時間敏感網絡是近年(nián)來迅速發展的(de)新技術，可(kě)以有(yǒu)效解決智能制造，交通，電力，移動通信和(hé)數字媒體等領域對确定性數據交換的(de)需求。基于軟硬件協同的(de)FAST架構可(kě)以方便的(de)實現TSN交換設備和(hé)網絡接口适配器原型。然而不同的(de)領域對TSN交換的(de)需求差異很大，對TSN技術的(de)驗證和(hé)實驗必須針對特定環境進行(xíng)。我們選擇以太網列車骨幹（ETB）的(de)交換需求作為(wèi)場景，基于openbox-S4和(hé)樹莓派節點建立FAST-TSN-ETB實驗環境，對基于FAST的(de)TSN交換技術進行(xíng)驗證。 一(yī)、列車以太網交換的(de)特點       我們選擇列車以太網骨幹作為(wèi)FAST-TSN原型實驗環境主要有(yǒu)兩方面原因。一(yī)是列車網絡的(de)環形拓撲相對簡單，而且有(yǒu)統一(yī)的(de)規範定義（IEC 61375-2-5），相比其他領域，網絡的(de)參考資料相對充足；二是TSN被業界認為(wèi)是列車以太網未來的(de)重要發展趨勢之一(yī)，基于列車以太網場景構建TSN的(de)實驗環境具有(yǒu)一(yī)定的(de)應用價值。    （1）列車以太網（ETB）簡介
     基于高(gāo)速鐵路對列車網絡系統要求的(de)不斷提高(gāo)，特别是現代列車裝配有(yǒu)越來越多的(de)智能子(zǐ)系統以實現更高(gāo)的(de)性能，安全性，更低(dī)的(de)能耗和(hé)高(gāo)舒适度的(de)需求。這些改變給列車制造商(shāng)，運營商(shāng)和(hé)系統集成商(shāng)帶來了諸多挑戰。      目前列車中網絡交換的(de)需求主要包括：（1）列車運行(xíng)管理(lǐ)核心部件，如(rú)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(de)數據交換；（2）軸承溫度、速度測量、和(hé)橫向震動等傳感器信息的(de)收集；（3）旅客使用的(de)通信網絡。此外，列車網絡還有(yǒu)對地(dì)通信的(de)需求，如(rú)圖1所示。      由于傳統基于總線的(de)列車通信系統難以滿足要求。2014年(nián)，國(guó)際電工委員會頒布了IEC61375 2-5（以太列車骨幹網，ETB）和(hé)IEC61375 3-4（以太列車組成網，ECN），将以太網應用于高(gāo)速列車。将列車網絡骨幹帶寬從1.5M左右提升到100M，以求滿足列車網絡高(gāo)帶寬交換需求。      考慮減小電纜布線複雜性、縮短(duǎn)列車網絡初始化（拓撲發現、地(dì)址分配等）時間以及提供故障冗餘等因素，列車以太網骨幹在每個車廂部署一(yī)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(rú)圖2所示。      根據IEC61375-2-5标準，ETBN使用802.3以太網MAC， 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 協議，由于ETB為(wèi)環形拓撲，因此ETBN設備在列車初運行(xíng)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(de)應用前景
     由于列車運行(xíng)控制中存在周期性關鍵數據傳輸（如(rú)來自(zì)軸承溫度和(hé)速度測量傳感器數據），帶寬預約流量（CCTV的(de)視(shì)頻流量）以及其他best effort流量。而在ETB規範中，流量控制、入口速率控制和(hé)出口整形等技術僅作為(wèi)可(kě)選項，因此難以滿足關鍵流量的(de)服務質量保證需求。      TSN在列車中的(de)應用的(de)主要優點包括兩方面：一(yī)是能夠在一(yī)套網絡中傳輸不同的(de)流量，節約設備部署和(hé)管理(lǐ)維護複雜性。二是能夠有(yǒu)效隔離(lí)列車運行(xíng)關鍵的(de)關鍵數據和(hé)用戶數據，不必擔心用戶的(de)數據會影響到列車制動裝置的(de)控制。      因此，近年(nián)來一(yī)些工業界專家認為(wèi)[3]，标準的(de)基于TSN的(de)以太網應用會簡化鐵路軌道(dào)交通網絡的(de)複雜性以及資本投入（CAPEX）和(hé)運營成本（OPEX），TSN将會是未來列車網絡重要的(de)發展方向。 二、面向列車以太網的(de)實驗環境：FAST-TSN-ETB    （1）實驗環境組成
     我們搭建的(de)列車以太網實驗環境如(rú)圖4所示，主要由8個openbox-S4闆卡以及部分樹莓派節點組成。其中A、B、C和(hé)D四個節點形成環形拓撲，每個節點實現支持TSN交換的(de)額ETBN節點功能，仿真包含4個車廂的(de)列車以太網骨幹。      Openbox-S4是我們基于xilinx Zynq FPGA設計的(de)可(kě)編程闆卡，是目前基于FAST架構進行(xíng)路由交換開發的(de)成熟的(de)平台，支持4個千兆以太網接口，也是我們TSN交換和(hé)接口适配器原型的(de)實驗平台。      節點E，F和(hé)H仿真3個接入ETB網絡的(de)計算機(jī)。內(nèi)部ARM處理(lǐ)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(yǒu)獨立的(de)IP地(dì)址，控制接口具有(yǒu)惟一(yī)的(de)MAC地(dì)址。      樹莓派I1、I2和(hé)I3仿真列車中的(de)傳感器和(hé)執行(xíng)器功能，沒有(yǒu)獨立的(de)IP地(dì)址，通過網關G接入ETB網絡。    （2）節點的(de)功能和(hé)實驗的(de)流量
     TSN網絡控制器在節點E上實現。節點E上運行(xíng)floodlight控制器，TSN網絡集中管理(lǐ)功能将作為(wèi)控制器北(běi)向接口應用開發。      列車管理(lǐ)控制系統在節點F上實現。I1-I3與節點F的(de)通信流量為(wèi)ETB中的(de)關鍵流量，節點H代表乘客的(de)計算機(jī)，向ETB網絡中發送背景流量。 三、基于FAST-TSN-ETB的(de)實驗內(nèi)容      我們實驗的(de)目的(de)主要有(yǒu)三個，一(yī)是通過搭建ETB環境，進一(yī)步加深對列車以太網拓撲特點和(hé)運行(xíng)規律的(de)認識；二是對我們基于FAST架構實現的(de)TSN交換能力的(de)驗證；三是探索針對ETB特定場景的(de)TSN實現技術的(de)定制設計和(hé)實現技術。
     我們拟進行(xíng)的(de)實驗內(nèi)容如(rú)下表所示。 在後續文章(zhāng)中我們會進一(yī)步介紹FAST-TSN-ETB實驗環境的(de)配置，工作流程和(hé)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(de)列車骨幹網數據傳輸技術研究, 《工業控制計算機(jī)》2017 年(nián)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(cǎo)案，Large-Scale Deterministic Network draft-qiang-detnet-large-scale-detnet-02