一、 引言

    本方案的核心優(yōu)勢是在以太列車網(wǎng)絡(luò)中融入TSN的技術(shù)，能有效解決現(xiàn)有以太列車網(wǎng)絡(luò)存在的支持數(shù)據(jù)類型粒度過粗、無法精確保證關(guān)鍵性數(shù)據(jù)延時和抖動要求、組網(wǎng)復(fù)雜難以維護等問題，并且基于IEEE標準實現(xiàn)，具有良好的通用性，是一種符合列車高速化、智能化發(fā)展趨勢的列車網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)絡(luò)方案。

二、 技術(shù)架構(gòu)和功能

     本方案為基于TSN的以太列車網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方案，TSN是為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中無法實現(xiàn)實時、確定以及可靠的數(shù)據(jù)傳輸在IEEE802.1標準框架下提出的一套協(xié)議標準。TSN通過802.1AS的時間同步協(xié)議實現(xiàn)設(shè)備各節(jié)點的時間同步功能，提供了網(wǎng)絡(luò)級的精確參考時鐘；通過幀復(fù)制與消除、幀檢測與報錯機制保證的數(shù)據(jù)傳輸可靠性；通過幀搶占以及預(yù)約數(shù)據(jù)流、周期性隊列與轉(zhuǎn)發(fā)等整形機制保證精確的傳輸延時；通過資源管理方式以及控制實現(xiàn)資源管理。     TSN與ETB、ECN結(jié)合主要是通過將TSN的時間同步、802.1Qch的周期性調(diào)度算法以及令牌桶的算法與當前以太列車ETB、ECN技術(shù)相融合，通過集中控制方式在列車初運行完成后對列車網(wǎng)絡(luò)中的各ETBN以及ECN交換節(jié)點進行集中管理控制以及統(tǒng)一的資源規(guī)劃管理，以實現(xiàn)對列車通信網(wǎng)絡(luò)中各業(yè)務(wù)流的精確控制以及確定轉(zhuǎn)發(fā)的功能。     本方案的實現(xiàn)的架構(gòu)如圖1所示，實現(xiàn)分為兩部分，一部分為軟件實現(xiàn)的控制部分，一部分為硬件控制轉(zhuǎn)發(fā)部分。其中軟件部分主要用于實現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)中全局資源管理、離線資源規(guī)劃、設(shè)備狀態(tài)管理以及轉(zhuǎn)發(fā)控制管理等功能；硬件部分用于完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送控制、數(shù)據(jù)類型解析、TSN的輸出調(diào)度控制等功能。

三、 解決方案

    本方案主要支持的功能如下：

• 1) 支持E2E 1588v2的時間同步算法，同步精度可以達到100ns。
• 2) 支持802.1Qch的CQF（Cyclic Queuing and Forwarding）循環(huán)隊列與轉(zhuǎn)發(fā)算法，可對周期性數(shù)據(jù)流進行精確的延時控制。
• 3) 支持基于令牌桶的預(yù)留帶寬算法，可以實現(xiàn)預(yù)留帶寬數(shù)據(jù)流的帶寬保證。
• 4) 支持本地TSN節(jié)點對本地狀態(tài)通過Beacon消息進行周期上報，用于獲得節(jié)點的狀態(tài)信息。
• 5) 支持TSN節(jié)點數(shù)據(jù)流鏡像備份，獲得經(jīng)過節(jié)點的所有數(shù)據(jù)的備份鏡像。

