铁路部门现已将串行列车通信网络发展为基于以太网的解决方案。传统以太网缺乏实时流量通信和功能隔离能力，这限制了标准化以太网解决方案的采用。TSN克服了这一限制，并被铁路制造商和运营商认定为铁路通信的下一代数据链路层。本文总结了TSN为什么成为该领域首选的下一代网络协议，什么是TSN以及如何在列车网络中引入TSN。此外，本文还提出了一种支持TSN的边缘计算设备和先进的TSN设置的建议。
为什么在铁路领域使用TSN？
1999年，国际电工委员会IEC发布了一项列车车载通信标准，即IEC 61375或TCN（列车通信网络），允许在由多家制造商提供的不同电子子系统之间交换数据。此外，该标准允许连接不同的列车或车辆。为了实现不同制造商、不同国家列车之间的互操作性，国际铁路联盟（UIC）在UIC-556标准中定义了交换变量和消息的语义。
如今，TCN标准允许安全、可靠和稳健的通信，这是载客运输系统的必要条件。然而，随着交通系统内部信息交换的增加TCN已变得过时且昂贵。例如，在TCN中定义的有线列车总线（Wire Train Bus-WTB）仅支持最大的数据传输速率为1Mbit/s，这限制了主干网的使用范围只能用于控制和状态命令。例如，视频监控需要更高的带宽，乘客舒适功能可能需要更多。由于这些限制，TCN的发展在许多情况下是基于现有的工业以太网解决方案和原始TCN标准混合的解决方案。
2005年，国际电工委员会IEC委托一个新工作组发布基于以太网的新标准，用以推动该领域向可互操作的以太网解决方案迈进。由此，以太网列车骨干网（Ethernet Train Backbone-ETB）被提出作为列车广域通信骨干网。它取代了IEC-61375-2-5标准中列车通信网络中的WTB。IEC-61375-3-4定义了车内通信用的以太网组成网络（ECN），取代了原TCN标准中指定的多功能车辆总线（MVB）。
因此，这些IEC 61375系列标准在标准100Mbit/s以太网的基础上，结合TRDP、IPTCom或CIP等专有高层协议，定义了一种更快的TCN。事实上，目前的列车使用这些专有协议，创建了一个复杂的生态系统。
在这种情况下采用以太网就暴露了一些局限性。标准以太网缺乏用于隔离不同功能的流量和实时流量通信的机制。因此，它通常用于非关键应用程序，并与关键应用的专用网络并行。由于这个原因，通常多个总线共存于同一编组中，导致了生命周期成本（LCC）的增加。
时间敏感网络（TSN）是下一代标准以太网，提供严格的确定性、冗余性、高带宽和互操作性。TSN克服了铁路领域的局限性。因此，它可以提供更简单的网络基础设施，并简化整个子系统的集成。正如将在下一节中介绍的那样，列车制造商提出的新一代列车通信网络是基于TSN的。
TSN在铁路领域的相关性不仅由列车制造商推动。铁路运营商，如德国铁路公司或法国国营铁路公司，已经推出了开放式CCS车载参考架构（OCORA），以促进欧洲铁路行业的合作，帮助欧洲铁路部门为车载指挥控制和信号系统开发一个开放的参考架构。TSN是该架构中为实时流量提出的拟议数据链路层。
什么是TSN？
通过音频视频桥接（AVB）策略，在单一媒体中合并关键流量和最佳流量方面取得了重大成功。事实上，他们的一些技术解决方案是其他部门有价值的替代方案。
由于AVB策略获得了成功，最初的AVB工作组演变为IEEE时间敏感网络（TSN）工作组，负责开发TSN相关的标准。这些标准提出了对IEEE 802.3网络的增强措施，为OT和IT定义了一种独特的基于以太网的解决方案。
TSN的基本基础是时间感知整形器。它旨在将以太网上的通信分离成固定长度、重复的时间周期。这些周期根据节点间达成的TSN配置划分为时隙。不同的时隙可以被配置，并分配给八个以太网优先级中的一个或多个。IEEE 802.1 Qbv定义了时间感知整形器的操作。
考虑到这个功能，定义了三种基本的流量类型：时序流量、最佳流量和保留流量。时序流量类型适用于硬实时消息，最佳流量是对任何其他服务质量指标都不敏感的通用以太网流量。保留流量类型是指在不同的时隙中分配帧，但为每个优先级类型指定了带宽保留。
