一、 引言

    本方案的(de)核心優勢是(shì)在(zài)以(yǐ)太列車網絡中融入TSN的(de)技術，能有效解決現有以(yǐ)太列車網絡存在(zài)的(de)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 / huò)抖動要(yào / yāo)求、組網複雜難以(yǐ)維護等問題，并且基于(yú)IEEE标準實現，具有良好的(de)通用性，是(shì)一種符合列車高速化、智能化發展趨勢的(de)列車網絡融合網絡方案。

二、 技術架構和(hé / huò)功能

     本方案爲(wéi / wèi)基于(yú)TSN的(de)以(yǐ)太列車網絡的(de)實現方案，TSN是(shì)爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)解決傳統網絡中無法實現實時(shí)、确定以(yǐ)及可靠的(de)數據傳輸在(zài)IEEE802.1标準框架下提出(chū)的(de)一套協議标準。TSN通過802.1AS的(de)時(shí)間同步協議實現設備各節點的(de)時(shí)間同步功能，提供了(le／liǎo)網絡級的(de)精确參考時(shí)鍾；通過幀複制與消除、幀檢測與報錯機制保證的(de)數據傳輸可靠性；通過幀搶占以(yǐ)及預約數據流、周期性隊列與轉發等整形機制保證精确的(de)傳輸延時(shí)；通過資源管理方式以(yǐ)及控制實現資源管理。     TSN與ETB、ECN結合主要(yào / yāo)是(shì)通過将TSN的(de)時(shí)間同步、802.1Qch的(de)周期性調度算法以(yǐ)及令牌桶的(de)算法與當前以(yǐ)太列車ETB、ECN技術相融合，通過集中控制方式在(zài)列車初運行完成後對列車網絡中的(de)各ETBN以(yǐ)及ECN交換節點進行集中管理控制以(yǐ)及統一的(de)資源規劃管理，以(yǐ)實現對列車通信網絡中各業務流的(de)精确控制以(yǐ)及确定轉發的(de)功能。     本方案的(de)實現的(de)架構如圖1所示，實現分爲(wéi / wèi)兩部分，一部分爲(wéi / wèi)軟件實現的(de)控制部分，一部分爲(wéi / wèi)硬件控制轉發部分。其中軟件部分主要(yào / yāo)用于(yú)實現列車網絡中全局資源管理、離線資源規劃、設備狀态管理以(yǐ)及轉發控制管理等功能；硬件部分用于(yú)完成數據的(de)接收與發送控制、數據類型解析、TSN的(de)輸出(chū)調度控制等功能。

三、 解決方案

    本方案主要(yào / yāo)支持的(de)功能如下：

• 1) 支持E2E 1588v2的(de)時(shí)間同步算法，同步精度可以(yǐ)達到(dào)100ns。
• 2) 支持802.1Qch的(de)CQF（Cyclic Queuing and Forwarding）循環隊列與轉發算法，可對周期性數據流進行精确的(de)延時(shí)控制。
• 3) 支持基于(yú)令牌桶的(de)預留帶寬算法，可以(yǐ)實現預留帶寬數據流的(de)帶寬保證。
• 4) 支持本地(dì / de)TSN節點對本地(dì / de)狀态通過Beacon消息進行周期上(shàng)報，用于(yú)獲得節點的(de)狀态信息。
• 5) 支持TSN節點數據流鏡像備份，獲得經過節點的(de)所有數據的(de)備份鏡像。