    在本方案中為了實現(xiàn)各ETBN以太ECN交換節(jié)點間的數(shù)據(jù)延時可以基于TSN技術(shù)進行精確控制，因此需要實現(xiàn)時間同步協(xié)議。在本方案中時間同步協(xié)議基于端到端（E2E）的 1588v2的時間同步算法實現(xiàn)。本方案中1588時間同步PTP報文基于MAC層實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)發(fā)，因此就限制了其同步域的范圍只能是在當前子網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)，無法實現(xiàn)跨子網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)控制。為了解決此問題本方案在實現(xiàn)時通過在ETBN節(jié)點添加報文解析邏輯以及轉(zhuǎn)發(fā)控制邏輯來實現(xiàn)，即在解析時識別區(qū)分1588的PTP報文，在轉(zhuǎn)發(fā)時通過輸出控制進行轉(zhuǎn)發(fā)控制，在轉(zhuǎn)發(fā)時并不替換源MAC地址，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。     圖2所示，在以太列車網(wǎng)絡(luò)中，ETB的骨干網(wǎng)絡(luò)為一個獨立的子網(wǎng)，各ECN網(wǎng)絡(luò)也為一個獨立的子網(wǎng)。通過報文解析模塊以及輸出調(diào)度模塊的控制，可以使的ETB子網(wǎng)與ECN子網(wǎng)1以及ECN子網(wǎng)2成為一個虛擬的時間同步的邏輯子網(wǎng)，并實現(xiàn)不同子網(wǎng)間的時間同步功能。     在各ETBN以及ECN交換節(jié)點同步的基礎(chǔ)上，本方案針對列車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)的特點以及分類將列車網(wǎng)絡(luò)中的過程數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、流數(shù)據(jù)以及盡力轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)映射為TSN的時間敏感流、資源預(yù)留流以及盡力轉(zhuǎn)發(fā)流特征，映射表如表1所示。在實現(xiàn)時，我們根據(jù)其流的特征以及其每條流的轉(zhuǎn)發(fā)周期數(shù)、延時要求、帶寬要求的不同分別對TSN的特征流進行不同的參數(shù)配置，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的細粒度控制。     本方案通過根據(jù)以上數(shù)據(jù)流的特征以及數(shù)據(jù)流的特點將其分為周期性固定延時轉(zhuǎn)發(fā)流、帶寬保障流以及盡力轉(zhuǎn)發(fā)流。根據(jù)其流的特點，本方案通過TSN的循環(huán)隊列轉(zhuǎn)發(fā)CQF算法實現(xiàn)周期性確定延時的時間敏感流輸出調(diào)度，通過基于令牌桶的帶寬預(yù)留算法實現(xiàn)對保障帶寬流的控制轉(zhuǎn)發(fā)，并在以上轉(zhuǎn)發(fā)算法的基于通過嚴格優(yōu)先級的調(diào)度策略實現(xiàn)時間敏感流、預(yù)約帶寬流以及盡力轉(zhuǎn)發(fā)流的混流轉(zhuǎn)發(fā)。具體實現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。     方案中，根據(jù)周期性數(shù)據(jù)特點將其劃分為多種周期性轉(zhuǎn)發(fā)控制流，其通過CQF的乒乓處理機制，即奇數(shù)時間槽到達的數(shù)據(jù)存入奇數(shù)報文的隊列中，偶數(shù)時間表槽達到的數(shù)據(jù)存入偶數(shù)報文的隊列中。輸出時奇數(shù)時間槽輸出偶數(shù)隊列的內(nèi)容，偶數(shù)時間槽輸出奇數(shù)隊列的內(nèi)容，通過控制時間槽的大小從而實現(xiàn)對報文的輸入輸出的時間進行精確控制。從而實現(xiàn)精確的延時控制。對于帶寬預(yù)留的數(shù)據(jù)流，根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)流的特點通過控制其不同流預(yù)約帶寬的不同，控制對應(yīng)隊列的令牌桶令牌的下發(fā)粒度從而控制其預(yù)留帶寬大小。     另外，為了控制相同類型的時間敏感流之間的干擾，在開始階段就需要對列車網(wǎng)絡(luò)中各種流的特征分析并對其轉(zhuǎn)發(fā)的時間進行規(guī)劃，從而保證相同類型時間敏感流流在轉(zhuǎn)發(fā)時彼此不會干擾。