參數(shù)數(shù)據(jù)接收的及時性，要求網(wǎng)絡帶寬不小于256Kbit/s，設備狀態(tài)等數(shù)據(jù)約為256Kbit/s;考慮TCP/IP包頭及管理、時鐘同步等其他應用的網(wǎng)絡開銷，中央計算機系統(tǒng)與外部系統(tǒng)間的網(wǎng)絡帶寬應至少為2Mbit/s。
3數(shù)據(jù)模擬測試
應用數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器進行線路模擬測試，以驗證系統(tǒng)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸能力、應用程序處理性能，確保數(shù)據(jù)傳輸與接收的正確性、數(shù)據(jù)處理的正確性、應用程序的魯棒性。
3.1測試環(huán)境
1、硬件環(huán)境:中央主機、中央通信前置機、車站計算機(至少1臺)、數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器(至少1臺)，實際生產(chǎn)系統(tǒng)所使用的網(wǎng)絡環(huán)境、設備之間的網(wǎng)絡通信正常。
2、主機環(huán)境:主機為HPRP3440服務器，數(shù)據(jù)庫為Oracle10g。
3、數(shù)據(jù)模擬器:模擬器能夠按照地標數(shù)據(jù)格式模擬生成6000、6002、6003、5041共4類最常出現(xiàn)的交易記錄，并向指定車站計算機發(fā)送。模擬器每秒發(fā)送60～70條交易記錄，每小時模擬數(shù)據(jù)超過20萬條。
3.2測試標準
1、車站計算機應能正確接收所有數(shù)據(jù)，記入數(shù)據(jù)庫，并實時轉發(fā)至中央計算機。
2、設備、車站、中央三者的數(shù)據(jù)應完全一致。
3、車站系統(tǒng)具有孤島運行能力:當應用故障或網(wǎng)絡中斷時，不影響其運行;當系統(tǒng)或網(wǎng)絡恢復正常時，自動連接中央計算機，并將未上傳的數(shù)據(jù)全部上傳。
4、中央計算機處理能力不得低于每秒150筆交易。
5、車站計算機處理能力不得低于每秒21筆交易。
3.3正確性測試
將數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器上傳的交易數(shù)據(jù)，與車站、中央接收的數(shù)據(jù)進行比對，三者應完全一致。
可見，當模擬器發(fā)送數(shù)據(jù)量增大時，模擬器上傳數(shù)據(jù)與車站接收數(shù)據(jù)的差異很小，可忽略，但與中央接收數(shù)據(jù)的差異很大。經(jīng)查，差異大是由于前置機內數(shù)據(jù)未及時刪除、存儲空間滿而造成的，修改后可以達到理想的測試要求。
3.4并發(fā)測試
并發(fā)測試，主要測試多個設備并發(fā)時的處理能力、正確性、程序的魯棒性。把3臺模擬器分別設定為不同車站(避免可能出現(xiàn)的流水號重復)，同時運行模擬器模擬發(fā)送程序，統(tǒng)計數(shù)據(jù)模擬發(fā)生器上傳的交易數(shù)據(jù)總數(shù)，并與車站、中央接收的數(shù)據(jù)進行比對，三者應完全一致。
3.5狀態(tài)及時延測試
狀態(tài)測試，主要測試車站計算機和中央監(jiān)控工作站對設備狀態(tài)監(jiān)控的正確性，數(shù)據(jù)模擬器依次模擬設備的各種狀態(tài)。
