時(shí)間敏感網絡是(shì)近年來(lái)迅速發展的(de)新技術，可以(yǐ)有效解決智能制造，交通，電力，移動通信和(hé / huò)數字媒體等領域對确定性數據交換的(de)需求。基于(yú)軟硬件協同的(de)FAST架構可以(yǐ)方便的(de)實現TSN交換設備和(hé / huò)網絡接口适配器原型。然而(ér)不(bù)同的(de)領域對TSN交換的(de)需求差異很大(dà)，對TSN技術的(de)驗證和(hé / huò)實驗必須針對特定環境進行。我們選擇以(yǐ)太網列車骨幹（ETB）的(de)交換需求作爲(wéi / wèi)場景，基于(yú)openbox-S4和(hé / huò)樹莓派節點建立FAST-TSN-ETB實驗環境，對基于(yú)FAST的(de)TSN交換技術進行驗證。 一、列車以(yǐ)太網交換的(de)特點       我們選擇列車以(yǐ)太網骨幹作爲(wéi / wèi)FAST-TSN原型實驗環境主要(yào / yāo)有兩方面原因。一是(shì)列車網絡的(de)環形拓撲相對簡單，而(ér)且有統一的(de)規範定義（IEC 61375-2-5），相比其他(tā)領域，網絡的(de)參考資料相對充足；二是(shì)TSN被業界認爲(wéi / wèi)是(shì)列車以(yǐ)太網未來(lái)的(de)重要(yào / yāo)發展趨勢之(zhī)一，基于(yú)列車以(yǐ)太網場景構建TSN的(de)實驗環境具有一定的(de)應用價值。    （1）列車以(yǐ)太網（ETB）簡介
     基于(yú)高速鐵路對列車網絡系統要(yào / yāo)求的(de)不(bù)斷提高，特别是(shì)現代列車裝配有越來(lái)越多的(de)智能子(zǐ)系統以(yǐ)實現更高的(de)性能，安全性，更低的(de)能耗和(hé / huò)高舒适度的(de)需求。這(zhè)些改變給列車制造商，運營商和(hé / huò)系統集成商帶來(lái)了(le／liǎo)諸多挑戰。      目前列車中網絡交換的(de)需求主要(yào / yāo)包括：（1）列車運行管理核心部件，如牽引、制動、照明、電池、供熱通風與空氣調節、水箱、車門、監控、事件記錄等設備的(de)數據交換；（2）軸承溫度、速度測量、和(hé / huò)橫向震動等傳感器信息的(de)收集；（3）旅客使用的(de)通信網絡。此外，列車網絡還有對地(dì / de)通信的(de)需求，如圖1所示。      由于(yú)傳統基于(yú)總線的(de)列車通信系統難以(yǐ)滿足要(yào / yāo)求。2014年，國(guó)際電工委員會頒布了(le／liǎo)IEC61375 2-5（以(yǐ)太列車骨幹網，ETB）和(hé / huò)IEC61375 3-4（以(yǐ)太列車組成網，ECN），将以(yǐ)太網應用于(yú)高速列車。将列車網絡骨幹帶寬從1.5M左右提升到(dào)100M，以(yǐ)求滿足列車網絡高帶寬交換需求。      考慮減小電纜布線複雜性、縮短列車網絡初始化（拓撲發現、地(dì / de)址分配等）時(shí)間以(yǐ)及提供故障冗餘等因素，列車以(yǐ)太網骨幹在(zài)每個(gè)車廂部署一個(gè)網關節點（又稱ETBN節點），這(zhè)些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802.3以(yǐ)太網MAC， 802.1Q VLAN以(yǐ)及802.1AB LLDP 協議，由于(yú)ETB爲(wéi / wèi)環形拓撲，因此ETBN設備在(zài)列車初運行時(shí)不(bù)使用802.1D生成樹技術，而(ér)采用列車拓撲發現協議（TTDP）。    （2）TSN在(zài)列車以(yǐ)太網中的(de)應用前景
