面向列車(chē)以太網(wǎng)的FAST-TSN實(shí)驗(yàn)環(huán)境（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境簡(jiǎn)介
發(fā)布時(shí)間：2019-1-30
時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是近年來(lái)迅速發(fā)展的新技術(shù)，可以有效解決智能制造，交通，電力，移動(dòng)通信和數(shù)字媒體等領(lǐng)域?qū)Υ_定性數(shù)據(jù)交換的需求。基于軟硬件協(xié)同的FAST架構(gòu)可以方便的實(shí)現(xiàn)TSN交換設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口適配器原型。然而不同的領(lǐng)域?qū)SN交換的需求差異很大，對(duì)TSN技術(shù)的驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)必須針對(duì)特定環(huán)境進(jìn)行。我們選擇以太網(wǎng)列車(chē)骨干（ETB）的交換需求作為場(chǎng)景，基于openbox-S4和樹(shù)莓派節(jié)點(diǎn)建立FAST-TSN-ETB實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)基于FAST的TSN交換技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。
一、列車(chē)以太網(wǎng)交換的特點(diǎn)
我們選擇列車(chē)以太網(wǎng)骨干作為FAST-TSN原型實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要有兩方面原因。一是列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)形拓?fù)湎鄬?duì)簡(jiǎn)單，而且有統(tǒng)一的規(guī)范定義（IEC 61375-2-5），相比其他領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)的參考資料相對(duì)充足；二是TSN被業(yè)界認(rèn)為是列車(chē)以太網(wǎng)未來(lái)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，基于列車(chē)以太網(wǎng)場(chǎng)景構(gòu)建TSN的實(shí)驗(yàn)環(huán)境具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
（1）列車(chē)以太網(wǎng)（ETB）簡(jiǎn)介
基于高速鐵路對(duì)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要求的不斷提高，特別是現(xiàn)代列車(chē)裝配有越來(lái)越多的智能子系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)更高的性能，安全性，更低的能耗和高舒適度的需求。這些改變給列車(chē)制造商，運(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)集成商帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。
目前列車(chē)中網(wǎng)絡(luò)交換的需求主要包括：（1）列車(chē)運(yùn)行管理核心部件，如牽引、制動(dòng)、照明、電池、供熱通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)、水箱、車(chē)門(mén)、監(jiān)控、事件記錄等設(shè)備的數(shù)據(jù)交換；（2）軸承溫度、速度測(cè)量、和橫向震動(dòng)等傳感器信息的收集；（3）旅客使用的通信網(wǎng)絡(luò)。此外，列車(chē)網(wǎng)絡(luò)還有對(duì)地通信的需求，如圖1所示。
由于傳統(tǒng)基于總線的列車(chē)通信系統(tǒng)難以滿足要求。2014年，國(guó)際電工委員會(huì)頒布了IEC61375 2-5（以太列車(chē)骨干網(wǎng)，ETB）和IEC61375 3-4（以太列車(chē)組成網(wǎng)，ECN），將以太網(wǎng)應(yīng)用于高速列車(chē)。將列車(chē)網(wǎng)絡(luò)骨干帶寬從1.5M左右提升到100M，以求滿足列車(chē)網(wǎng)絡(luò)高帶寬交換需求。
圖1 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)是列車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施重要組成（圖片來(lái)自參考文獻(xiàn)[2]）
考慮減小電纜布線復(fù)雜性、縮短列車(chē)網(wǎng)絡(luò)初始化（拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、地址分配等）時(shí)間以及提供故障冗余等因素，列車(chē)以太網(wǎng)骨干在每個(gè)車(chē)廂部署一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（又稱ETBN節(jié)點(diǎn)），這些節(jié)點(diǎn)首尾相連形成環(huán)形拓?fù)洌鐖D2所示。
圖2 列車(chē)以太網(wǎng)骨干的拓?fù)洌▓D片來(lái)自參考文獻(xiàn)[2]）
根據(jù)IEC61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)，ETBN使用802.3以太網(wǎng)MAC， 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 協(xié)議，由于ETB為環(huán)形拓?fù)洌虼薊TBN設(shè)備在列車(chē)初運(yùn)行時(shí)不使用802.1D生成樹(shù)技術(shù)，而采用列車(chē)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議（TTDP）。
（2）TSN在列車(chē)以太網(wǎng)中的應(yīng)用前景
由于列車(chē)運(yùn)行控制中存在周期性關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸（如來(lái)自軸承溫度和速度測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)），帶寬預(yù)約流量（CCTV的視頻流量）以及其他best effort流量。而在ETB規(guī)范中，流量控制、入口速率控制和出口整形等技術(shù)僅作為可選項(xiàng)，因此難以滿足關(guān)鍵流量的服務(wù)質(zhì)量保證需求。