數(shù)據(jù)模擬器模擬設備的狀態(tài)事件代碼采用循環(huán)方式，事件發(fā)生與清除交替出現(xiàn)，即發(fā)生一個事件，在下一周期清除以前的一個事件(模擬程序保持10個事件，即第11個事件到達時，清除第1個事件)。實時查詢數(shù)據(jù)庫內容，同時在車站計算機和中央監(jiān)控工作站觀察設備的狀態(tài)變化情況(二者應完全一致)。在監(jiān)控工作站上觀察，應能看到設備狀態(tài)事件依次發(fā)生、清除，與數(shù)據(jù)模擬器的數(shù)據(jù)生成規(guī)律吻合。
同時，測試系統(tǒng)的反應速度。將車站計算機、監(jiān)控工作站時鐘與數(shù)據(jù)模擬器時鐘設為一致，一臺數(shù)據(jù)模擬器向車站計算機發(fā)送交易數(shù)據(jù)，另一臺數(shù)據(jù)模擬器向車站計算機發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，觀察故障發(fā)生后在中央監(jiān)控工作站上顯示的時延。
3.6壓力測試
壓力測試，重點測試網(wǎng)絡通信能力、應用程序數(shù)據(jù)處理能力，判斷系統(tǒng)在極端或異常情況下的處理能力。模擬中央主機應用停止、大量數(shù)據(jù)積壓等情況，觀察車站/中央數(shù)據(jù)報文的傳輸和處理，記錄所有數(shù)據(jù)報文的傳輸和處理完畢所需的時間，觀察系統(tǒng)能在多長時間內處理完畢。
可以看出，系統(tǒng)在規(guī)定時間內的處理能力和模擬數(shù)據(jù)量成正比，足以滿足日客流200萬人次、系統(tǒng)處理能力不小于150筆/s的要求。
3.7網(wǎng)絡性能測試
3.7.1端口連通測試
1、測試目的:測試各端口之間VLAN隔離是否有效。
2、測試方法:在系統(tǒng)中央和站點各連接1臺電腦，電腦IP地址設置在同一網(wǎng)段中，接在相應端口進行互相連通，觀察狀態(tài)。
3.7.2最大、最小幀測試
1、測試目的:檢測設備所能處理的最大、最小幀長度。
2、測試方法:在系統(tǒng)中央和遠端站點各接1臺以太網(wǎng)性能分析儀，系統(tǒng)中央以64B的幀長往遠端站點發(fā)包，遠端站點以1518B的幀長向系統(tǒng)中央發(fā)包，觀察兩邊的收包情況。
3.7.3通道帶寬流量及吞吐量測試
1、測試目的:檢測SDH映射是否正常，通道帶寬是否符合設計要求。
2、測試方法:在系統(tǒng)中央和遠端站點各接1臺以太網(wǎng)性能分析儀，連上設備以后觀察端口速率，兩邊同時按設計要求發(fā)包，觀察收包情況和吞吐量。
可見，隨著交易量的增加，網(wǎng)絡吞吐量以穩(wěn)定的速度增長，然后在某一點趨于穩(wěn)定。
3.7.4長期丟包及系統(tǒng)CPU性能測試
1、測試目的:驗證在正常負荷情況下、設備長時間(12h)運行時的丟包性能。
2、測試方法:在系統(tǒng)中央和遠端站點各接1臺以太網(wǎng)性能分析儀，系統(tǒng)中央以64B的幀長往遠端站點發(fā)包，遠端站點以1518B的幀長向系統(tǒng)中央發(fā)包，計時12h，觀察兩邊收包情況，同時觀察系統(tǒng)CPU。
經(jīng)測試，在網(wǎng)絡不穩(wěn)定、發(fā)生瞬間閃斷時，丟包率在20%左右;網(wǎng)絡穩(wěn)定時，丟包率為0。由于系統(tǒng)負載不斷變化，因此CPU曲線不是平滑的，會出現(xiàn)波動。
4結語
針對AFC系統(tǒng)設計要求和線路實際情況，對網(wǎng)絡功能進行測算與測試非常關鍵和重要。以上通過公式、圖表對網(wǎng)絡帶寬需求進行了驗證，對數(shù)據(jù)模擬環(huán)境、網(wǎng)絡性能進行了測試，驗證與測試結果均與設計預期吻合，證明設計確實符合要求，能夠實現(xiàn)各項功能。
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