面向列車以太網的FAST-TSN實驗環境（1）實驗環境簡介
發布時間：2019-1-30
時間敏感網絡是近年來迅速發展的新技術，可以有效解決智能制造，交通，電力，移動通信和數字媒體等領域對確定性數據交換的需求。基于軟硬件協同的FAST架構可以方便的實現TSN交換設備和網絡接口適配器原型。然而不同的領域對TSN交換的需求差異很大，對TSN技術的驗證和實驗必須針對特定環境進行。我們選擇以太網列車骨干（ETB）的交換需求作為場景，基于openbox-S4和樹莓派節點建立FAST-TSN-ETB實驗環境，對基于FAST的TSN交換技術進行驗證。
一、列車以太網交換的特點
我們選擇列車以太網骨干作為FAST-TSN原型實驗環境主要有兩方面原因。一是列車網絡的環形拓撲相對簡單，而且有統一的規范定義（IEC 61375-2-5），相比其他領域，網絡的參考資料相對充足；二是TSN被業界認為是列車以太網未來的重要發展趨勢之一，基于列車以太網場景構建TSN的實驗環境具有一定的應用價值。
（1）列車以太網（ETB）簡介
基于高速鐵路對列車網絡系統要求的不斷提高，特別是現代列車裝配有越來越多的智能子系統以實現更高的性能，安全性，更低的能耗和高舒適度的需求。這些改變給列車制造商，運營商和系統集成商帶來了諸多挑戰。
目前列車中網絡交換的需求主要包括：（1）列車運行管理核心部件，如牽引、制動、照明、電池、供熱通風與空氣調節、水箱、車門、監控、事件記錄等設備的數據交換；（2）軸承溫度、速度測量、和橫向震動等傳感器信息的收集；（3）旅客使用的通信網絡。此外，列車網絡還有對地通信的需求，如圖1所示。
由于傳統基于總線的列車通信系統難以滿足要求。2014年，國際電工委員會頒布了IEC61375 2-5（以太列車骨干網，ETB）和IEC61375 3-4（以太列車組成網，ECN），將以太網應用于高速列車。將列車網絡骨干帶寬從1.5M左右提升到100M，以求滿足列車網絡高帶寬交換需求。
圖1 列車網絡是列車基礎設施重要組成（圖片來自參考文獻[2]）
考慮減小電纜布線復雜性、縮短列車網絡初始化（拓撲發現、地址分配等）時間以及提供故障冗余等因素，列車以太網骨干在每個車廂部署一個網關節點（又稱ETBN節點），這些節點首尾相連形成環形拓撲，如圖2所示。
圖2 列車以太網骨干的拓撲（圖片來自參考文獻[2]）
根據IEC61375-2-5標準，ETBN使用802.3以太網MAC， 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 協議，由于ETB為環形拓撲，因此ETBN設備在列車初運行時不使用802.1D生成樹技術，而采用列車拓撲發現協議（TTDP）。
（2）TSN在列車以太網中的應用前景
由于列車運行控制中存在周期性關鍵數據傳輸（如來自軸承溫度和速度測量傳感器數據），帶寬預約流量（CCTV的視頻流量）以及其他best effort流量。而在ETB規范中，流量控制、入口速率控制和出口整形等技術僅作為可選項，因此難以滿足關鍵流量的服務質量保證需求。
TSN在列車中的應用的主要優點包括兩方面：一是能夠在一套網絡中傳輸不同的流量，節約設備部署和管理維護復雜性。二是能夠有效隔離列車運行關鍵的關鍵數據和用戶數據，不必擔心用戶的數據會影響到列車制動裝置的控制。
圖3 TSN將成為列車以太網重要的發展方向
因此，近年來一些工業界專家認為[3]，標準的基于TSN的以太網應用會簡化鐵路軌道交通網絡的復雜性以及資本投入（CAPEX）和運營成本（OPEX），TSN將會是未來列車網絡重要的發展方向。
二、面向列車以太網的實驗環境：FAST-TSN-ETB
（1）實驗環境組成
我們搭建的列車以太網實驗環境如圖4所示，主要由8個openbox-S4板卡以及部分樹莓派節點組成。其中A、B、C和D四個節點形成環形拓撲，每個節點實現支持TSN交換的額ETBN節點功能，仿真包含4個車廂的列車以太網骨干。
Openbox-S4是我們基于xilinx Zynq FPGA設計的可編程板卡，是目前基于FAST架構進行路由交換開發的成熟的平臺，支持4個千兆以太網接口，也是我們TSN交換和接口適配器原型的實驗平臺。
節點E，F和H仿真3個接入ETB網絡的計算機。內部ARM處理器實現計算功能，FPGA實現TSN網絡接入控制器功能，每個節點具有獨立的IP地址，控制接口具有惟一的MAC地址。
樹莓派I1、I2和I3仿真列車中的傳感器和執行器功能，沒有獨立的IP地址，通過網關G接入ETB網絡。
圖4 實驗環境組成
（2）節點的功能和實驗的流量
TSN網絡控制器在節點E上實現。節點E上運行floodlight控制器，TSN網絡集中管理功能將作為控制器北向接口應用開發。
列車管理控制系統在節點F上實現。I1-I3與節點F的通信流量為ETB中的關鍵流量，節點H代表乘客的計算機，向ETB網絡中發送背景流量。
三、基于FAST-TSN-ETB的實驗內容
我們實驗的目的主要有三個，一是通過搭建ETB環境，進一步加深對列車以太網拓撲特點和運行規律的認識；二是對我們基于FAST架構實現的TSN交換能力的驗證；三是探索針對ETB特定場景的TSN實現技術的定制設計和實現技術。
我們擬進行的實驗內容如下表所示。
在后續文章中我們會進一步介紹FAST-TSN-ETB實驗環境的配置，工作流程和初步實驗結果等。
參考文獻
[1] 翟雅萌,劉曉東等. 基于以太網的列車骨干網數據傳輸技術研究, 《工業控制計算機》2017 年第30卷第5 期
[2]白皮書，智能列車技術，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
