時(shí)間敏感網絡是近年來(lái)迅速發展的新技術，可以有效解決智能(néng)制造，交通，電力，移動通信和(hé)數字媒體等領域對(duì)确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(xiàn)TSN交換設備和(hé)網絡接口适配器原型。然而不同的領域對(duì)TSN交換的需求差異很(hěn)大(dà)，對(duì)TSN技術的驗證和(hé)實驗必須針對(duì)特定環境進行。我們選擇以太網列車骨幹（ETB）的交換需求作(zuò)爲場景，基于openbox-S4和(hé)樹莓派節點建立FAST-TSN-ETB實驗環境，對(duì)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幹作(zuò)爲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(duì)簡單，而且有統一的規範定義（IEC 61375-2-5），相比其他(tā)領域，網絡的參考資料相對(duì)充足；二是TSN被業界認爲是列車以太網未來(lái)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(yòng)價值。    （1）列車以太網（ETB）簡介
     基于高(gāo)速鐵(tiě)路對(duì)列車網絡系統要求的不斷提高(gāo)，特别是現(xiàn)代列車裝配有越來(lái)越多的智能(néng)子系統以實現(xiàn)更高(gāo)的性能(néng)，安全性，更低(dī)的能(néng)耗和(hé)高(gāo)舒适度的需求。這(zhè)些(xiē)改變給列車制造商，運營商和(hé)系統集成商帶來(lái)了(le)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(lǐ)核心部件，如牽引、制動、照明(míng)、電池、供熱通風(fēng)與空(kōng)氣調節、水(shuǐ)箱、車門(mén)、監控、事(shì)件記錄等設備的數據交換；（2）軸承溫度、速度測量、和(hé)橫向震動等傳感器信息的收集；（3）旅客使用(yòng)的通信網絡。此外(wài)，列車網絡還有對(duì)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(gōng)委員會(huì)頒布了(le)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(yòng)于高(gāo)速列車。将列車網絡骨幹帶寬從(cóng)1.5M左右提升到(dào)100M，以求滿足列車網絡高(gāo)帶寬交換需求。      考慮減小(xiǎo)電纜布線複雜(zá)性、縮短列車網絡初始化（拓撲發現(xiàn)、地址分配等）時(shí)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個網關節點（又稱ETBN節點），這(zhè)些(xiē)節點首尾相連形成環形拓撲，如圖2所示。      根據IEC61375-2-5标準，ETBN使用(yòng)802.3以太網MAC， 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 協議(yì)，由于ETB爲環形拓撲，因此ETBN設備在列車初運行時(shí)不使用(yòng)802.1D生成樹技術，而采用(yòng)列車拓撲發現(xiàn)協議(yì)（TTDP）。    （2）TSN在列車以太網中的應用(yòng)前景
     由于列車運行控制中存在周期性關鍵數據傳輸（如來(lái)自(zì)軸承溫度和(hé)速度測量傳感器數據），帶寬預約流量（CCTV的視(shì)頻流量）以及其他(tā)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(zuò)爲可選項，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(yòng)的主要優點包括兩方面：一是能(néng)夠在一套網絡中傳輸不同的流量，節約設備部署和(hé)管理(lǐ)維護複雜(zá)性。二是能(néng)夠有效隔離列車運行關鍵的關鍵數據和(hé)用(yòng)戶數據，不必擔心用(yòng)戶的數據會(huì)影響到(dào)列車制動裝置的控制。      因此，近年來(lái)一些(xiē)工(gōng)業界專家認爲[3]，标準的基于TSN的以太網應用(yòng)會(huì)簡化鐵(tiě)路軌道(dào)交通網絡的複雜(zá)性以及資本投入（CAPEX）和(hé)運營成本（OPEX），TSN将會(huì)是未來(lái)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(xiàn)支持TSN交換的額ETBN節點功能(néng)，仿真包含4個車廂的列車以太網骨幹。      Openbox-S4是我們基于xilinx Zynq FPGA設計(jì)的可編程闆卡，是目前基于FAST架構進行路由交換開(kāi)發的成熟的平台，支持4個千兆以太網接口，也(yě)是我們TSN交換和(hé)接口适配器原型的實驗平台。      節點E，F和(hé)H仿真3個接入ETB網絡的計(jì)算(suàn)機。内部ARM處理(lǐ)器實現(xiàn)計(jì)算(suàn)功能(néng)，FPGA實現(xiàn)TSN網絡接入控制器功能(néng)，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(hé)I3仿真列車中的傳感器和(hé)執行器功能(néng)，沒有獨立的IP地址，通過網關G接入ETB網絡。    （2）節點的功能(néng)和(hé)實驗的流量
     TSN網絡控制器在節點E上(shàng)實現(xiàn)。節點E上(shàng)運行floodlight控制器，TSN網絡集中管理(lǐ)功能(néng)将作(zuò)爲控制器北向接口應用(yòng)開(kāi)發。      列車管理(lǐ)控制系統在節點F上(shàng)實現(xiàn)。I1-I3與節點F的通信流量爲ETB中的關鍵流量，節點H代表乘客的計(jì)算(suàn)機，向ETB網絡中發送背景流量。 三、基于FAST-TSN-ETB的實驗内容      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(duì)列車以太網拓撲特點和(hé)運行規律的認識；二是對(duì)我們基于FAST架構實現(xiàn)的TSN交換能(néng)力的驗證；三是探索針對(duì)ETB特定場景的TSN實現(xiàn)技術的定制設計(jì)和(hé)實現(xiàn)技術。
     我們拟進行的實驗内容如下(xià)表所示。 在後續文(wén)章中我們會(huì)進一步介紹FAST-TSN-ETB實驗環境的配置，工(gōng)作(zuò)流程和(hé)初步實驗結果等。 參考文(wén)獻
[1] 翟雅萌,劉曉東等. 基于以太網的列車骨幹網數據傳輸技術研究, 《工(gōng)業控制計(jì)算(suàn)機》2017 年第30卷第5 期
[2]白(bái)皮書，智能(néng)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