     由于(yú)列車運行控制中存在(zài)周期性關鍵數據傳輸（如來(lái)自軸承溫度和(hé / huò)速度測量傳感器數據），帶寬預約流量（CCTV的(de)視頻流量）以(yǐ)及其他(tā)best effort流量。而(ér)在(zài)ETB規範中，流量控制、入口速率控制和(hé / huò)出(chū)口整形等技術僅作爲(wéi / wèi)可選項，因此難以(yǐ)滿足關鍵流量的(de)服務質量保證需求。      TSN在(zài)列車中的(de)應用的(de)主要(yào / yāo)優點包括兩方面：一是(shì)能夠在(zài)一套網絡中傳輸不(bù)同的(de)流量，節約設備部署和(hé / huò)管理維護複雜性。二是(shì)能夠有效隔離列車運行關鍵的(de)關鍵數據和(hé / huò)用戶數據，不(bù)必擔心用戶的(de)數據會影響到(dào)列車制動裝置的(de)控制。      因此，近年來(lái)一些工業界專家認爲(wéi / wèi)[3]，标準的(de)基于(yú)TSN的(de)以(yǐ)太網應用會簡化鐵路軌道(dào)交通網絡的(de)複雜性以(yǐ)及資本投入（CAPEX）和(hé / huò)運營成本（OPEX），TSN将會是(shì)未來(lái)列車網絡重要(yào / yāo)的(de)發展方向。 二、面向列車以(yǐ)太網的(de)實驗環境：FAST-TSN-ETB    （1）實驗環境組成
     我們搭建的(de)列車以(yǐ)太網實驗環境如圖4所示，主要(yào / yāo)由8個(gè)openbox-S4闆卡以(yǐ)及部分樹莓派節點組成。其中A、B、C和(hé / huò)D四個(gè)節點形成環形拓撲，每個(gè)節點實現支持TSN交換的(de)額ETBN節點功能，仿真包含4個(gè)車廂的(de)列車以(yǐ)太網骨幹。      Openbox-S4是(shì)我們基于(yú)xilinx Zynq FPGA設計的(de)可編程闆卡，是(shì)目前基于(yú)FAST架構進行路由交換開發的(de)成熟的(de)平台，支持4個(gè)千兆以(yǐ)太網接口，也(yě)是(shì)我們TSN交換和(hé / huò)接口适配器原型的(de)實驗平台。      節點E，F和(hé / huò)H仿真3個(gè)接入ETB網絡的(de)計算機。内部ARM處理器實現計算功能，FPGA實現TSN網絡接入控制器功能，每個(gè)節點具有獨立的(de)IP地(dì / de)址，控制接口具有惟一的(de)MAC地(dì / de)址。      樹莓派I1、I2和(hé / huò)I3仿真列車中的(de)傳感器和(hé / huò)執行器功能，沒有獨立的(de)IP地(dì / de)址，通過網關G接入ETB網絡。    （2）節點的(de)功能和(hé / huò)實驗的(de)流量
     TSN網絡控制器在(zài)節點E上(shàng)實現。節點E上(shàng)運行floodlight控制器，TSN網絡集中管理功能将作爲(wéi / wèi)控制器北向接口應用開發。      列車管理控制系統在(zài)節點F上(shàng)實現。I1-I3與節點F的(de)通信流量爲(wéi / wèi)ETB中的(de)關鍵流量，節點H代表乘客的(de)計算機，向ETB網絡中發送背景流量。 三、基于(yú)FAST-TSN-ETB的(de)實驗内容      我們實驗的(de)目的(de)主要(yào / yāo)有三個(gè)，一是(shì)通過搭建ETB環境，進一步加深對列車以(yǐ)太網拓撲特點和(hé / huò)運行規律的(de)認識；二是(shì)對我們基于(yú)FAST架構實現的(de)TSN交換能力的(de)驗證；三是(shì)探索針對ETB特定場景的(de)TSN實現技術的(de)定制設計和(hé / huò)實現技術。
     我們拟進行的(de)實驗内容如下表所示。 在(zài)後續文章中我們會進一步介紹FAST-TSN-ETB實驗環境的(de)配置，工作流程和(hé / huò)初步實驗結果等。 參考文獻
[1] 翟雅萌,劉曉東等. 基于(yú)以(yǐ)太網的(de)列車骨幹網數據傳輸技術研究, 《工業控制計算機》2017 年第30卷第5 期
[2]白皮書，智能列車技術，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