时间感知整形器允许定义每个周期中可用的时隙数量、持续时间以及可以传输的优先级。由于这种操作模式，时序流量有专门的时隙来确保预期的确定性行为。最佳流量则被安排在每个运行周期操作的剩余时隙中。TSN中优先级和带宽使用优化的一个重要改进是支持IEEE 802.1Qav中定义的基于信用的整形器。该功能允许使用保留流量类型，在时序流量和最佳流量之间的状态下提升设计流量的优先级。使用IEEE 1588定时同步协议，在构成网络的TSN设备之间提供纳秒级的同步精度是面临的技术挑战。由于该技术提供的精度，可以通过实施有效的基于时间触发的以太网解决方案，确保受控的网络延迟和抖动。TSN的特定IEEE 1588配置文件名为IEEE 1588ASrev。
TSN网络的配置平面是标准化组织、工业界和学术界最活跃的研究领域之一。TSN通信基于在发送器和接收器之间设置的数据流。根据每个流的约定参数，有必要配置TSN网络的所有元素，以便根据选定的参数切换帧。如图1所示，此操作由集中式网络执行。
图 1 TSN网络架构
配置（CNC）节点。该CNC应能够以标准化的方式与不同供应商的设备进行通信。该领域的早期是基于IEEE 802.1Qcc标准进行发展。
从本介绍中可以看出，TSN不是一个单一的标准。相反，它是一组以不同速度发展的标准。此外，其中许多仍处于草案版本，并且其发展可能取决于市场对这些特定功能的实际需求。以下列表总结了TSN中涉及到的最相关的标准：802.1ASrev定时和同步（目前，在大多数TSN的实施中使用802.1AS）；802.1Qbv时间感知整形；802.1Qcc流预留协议的增强和性能改进；802.1Qci每个流的过滤和管控；802.1CB冗余；802.1Qbu帧抢占和802.1Qch循环排队和转发。
图 2 NG-TCN中基于TSN的ETB和ECN网络
铁路领域中如何引入TSN技术？
列车制造商和铁路运营商正在推动TSN技术，以克服标准以太网的技术限制，并确保不同层面（车载设备、列车、轨道基础设施、信号系统等）的互操作性。
从OCORA倡议（由铁路运营商推动）中定义的通用关键控制和指挥总线( Universal Vital Control and Command Bus，UVCCB )的集成，以及各列车制造商在Shift2Rail项目中阐述的下一代列车通信网络( Next-Generation Train Communication Network，NG-TCN ) ，都可以看到对这一趋势的全面概述。
图2所示为以太网骨干网( Ethernet Backbone，ETB )中的梯形(右平面B和左平面A)与一致网络( Consist Networks，ECN )中环形配置相结合的冗余网络结构。非关键设备通过单个链路连接到ECN，而关键设备则连接到平面B和平面A。
协调交换机（CS）将监督环内组网，并将ETB流量分离为ETB Line A和ETB Line B，以确保冗余操作。
这种方法中的一个关键TSN功能是IEEE802.1CB。该子标准定义了一个在流级别进行帧复制和消除的过程。在任何网络拓扑下，IEEE802.1 CB都能在网络故障时提供零延迟的恢复时间，如PRP或HSR。
如图3所示，OCORA UVCCB可以集成到NG-TCN网络中，因为两者都基于TSN技术。
图 3 OCORAUVCCB集成在ECN中
不同运营商服务之间的逻辑分离可以使用不同的虚拟局域网（VLAN）来实现，而VLAN可以利用TSN的流量整形能力来进行增强。
在NG-TCN ETB和ECN网络拓扑中，有两种类型的交换机设备，分别是以太网列车骨干节点（ETBN）和协调交换机（CS）。
CS是TSN网桥，能够在环形网络中支持高速TSN网络。目前，1 GbE是目标速度，但也考虑使用10 GbE。CS应支持Qbv和Qci以及其他TSN标准，以可靠地混合环形网络中具有不同关键性的流量，并且需要具有不同端口数量的变量。IEEE802.1CB标准与MSTP结合使用，即使在ECN环中，也能为指定的流量提供无缝冗余。
ETBN设备提供了ECN和ETB之间的物理连接，如图2所示。ETBN的最小配置是3个端口，其中2个用于ETB，1个用于ECN。然而，还有许多变体需要解决。如图4所示，在规范中建议使用5个端口的ETBN。2个端口连接ETB线路，另外2个端口允许直接连接到ECN环，额外有1个端口直接连接到非关键电子设备（ED）。