TSN在列車(chē)中的應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)包括兩方面：一是能夠在一套網(wǎng)絡(luò)中傳輸不同的流量，節(jié)約設(shè)備部署和管理維護(hù)復(fù)雜性。二是能夠有效隔離列車(chē)運(yùn)行關(guān)鍵的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)，不必?fù)?dān)心用戶的數(shù)據(jù)會(huì)影響到列車(chē)制動(dòng)裝置的控制。
圖3 TSN將成為列車(chē)以太網(wǎng)重要的發(fā)展方向
因此，近年來(lái)一些工業(yè)界專家認(rèn)為[3]，標(biāo)準(zhǔn)的基于TSN的以太網(wǎng)應(yīng)用會(huì)簡(jiǎn)化鐵路軌道交通網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及資本投入（CAPEX）和運(yùn)營(yíng)成本（OPEX），TSN將會(huì)是未來(lái)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)重要的發(fā)展方向。
二、面向列車(chē)以太網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境：FAST-TSN-ETB
（1）實(shí)驗(yàn)環(huán)境組成
我們搭建的列車(chē)以太網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示，主要由8個(gè)openbox-S4板卡以及部分樹(shù)莓派節(jié)點(diǎn)組成。其中A、B、C和D四個(gè)節(jié)點(diǎn)形成環(huán)形拓?fù)洌總€(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)支持TSN交換的額ETBN節(jié)點(diǎn)功能，仿真包含4個(gè)車(chē)廂的列車(chē)以太網(wǎng)骨干。
Openbox-S4是我們基于xilinx Zynq FPGA設(shè)計(jì)的可編程板卡，是目前基于FAST架構(gòu)進(jìn)行路由交換開(kāi)發(fā)的成熟的平臺(tái)，支持4個(gè)千兆以太網(wǎng)接口，也是我們TSN交換和接口適配器原型的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
節(jié)點(diǎn)E，F(xiàn)和H仿真3個(gè)接入ETB網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)。內(nèi)部ARM處理器實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)TSN網(wǎng)絡(luò)接入控制器功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立的IP地址，控制接口具有惟一的MAC地址。
樹(shù)莓派I1、I2和I3仿真列車(chē)中的傳感器和執(zhí)行器功能，沒(méi)有獨(dú)立的IP地址，通過(guò)網(wǎng)關(guān)G接入ETB網(wǎng)絡(luò)。
圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境組成
（2）節(jié)點(diǎn)的功能和實(shí)驗(yàn)的流量
TSN網(wǎng)絡(luò)控制器在節(jié)點(diǎn)E上實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)E上運(yùn)行floodlight控制器，TSN網(wǎng)絡(luò)集中管理功能將作為控制器北向接口應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
列車(chē)管理控制系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)F上實(shí)現(xiàn)。I1-I3與節(jié)點(diǎn)F的通信流量為ETB中的關(guān)鍵流量，節(jié)點(diǎn)H代表乘客的計(jì)算機(jī)，向ETB網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送背景流量。
三、基于FAST-TSN-ETB的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
我們實(shí)驗(yàn)的目的主要有三個(gè)，一是通過(guò)搭建ETB環(huán)境，進(jìn)一步加深對(duì)列車(chē)以太網(wǎng)拓?fù)涮攸c(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律的認(rèn)識(shí)；二是對(duì)我們基于FAST架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的TSN交換能力的驗(yàn)證；三是探索針對(duì)ETB特定場(chǎng)景的TSN實(shí)現(xiàn)技術(shù)的定制設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
我們擬進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如下表所示。
在后續(xù)文章中我們會(huì)進(jìn)一步介紹FAST-TSN-ETB實(shí)驗(yàn)環(huán)境的配置，工作流程和初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。
參考文獻(xiàn)
[1] 翟雅萌,劉曉東等. 基于以太網(wǎng)的列車(chē)骨干網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究, 《工業(yè)控制計(jì)算機(jī)》2017 年第30卷第5 期
[2]白皮書(shū)，智能列車(chē)技術(shù)，http://www.eke-electronics.com
[3]WhitePaper: Time Sensitive Networking: Simplifying Rail MetroEthernet Communications Networks.
https://www.belden.com/blog/industrial-ethernet/time-sensitive-networking-simplifying-rail-metro-ethernet-communications-networks
[4] Ki Suh Lee, Han Wang, VishalShrivastav, Hakim Weatherspoon，GloballySynchronized Time via Datacenter Networks，SIGCOMM 2016
[5] IETF草案，Large-Scale Deterministic Network draft-qiang-detnet-large-scale-detnet-02