    在(zài)本方案中爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)實現各ETBN以(yǐ)太ECN交換節點間的(de)數據延時(shí)可以(yǐ)基于(yú)TSN技術進行精确控制，因此需要(yào / yāo)實現時(shí)間同步協議。在(zài)本方案中時(shí)間同步協議基于(yú)端到(dào)端（E2E）的(de) 1588v2的(de)時(shí)間同步算法實現。本方案中1588時(shí)間同步PTP報文基于(yú)MAC層實現控制轉發，因此就(jiù)限制了(le／liǎo)其同步域的(de)範圍隻能是(shì)在(zài)當前子(zǐ)網轉發，無法實現跨子(zǐ)網的(de)轉發控制。爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)解決此問題本方案在(zài)實現時(shí)通過在(zài)ETBN節點添加報文解析邏輯以(yǐ)及轉發控制邏輯來(lái)實現，即在(zài)解析時(shí)識别區分1588的(de)PTP報文，在(zài)轉發時(shí)通過輸出(chū)控制進行轉發控制，在(zài)轉發時(shí)并不(bù)替換源MAC地(dì / de)址，實現結構如圖2所示。     圖2所示，在(zài)以(yǐ)太列車網絡中，ETB的(de)骨幹網絡爲(wéi / wèi)一個(gè)獨立的(de)子(zǐ)網，各ECN網絡也(yě)爲(wéi / wèi)一個(gè)獨立的(de)子(zǐ)網。通過報文解析模塊以(yǐ)及輸出(chū)調度模塊的(de)控制，可以(yǐ)使的(de)ETB子(zǐ)網與ECN子(zǐ)網1以(yǐ)及ECN子(zǐ)網2成爲(wéi / wèi)一個(gè)虛拟的(de)時(shí)間同步的(de)邏輯子(zǐ)網，并實現不(bù)同子(zǐ)網間的(de)時(shí)間同步功能。     在(zài)各ETBN以(yǐ)及ECN交換節點同步的(de)基礎上(shàng)，本方案針對列車網絡應用數據的(de)特點以(yǐ)及分類将列車網絡中的(de)過程數據、監控數據、消息數據、流數據以(yǐ)及盡力轉發數據映射爲(wéi / wèi)TSN的(de)時(shí)間敏感流、資源預留流以(yǐ)及盡力轉發流特征，映射表如表1所示。在(zài)實現時(shí)，我們根據其流的(de)特征以(yǐ)及其每條流的(de)轉發周期數、延時(shí)要(yào / yāo)求、帶寬要(yào / yāo)求的(de)不(bù)同分别對TSN的(de)特征流進行不(bù)同的(de)參數配置，從而(ér)實現數據流的(de)細粒度控制。     本方案通過根據以(yǐ)上(shàng)數據流的(de)特征以(yǐ)及數據流的(de)特點将其分爲(wéi / wèi)周期性固定延時(shí)轉發流、帶寬保障流以(yǐ)及盡力轉發流。根據其流的(de)特點，本方案通過TSN的(de)循環隊列轉發CQF算法實現周期性确定延時(shí)的(de)時(shí)間敏感流輸出(chū)調度，通過基于(yú)令牌桶的(de)帶寬預留算法實現對保障帶寬流的(de)控制轉發，并在(zài)以(yǐ)上(shàng)轉發算法的(de)基于(yú)通過嚴格優先級的(de)調度策略實現時(shí)間敏感流、預約帶寬流以(yǐ)及盡力轉發流的(de)混流轉發。具體實現結構如圖3所示。     方案中，根據周期性數據特點将其劃分爲(wéi / wèi)多種周期性轉發控制流，其通過CQF的(de)乒乓處理機制，即奇數時(shí)間槽到(dào)達的(de)數據存入奇數報文的(de)隊列中，偶數時(shí)間表槽達到(dào)的(de)數據存入偶數報文的(de)隊列中。輸出(chū)時(shí)奇數時(shí)間槽輸出(chū)偶數隊列的(de)内容，偶數時(shí)間槽輸出(chū)奇數隊列的(de)内容，通過控制時(shí)間槽的(de)大(dà)小從而(ér)實現對報文的(de)輸入輸出(chū)的(de)時(shí)間進行精确控制。從而(ér)實現精确的(de)延時(shí)控制。對于(yú)帶寬預留的(de)數據流，根據列車網絡流的(de)特點通過控制其不(bù)同流預約帶寬的(de)不(bù)同，控制對應隊列的(de)令牌桶令牌的(de)下發粒度從而(ér)控制其預留帶寬大(dà)小。     另外，爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)控制相同類型的(de)時(shí)間敏感流之(zhī)間的(de)幹擾，在(zài)開始階段就(jiù)需要(yào / yāo)對列車網絡中各種流的(de)特征分析并對其轉發的(de)時(shí)間進行規劃，從而(ér)保證相同類型時(shí)間敏感流流在(zài)轉發時(shí)彼此不(bù)會幹擾。