面向列車以太網(wǎng)的FAST-TSN實(shí)驗(yàn)環(huán)境（2）ETB網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)原理與挑戰(zhàn)
發(fā)布時(shí)間：2019-02-18
ETB將傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)交換帶寬從1Mbps左右提升到100MBps，同時(shí)基于通用以太網(wǎng)設(shè)備和技術(shù)可極大的降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和管理維護(hù)成本。本文首先介紹ETB網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮攸c(diǎn)，地址分配和路由機(jī)制。然后指出ETB標(biāo)準(zhǔn)只支持線性拓?fù)洌瑹o(wú)法滿足冗余性更好的環(huán)形ETB拓?fù)洌ㄒ蕴W(wǎng)環(huán)）的組網(wǎng)需求。我們認(rèn)為基于SDN的ETB管控可能是解決上述問(wèn)題的途徑。
一、標(biāo)準(zhǔn)ETB網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮攸c(diǎn)
（1）線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ETB標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-2-5[1]中給出了支持冗余的ETB骨干拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示，所有的ETBN節(jié)點(diǎn)相連組成一個(gè)線性的ETB骨干拓?fù)洌耸孜睧TBN節(jié)點(diǎn)外，每個(gè)中間ETBN交換節(jié)點(diǎn)都通過(guò)兩個(gè)全雙工以太網(wǎng)鏈路與其前后兩個(gè)方向的ETBN節(jié)點(diǎn)相連。任何兩個(gè)ETBN節(jié)點(diǎn)間的冗余雙鏈路采用以太網(wǎng)鏈路聚合機(jī)制捆綁使用。
圖1 列車網(wǎng)絡(luò)中的ETBN節(jié)點(diǎn)和以太網(wǎng)鏈路[1]
（2）ETBN ID和CN子網(wǎng)ID的分配
每列火車由多個(gè)車輛（consist）組成，每個(gè)車輛有出廠時(shí)設(shè)定的全球唯一的128位車輛標(biāo)識(shí)（CSTUUID），在列車初運(yùn)行時(shí)，TTDP (Train Topology Discovery Protocol，TTDP)協(xié)議比較列車首尾車輛的CSTUUID，將具有較小CSTUUID的車輛定義為車頭（top node），具有較大CSTUUID標(biāo)識(shí)的車輛定義為車尾（bottomnode），如圖2所示。
然后按照車頭到車尾的順序?yàn)槊總€(gè)車輛中的ETBN和車輛網(wǎng)絡(luò)（ConsistNetwork）子網(wǎng)進(jìn)行編號(hào)。
圖2 基于CSTUUID的列車參考方向確定[1]
根據(jù)CSTUUID確定列車頭尾和參考方向后，TTDP協(xié)議會(huì)從車頭開(kāi)始，沿著車頭到車尾的順序（DIR2），根據(jù)每個(gè)車輛內(nèi)部靜態(tài)配置的子網(wǎng)信息（如CN1，CN2，CN3）和ETBN信息，按照ID從小到大的順序，依次為每個(gè)子網(wǎng)分配一個(gè)6 比特的子網(wǎng)ID，為每個(gè)ETBN分配一個(gè)ETBN的ID，如圖3所示。
圖3 CN子網(wǎng)ID和ETBN ID的分配[1]
二、ETB網(wǎng)絡(luò)的地址分配與路由
（1）地址分配
ETB規(guī)范規(guī)定列車網(wǎng)絡(luò)使用IPv4保留的地址空間10.128.0.0/9，即地址高9位（31位到23位）為固定的000010101，定義IP地址的低23位為bbxssss.sshhhhhh.hhhhhhhh。其中bb=00標(biāo)識(shí)列車控制系統(tǒng)（ICMS）網(wǎng)絡(luò)地址空間；bb=01為列車多媒體網(wǎng)絡(luò)地址空間，bb=10和11為保留地址空間；X為預(yù)留位，固定為0；假設(shè)以下只考慮列車控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，因此該網(wǎng)絡(luò)中所有IP地址高12位固定為0000-1010-1000。
列車中分為由所有ETBN組成的ETB子網(wǎng)，以及每個(gè)車輛內(nèi)部連接到ETBN的CN子網(wǎng)。其中ETB子網(wǎng)ID為000000，每個(gè)CN子網(wǎng)的subnet ID范圍是1-63，在初運(yùn)行時(shí)由TTDP協(xié)議分配獲得。需要注意的是，列車網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)子網(wǎng)的前綴長(zhǎng)度都是18位。CN前綴與其subnet ID相關(guān)，舉例如下表所示。
一個(gè)典型的列車網(wǎng)絡(luò)地址分配和ETBN路由表如圖4所示，在初運(yùn)行時(shí)，3個(gè)ETBN的ID被分配為5，6，7，三個(gè)CN子網(wǎng)的ID也被分配成5，6，7。每個(gè)ETBN需要兩個(gè)IP地址，一個(gè)是ETB子網(wǎng)側(cè)的IP地址，一個(gè)是連接本地CN子網(wǎng)的接口IP地址。
由于ETB規(guī)范定義ETBN在ETB側(cè)IP地址為10.128.0.x，其中x為ETBN的ID（為簡(jiǎn)化，此處不考慮冗余IP地址）。因此三個(gè)ETBN在ETB子網(wǎng)中的IP地址分別為10.128.0.5/6/7。同理，三個(gè)CN子網(wǎng)的前綴分別為10.129.64.0/18，10.129.128.0/18和10.129.192.0/18。ETBN在本地CN側(cè)的地址使用CN的18位網(wǎng)絡(luò)前綴，設(shè)備ID通常設(shè)置為1，代表路由器接口。
圖4 列車網(wǎng)絡(luò)地址分配和ETBN路由表示例[1]
（2）基于ETBN的路由
圖4中還顯示了每個(gè)ETBN中的路由表片段。以7號(hào)ETBN為例，其中包含4個(gè)路由表項(xiàng)，分別顯示了到達(dá)不同子網(wǎng)需要經(jīng)過(guò)的目的ETBN的IP地址。例如，07號(hào)ETBN發(fā)現(xiàn)分組的目的IP地址前綴等于10.129.64.0/18時(shí)，需要將分組發(fā)送到ETBN網(wǎng)關(guān)10.128.0.5.