图 4 具有五个端口的ETBN设备
ETBN的功能定义比TSN的桥接操作更广泛。例如，他们将监督ETB的启动和控制、TND信息服务管理，并支持IP路由，以实现最佳传输。因此，ETBN节点应被视为具有TSN网络功能的完整边缘计算设备，而不是简单的网络设备。
从硬件和软件技术的角度来看，定义和开发一个能够满足所有这些要求的灵活、强大和长期的嵌入式平台是一种挑战。基于强大的可重构平台的解决方案，将多个CPU和FPGA组合在同一半导体中，如Xilinx的Zynq Ultrascale+MPSoC，在整个领域中，特别是铁路领域，越来越受欢迎。FPGA供应商确保其集成电路的长期供应。此外，这些设备的可重构性使其能够进行硬件升级，以适应标准的演进或潜在的网络安全漏洞修复。
新一代的铁路设备结合了几种新的复杂的技术。例如，有专门从事TSN技术或网络安全堆栈的技术公司可以提供经过现场验证的TSN技术或网络安全技术。这些第三方硬件或软件IP可以与供应商特定的服务结合在可重构平台中进行集成。因此，这些项目的上市时间和设计风险可能会显著降低。
图5显示了一个框图，说明了如何在Xilinx Zynq Ultrascale+MPSoC设备上实现一个具有5个端口的ETBN。在FPGA上实现的MTSN交换机IP用于桥接TSN流量。该IP根据IEEE802.1CB切换和塑造支持冗余的TSN，这是NG-TCN关键的TSN功能。
图 5 用于五个端口ETBN的SoC设计
4个ARM-A53 CPU运行一个面向网络的操作系统。除其他服务外，它还提供TSN配置管理、IP路由和网络安全服务。两个ARM-R5 CPU承载安全关键和实时服务，与网络服务隔离运行。
该TSN IP可在综合时进行配置，支持多达32个端口。IP实现中包含的端口数量和TSN特征可由设计者在HDL代码综合时进行选择。这种灵活性确保了生成的设计在FPGA资源利用率方面是最佳的。对于图5所示的设计，IP已配置为支持6个TSN端口。5个外部，提供连接到ETB、ECN（环）和外部ED，1个内部连接到交换机的处理系统部分。
图6使用评估套件进行CreditBasedShaper测试
图 7 TSN 流量整形监测
引入TSN技术的设备制造商需要测试和验证这项新技术的解决方案。在航空航天、工业和铁路领域，有几个正在进行的TSN试验活动。其中一些措施是由一组制造商进行的，重点是进行互操作性测试。然而，制造商和研究中心正在根据每个行业的具体目标开发自己的TSN试验。
一般来说，TSN的首次实践是通过运行一个全面的TSN套件来进行的。为了便于探究网络饱和情况下的同步、流量调度和流量整形效果，该套件中嵌入了完整的视频演示。演示应用程序的快照如图8所示。除了视频提供的功能操作分析外，还可以在PC机上使用流行的抓包应用程序对流量形态进行可视化呈现，如图7所示。
下一步是定义一个更完整的试点，允许TSN评估、测试和验证。图8总结了TSN试点的一个示例。TSN终端节点操作在使用RELY PCIe TSN卡的主机和第三方终端盾牌中进行评估。桥接操作由四端口和二十四端口的TSN桥接器来执行。
在这些设置中，客户可以分析如何运行自己的应用程序，以及整个网络的配置和行为。为了进行更深入的分析，可以使用特定的设备（如图8中显示的两个RELY-TSN-REC设备）对TSN流量进行时间戳和记录。
总结
铁路领域已将从串行列车通信网络发展为基于以太网的解决方案。标准以太网缺乏实时流量通信和功能隔离能力，限制了标准化以太网解决方案的采用。
图 8 TSN Pilot网络配置示例
TSN克服了上述限制，并被铁路制造商和运营商认定为下一代铁路通信数据链路层的有力候选者。
铁路领域的新一代TSN边缘计算设备需要集成和开发各种技术和功能。可重构的平台（SoCs）具备强大的硬件和软件能力，结合专门的第三方IP核（例如SoC-e的MTSN IP），成为降低设计风险和加快上市时间的首选方案。
像TSN这样新技术的演进过程并不是一帆风顺的。它需时间、测试、验证，以及各个参与者之间合作。从这个意义上说，铁路领域已经让TSN真正发挥作用，该领域正在进行的广泛的研发活动表明，未来已来。
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