一、 引言

    本方案的核心優勢是在以太列車網絡中融入TSN的技術，能(néng)有效解決現(xiàn)有以太列車網絡存在的支持數據類型粒度過粗、無法精确保證關鍵性數據延時(shí)和(hé)抖動要求、組網複雜(zá)難以維護等問題，并且基于IEEE标準實現(xiàn)，具有良好(hǎo)的通用(yòng)性，是一種符合列車高(gāo)速化、智能(néng)化發展趨勢的列車網絡融合網絡方案。

二、 技術架構和(hé)功能(néng)

     本方案爲基于TSN的以太列車網絡的實現(xiàn)方案，TSN是爲了(le)解決傳統網絡中無法實現(xiàn)實時(shí)、确定以及可靠的數據傳輸在IEEE802.1标準框架下(xià)提出的一套協議(yì)标準。TSN通過802.1AS的時(shí)間同步協議(yì)實現(xiàn)設備各節點的時(shí)間同步功能(néng)，提供了(le)網絡級的精确參考時(shí)鐘(zhōng)；通過幀複制與消除、幀檢測與報(bào)錯機制保證的數據傳輸可靠性；通過幀搶占以及預約數據流、周期性隊列與轉發等整形機制保證精确的傳輸延時(shí)；通過資源管理(lǐ)方式以及控制實現(xiàn)資源管理(lǐ)。     TSN與ETB、ECN結合主要是通過将TSN的時(shí)間同步、802.1Qch的周期性調度算(suàn)法以及令牌桶的算(suàn)法與當前以太列車ETB、ECN技術相融合，通過集中控制方式在列車初運行完成後對(duì)列車網絡中的各ETBN以及ECN交換節點進行集中管理(lǐ)控制以及統一的資源規劃管理(lǐ)，以實現(xiàn)對(duì)列車通信網絡中各業務流的精确控制以及确定轉發的功能(néng)。     本方案的實現(xiàn)的架構如圖1所示，實現(xiàn)分爲兩部分，一部分爲軟件實現(xiàn)的控制部分，一部分爲硬件控制轉發部分。其中軟件部分主要用(yòng)于實現(xiàn)列車網絡中全局資源管理(lǐ)、離線資源規劃、設備狀态管理(lǐ)以及轉發控制管理(lǐ)等功能(néng)；硬件部分用(yòng)于完成數據的接收與發送控制、數據類型解析、TSN的輸出調度控制等功能(néng)。

三、 解決方案

    本方案主要支持的功能(néng)如下(xià)：

• 1) 支持E2E 1588v2的時(shí)間同步算(suàn)法，同步精度可以達到(dào)100ns。
• 2) 支持802.1Qch的CQF（Cyclic Queuing and Forwarding）循環隊列與轉發算(suàn)法，可對(duì)周期性數據流進行精确的延時(shí)控制。
• 3) 支持基于令牌桶的預留帶寬算(suàn)法，可以實現(xiàn)預留帶寬數據流的帶寬保證。
• 4) 支持本地TSN節點對(duì)本地狀态通過Beacon消息進行周期上(shàng)報(bào)，用(yòng)于獲得節點的狀态信息。
• 5) 支持TSN節點數據流鏡像備份，獲得經過節點的所有數據的備份鏡像。

    在本方案中爲了(le)實現(xiàn)各ETBN以太ECN交換節點間的數據延時(shí)可以基于TSN技術進行精确控制，因此需要實現(xiàn)時(shí)間同步協議(yì)。在本方案中時(shí)間同步協議(yì)基于端到(dào)端（E2E）的 1588v2的時(shí)間同步算(suàn)法實現(xiàn)。本方案中1588時(shí)間同步PTP報(bào)文(wén)基于MAC層實現(xiàn)控制轉發，因此就限制了(le)其同步域的範圍隻能(néng)是在當前子網轉發，無法實現(xiàn)跨子網的轉發控制。爲了(le)解決此問題本方案在實現(xiàn)時(shí)通過在ETBN節點添加報(bào)文(wén)解析邏輯以及轉發控制邏輯來(lái)實現(xiàn)，即在解析時(shí)識别區(qū)分1588的PTP報(bào)文(wén)，在轉發時(shí)通過輸出控制進行轉發控制，在轉發時(shí)并不替換源MAC地址，實現(xiàn)結構如圖2所示。     圖2所示，在以太列車網絡中，ETB的骨幹網絡爲一個獨立的子網，各ECN網絡也(yě)爲一個獨立的子網。通過報(bào)文(wén)解析模塊以及輸出調度模塊的控制，可以使的ETB子網與ECN子網1以及ECN子網2成爲一個虛拟的時(shí)間同步的邏輯子網，并實現(xiàn)不同子網間的時(shí)間同步功能(néng)。     在各ETBN以及ECN交換節點同步的基礎上(shàng)，本方案針對(duì)列車網絡應用(yòng)數據的特點以及分類将列車網絡中的過程數據、監控數據、消息數據、流數據以及盡力轉發數據映射爲TSN的時(shí)間敏感流、資源預留流以及盡力轉發流特征，映射表如表1所示。在實現(xiàn)時(shí)，我們根據其流的特征以及其每條流的轉發周期數、延時(shí)要求、帶寬要求的不同分别對(duì)TSN的特征流進行不同的參數配置，從(cóng)而實現(xiàn)數據流的細粒度控制。     本方案通過根據以上(shàng)數據流的特征以及數據流的特點将其分爲周期性固定延時(shí)轉發流、帶寬保障流以及盡力轉發流。根據其流的特點，本方案通過TSN的循環隊列轉發CQF算(suàn)法實現(xiàn)周期性确定延時(shí)的時(shí)間敏感流輸出調度，通過基于令牌桶的帶寬預留算(suàn)法實現(xiàn)對(duì)保障帶寬流的控制轉發，并在以上(shàng)轉發算(suàn)法的基于通過嚴格優先級的調度策略實現(xiàn)時(shí)間敏感流、預約帶寬流以及盡力轉發流的混流轉發。具體實現(xiàn)結構如圖3所示。     方案中，根據周期性數據特點将其劃分爲多種周期性轉發控制流，其通過CQF的乒乓處理(lǐ)機制，即奇數時(shí)間槽到(dào)達的數據存入奇數報(bào)文(wén)的隊列中，偶數時(shí)間表槽達到(dào)的數據存入偶數報(bào)文(wén)的隊列中。輸出時(shí)奇數時(shí)間槽輸出偶數隊列的内容，偶數時(shí)間槽輸出奇數隊列的内容，通過控制時(shí)間槽的大(dà)小(xiǎo)從(cóng)而實現(xiàn)對(duì)報(bào)文(wén)的輸入輸出的時(shí)間進行精确控制。從(cóng)而實現(xiàn)精确的延時(shí)控制。對(duì)于帶寬預留的數據流，根據列車網絡流的特點通過控制其不同流預約帶寬的不同，控制對(duì)應隊列的令牌桶令牌的下(xià)發粒度從(cóng)而控制其預留帶寬大(dà)小(xiǎo)。     另外(wài)，爲了(le)控制相同類型的時(shí)間敏感流之間的幹擾，在開(kāi)始階段就需要對(duì)列車網絡中各種流的特征分析并對(duì)其轉發的時(shí)間進行規劃，從(cóng)而保證相同類型時(shí)間敏感流流在轉發時(shí)彼此不會(huì)幹擾。