面向列车以太网的FAST-TSN实验环境（1）实验环境简介

面向列车以太网的FAST-TSN实验环境（1）实验环境简介

    时间敏感网络是近年来迅速发展的新技术，可以有效解决智能制造，交通，电力，移动通信和数字媒体等领域对确定性数据交换的需求。基于软硬件协同的FAST架构可以方便的实现TSN交换设备和网络接口适配器原型。然而不同的领域对TSN交换的需求差异很大，对TSN技术的验证和实验必须针对特定环境进行。我们选择以太网列车骨干（ETB）的交换需求作为场景，基于openbox-S4和树莓派节点建立FAST-TSN-ETB实验环境，对基于FAST的TSN交换技术进行验证。

一、列车以太网交换的特点

    我们选择列车以太网骨干作为FAST-TSN原型实验环境主要有两方面原因。一是列车网络的环形拓扑相对简单，而且有统一的规范定义（IEC 61375-2-5），相比其他领域，网络的参考资料相对充足；二是TSN被业界认为是列车以太网未来的重要发展趋势之一，基于列车以太网场景构建TSN的实验环境具有一定的应用价值。
（1）列车以太网（ETB）简介
    基于高速铁路对列车网络系统要求的不断提高，特别是现代列车装配有越来越多的智能子系统以实现更高的性能，安全性，更低的能耗和高舒适度的需求。这些改变给列车制造商，运营商和系统集成商带来了诸多挑战。
    目前列车中网络交换的需求主要包括：（1）列车运行管理核心部件，如牵引、制动、照明、电池、供热通风与空气调节、水箱、车门、监控、事件记录等设备的数据交换；（2）轴承温度、速度测量、和横向震动等传感器信息的收集；（3）旅客使用的通信网络。此外，列车网络还有对地通信的需求，如图1所示。
    由于传统基于总线的列车通信系统难以满足要求。2014年，国际电工委员会颁布了IEC61375 2-5（以太列车骨干网，ETB）和IEC61375 3-4（以太列车组成网，ECN），将以太网应用于高速列车。将列车网络骨干带宽从1.5M左右提升到100M，以求满足列车网络高带宽交换需求。

图1 列车网络是列车基础设施重要组成（图片来自参考文献[2]）

    考虑减小电缆布线复杂性、缩短列车网络初始化（拓扑发现、地址分配等）时间以及提供故障冗余等因素，列车以太网骨干在每个车厢部署一个网关节点（又称ETBN节点），这些节点首尾相连形成环形拓扑，如图2所示。

图2 列车以太网骨干的拓扑（图片来自参考文献[2]）

    根据IEC61375-2-5标准，ETBN使用802.3以太网MAC， 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 协议，由于ETB为环形拓扑，因此ETBN设备在列车初运行时不使用802.1D生成树技术，而采用列车拓扑发现协议（TTDP）。
（2）TSN在列车以太网中的应用前景
    由于列车运行控制中存在周期性关键数据传输（如来自轴承温度和速度测量传感器数据），带宽预约流量（CCTV的视频流量）以及其他best effort流量。而在ETB规范中，流量控制、入口速率控制和出口整形等技术仅作为可选项，因此难以满足关键流量的服务质量保证需求。
    TSN在列车中的应用的主要优点包括两方面：一是能够在一套网络中传输不同的流量，节约设备部署和管理维护复杂性。二是能够有效隔离列车运行关键的关键数据和用户数据，不必担心用户的数据会影响到列车制动装置的控制。

图3 TSN将成为列车以太网重要的发展方向

    因此，近年来一些工业界专家认为[3]，标准的基于TSN的以太网应用会简化铁路轨道交通网络的复杂性以及资本投入（CAPEX）和运营成本（OPEX），TSN将会是未来列车网络重要的发展方向。

二、面向列车以太网的实验环境：FAST-TSN-ETB

（1）实验环境组成
     我们搭建的列车以太网实验环境如图4所示，主要由8个openbox-S4板卡以及部分树莓派节点组成。其中A、B、C和D四个节点形成环形拓扑，每个节点实现支持TSN交换的额ETBN节点功能，仿真包含4个车厢的列车以太网骨干。
    Openbox-S4是我们基于xilinx Zynq FPGA设计的可编程板卡，是目前基于FAST架构进行路由交换开发的成熟的平台，支持4个千兆以太网接口，也是我们TSN交换和接口适配器原型的实验平台。
     节点E，F和H仿真3个接入ETB网络的计算机。内部ARM处理器实现计算功能，FPGA实现TSN网络接入控制器功能，每个节点具有独立的IP地址，控制接口具有惟一的MAC地址。
    树莓派I1、I2和I3仿真列车中的传感器和执行器功能，没有独立的IP地址，通过网关G接入ETB网络。

图4 实验环境组成

（2）节点的功能和实验的流量
    TSN网络控制器在节点E上实现。节点E上运行floodlight控制器，TSN网络集中管理功能将作为控制器北向接口应用开发。
    列车管理控制系统在节点F上实现。I1-I3与节点F的通信流量为ETB中的关键流量，节点H代表乘客的计算机，向ETB网络中发送背景流量。

三、基于FAST-TSN-ETB的实验内容

    我们实验的目的主要有三个，一是通过搭建ETB环境，进一步加深对列车以太网拓扑特点和运行规律的认识；二是对我们基于FAST架构实现的TSN交换能力的验证；三是探索针对ETB特定场景的TSN实现技术的定制设计和实现技术。
    我们拟进行的实验内容如下表所示。

验证目标	实验内容
基于SDN的ETB组网机制	（1）列车初运行时的拓扑发现，地址分配等； （2）主动和被动的转发表配置方式； （3）节点和链路故障检测，交换路径的自动切换等。
ETBN间数据同步方式	（1）实现和评估TSN标准的IEEE 1588 PTP协议的时间同步能力 （2）根据环形拓扑特点的PTP协议简化方案 （3）基于点到点链路同步的DTP（Datacenter Time Protocol）在ETB中的适用性
基于TSN的关键流量服务保证能力	（1）TSN网络的集中资源管理技术； （2）基于时间同步CQF转发模型的确定性转发技术的性能； （3）在ETB网络中采用无需时间同步而保证确定性转发的Scalable Deterministic Forwarding (SDF)模型的可行性。

    在后续文章中我们会进一步介绍FAST-TSN-ETB实验环境的配置，工作流程和初步实验结果等。

[1] 翟雅萌,刘晓东等. 基于以太网的列车骨干网数据传输技术研究, 《工业控制计算机》2017 年第30卷第5 期
[2]白皮书，智能列车技术，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