三、環(huán)形ETB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶魬?zhàn)
（1）環(huán)形ETB拓?fù)涞奶攸c(diǎn)
由于環(huán)形拓?fù)渚哂懈玫墓收先哂嗄芰Γ虼嗽诒ＷC先后車輛之間有兩條全雙工以太網(wǎng)鏈路不變的前提下（即ETB的物理層不需進(jìn)行任何修改），通過(guò)打散兩條鏈路的聚合，將ETB網(wǎng)絡(luò)組成環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)。例如王濤等人2015年在鐵道學(xué)報(bào)上提出了一種環(huán)狀的列車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]，如圖5所示。這樣在IP路由層面，任何兩個(gè)ETBN之間都存在兩條冗余的路由，而標(biāo)準(zhǔn)的線性拓?fù)渲淮嬖谝粭l路由。
圖5 一種基于環(huán)形以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)[2]
近年來(lái)，一些為軌道交通提供核心通信設(shè)備的EKE公司，也推出了與圖5類似的支持環(huán)形以太網(wǎng)的列車ETB網(wǎng)絡(luò)解決方案[3]。
（2）環(huán)形ETB拓?fù)涿媾R的挑戰(zhàn)
ETB標(biāo)準(zhǔn)并不支持圖5所示拓?fù)洌饕憩F(xiàn)在兩點(diǎn)。
一是ETB鏈路層規(guī)范要求ETBN之間的多鏈路必須實(shí)現(xiàn)鏈路聚合功能，且對(duì)ETBN節(jié)點(diǎn)的三種配置（無(wú)源旁路、中間節(jié)點(diǎn)、端節(jié)點(diǎn)）無(wú)法實(shí)現(xiàn)單以太網(wǎng)鏈路旁路車輛的功能（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]中的fugure29-32）；
二是ETB的TTDP協(xié)議不支持環(huán)形拓?fù)洌ㄒ?jiàn)[1]的8.2.3 Assumptions），無(wú)法為環(huán)形連接的ETBN和對(duì)應(yīng)的CN子網(wǎng)分配ETBN ID和CN子網(wǎng)ID，因此ETB規(guī)范的IP地址生成機(jī)制無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
（3）基于SDN的ETB管控
我們發(fā)現(xiàn)，十多年前ETB標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)還沒(méi)有SDN技術(shù)。但目前SDN技術(shù)已經(jīng)成熟，并且成功地在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和廣域互聯(lián)網(wǎng)中得到應(yīng)用。基于SDN的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)研究也逐漸成為熱點(diǎn)。因此，環(huán)形ETB網(wǎng)絡(luò)管理也可考慮借鑒SDN思想，主要理由包括如下幾點(diǎn)。
一是ETB網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相對(duì)有限，地址分配規(guī)整，拓?fù)渥兓淮螅m合SDN集中控制方式；二是ETB網(wǎng)絡(luò)需要快速的冗余路徑切換，而SDN的集中計(jì)算和統(tǒng)一流表下發(fā)的速度會(huì)優(yōu)于目前TTDP采用了分布式計(jì)算方式；三是SDN集中控制可以與TSN的集中資源管理相結(jié)合，提升ETB網(wǎng)絡(luò)的集約設(shè)計(jì)水平。
我們將在后續(xù)的文章中對(duì)SDN在環(huán)形ETB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)、地址分配和路由計(jì)算中的應(yīng)用展開(kāi)分析，提出并完善基于SDN的ETB環(huán)形組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)方案。
參考文獻(xiàn)
[1] Electronic railway equipment – Traincommunication network (TCN) – Part 2-5: Ethernet train backbone
[2] 王濤，王立德，周潔瓊等，基于交換式以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性研究，鐵道學(xué)報(bào)，第３７卷第４期，２０１５年４月
[3]白皮書(shū)，智能列車技術(shù)，http://www.eke-electronics.com
