面向列车以太网的FAST-TSN实验环境（2）ETB网络实现原理与挑战

面向列车以太网的FAST-TSN实验环境（2）ETB网络实现原理与挑战

    ETB将传统列车网络交换带宽从1Mbps左右提升到100MBps，同时基于通用以太网设备和技术可极大的降低网络建设和管理维护成本。本文首先介绍ETB网络的拓扑特点，地址分配和路由机制。然后指出ETB标准只支持线性拓扑，无法满足冗余性更好的环形ETB拓扑（以太网环）的组网需求。我们认为基于SDN的ETB管控可能是解决上述问题的途径。

一、标准ETB网络的拓扑特点

    （1）线性拓扑结构
    ETB标准IEC61375-2-5[1]中给出了支持冗余的ETB骨干拓扑结构，如图1所示，所有的ETBN节点相连组成一个线性的ETB骨干拓扑，除了首尾ETBN节点外，每个中间ETBN交换节点都通过两个全双工以太网链路与其前后两个方向的ETBN节点相连。任何两个ETBN节点间的冗余双链路采用以太网链路聚合机制捆绑使用。

图1列车网络中的ETBN节点和以太网链路[1]

    2）ETBN ID和CN子网ID的分配
    每列火车由多个车辆（consist）组成，每个车辆有出厂时设定的全球唯一的128位车辆标识（CSTUUID），在列车初运行时，TTDP (Train Topology Discovery Protocol，TTDP)协议比较列车首尾车辆的CSTUUID，将具有较小CSTUUID的车辆定义为车头（top node），具有较大CSTUUID标识的车辆定义为车尾（bottomnode），如图2所示。
    然后按照车头到车尾的顺序为每个车辆中的ETBN和车辆网络（ConsistNetwork）子网进行编号。

二、ETB网络的地址分配与路由

    （1）地址分配
    ETB规范规定列车网络使用IPv4保留的地址空间10.128.0.0/9，即地址高9位（31位到23位）为固定的000010101，定义IP地址的低23位为bbxssss.sshhhhhh.hhhhhhhh。其中bb=00标识列车控制系统（ICMS）网络地址空间；bb=01为列车多媒体网络地址空间，bb=10和11为保留地址空间；X为预留位，固定为0；假设以下只考虑列车控制系统网络，因此该网络中所有IP地址高12位固定为0000-1010-1000。
    列车中分为由所有ETBN组成的ETB子网，以及每个车辆内部连接到ETBN的CN子网。其中ETB子网ID为000000，每个CN子网的subnet ID范围是1-63，在初运行时由TTDP协议分配获得。需要注意的是，列车网络中每个子网的前缀长度都是18位。CN前缀与其subnet ID相关，举例如下表所示。

子网 ID	IP地址组成	CN前缀
0	00001010-10000000-00hhhhhhh-hhhhhhhh	10.128.0.0/18
…	…	…
5	00001010-10000001-01hhhhhhh-hhhhhhhh	10.129.64.0/18
6	00001010-10000001-10hhhhhhh-hhhhhhhh	10.129.128.0/18
7	00001010-10000001-11hhhhhhh-hhhhhhhh	10.129.192.0/18
…	…	…

    一个典型的列车网络地址分配和ETBN路由表如图4所示，在初运行时，3个ETBN的ID被分配为5，6，7，三个CN子网的ID也被分配成5，6，7。每个ETBN需要两个IP地址，一个是ETB子网侧的IP地址，一个是连接本地CN子网的接口IP地址。
    由于ETB规范定义ETBN在ETB侧IP地址为10.128.0.x，其中x为ETBN的ID（为简化，此处不考虑冗余IP地址）。因此三个ETBN在ETB子网中的IP地址分别为10.128.0.5/6/7。同理，三个CN子网的前缀分别为10.129.64.0/18，10.129.128.0/18和10.129.192.0/18。ETBN在本地CN侧的地址使用CN的18位网络前缀，设备ID通常设置为1，代表路由器接口。

图4 列车网络地址分配和ETBN路由表示例[1]

    （2）基于ETBN的路由
    图4中还显示了每个ETBN中的路由表片段。以7号ETBN为例，其中包含4个路由表项，分别显示了到达不同子网需要经过的目的ETBN的IP地址。例如，07号ETBN发现分组的目的IP地址前缀等于10.129.64.0/18时，需要将分组发送到ETBN网关10.128.0.5.

三、环形ETB网络拓扑的挑战

    （1）环形ETB拓扑的特点
    由于环形拓扑具有更好的故障冗余能力，因此在保证先后车辆之间有两条全双工以太网链路不变的前提下（即ETB的物理层不需进行任何修改），通过打散两条链路的聚合，将ETB网络组成环状网络。例如王涛等人2015年在铁道学报上提出了一种环状的列车网络架构[2]，如图5所示。这样在IP路由层面，任何两个ETBN之间都存在两条冗余的路由，而标准的线性拓扑只存在一条路由。

图5 一种基于环形以太网的列车网络[2]

    近年来，一些为轨道交通提供核心通信设备的EKE公司，也推出了与图5类似的支持环形以太网的列车ETB网络解决方案[3]。
（2）环形ETB拓扑面临的挑战
    ETB标准并不支持图5所示拓扑，主要表现在两点。
    一是ETB链路层规范要求ETBN之间的多链路必须实现链路聚合功能，且对ETBN节点的三种配置（无源旁路、中间节点、端节点）无法实现单以太网链路旁路车辆的功能（见参考文献[1]中的fugure29-32）；
    二是ETB的TTDP协议不支持环形拓扑（见[1]的8.2.3 Assumptions），无法为环形连接的ETBN和对应的CN子网分配ETBN ID和CN子网ID，因此ETB规范的IP地址生成机制无法实现。
（3）基于SDN的ETB管控
     我们发现，十多年前ETB标准制定时还没有SDN技术。但目前SDN技术已经成熟，并且成功地在移动通信网络、数据中心网络和广域互联网中得到应用。基于SDN的工业互联网基础架构研究也逐渐成为热点。因此，环形ETB网络管理也可考虑借鉴SDN思想，主要理由包括如下几点。
    一是ETB网络规模相对有限，地址分配规整，拓扑变化不大，适合SDN集中控制方式；二是ETB网络需要快速的冗余路径切换，而SDN的集中计算和统一流表下发的速度会优于目前TTDP采用了分布式计算方式；三是SDN集中控制可以与TSN的集中资源管理相结合，提升ETB网络的集约设计水平。
    我们将在后续的文章中对SDN在环形ETB网络拓扑发现、地址分配和路由计算中的应用展开分析，提出并完善基于SDN的ETB环形组网实验方案。

参考文献

[1] Electronic railway equipment – Traincommunication network (TCN) – Part 2-5: Ethernet train backbone
[2] 王涛，王立德，周洁琼等，基于交换式以太网的列车通信网络实时性研究，铁道学报，第３７卷第４期， ２０１５年４月
[3]白皮书，智能列车技术，http://www.eke-electronics.com