時間敏感網絡是近年(nián)來迅速發展的新技(jì)術(shù)，可以有效解決智能(néng)制造，交通(tōng)，電(diàn)力，移動通(tōng)信和數字媒體等領域對确定性數據交換的需求。基于軟硬件(jiàn)協同的FAST架構可以方便的實現TSN交換設備和網絡接口适配器(qì)原型。然而不同的領域對TSN交換的需求差異很大，對TSN技(jì)術(shù)的驗證和實驗必須針對特定環境進行。我們選擇以太網列車骨幹（ETB）的交換需求作為(wèi)場景，基于openbox-S4和樹莓派節點建立FAST-TSN-ETB實驗環境，對基于FAST的TSN交換技(jì)術(shù)進行驗證。 一(yī)、列車以太網交換的特點       我們選擇列車以太網骨幹作為(wèi)FAST-TSN原型實驗環境主要有兩方面原因。一(yī)是列車網絡的環形拓撲相(xiàng)對簡單，而且有統一(yī)的規範定義（IEC 61375-2-5），相(xiàng)比其他領域，網絡的參考資料相(xiàng)對充足；二是TSN被業(yè)界認為(wèi)是列車以太網未來的重要發展趨勢之一(yī)，基于列車以太網場景構建TSN的實驗環境具有一(yī)定的應用價值。    （1）列車以太網（ETB）簡介
     基于高(gāo)速鐵路(lù)對列車網絡系統要求的不斷提高(gāo)，特别是現代列車裝配有越來越多(duō)的智能(néng)子系統以實現更高(gāo)的性能(néng)，安全性，更低(dī)的能(néng)耗和高(gāo)舒适度的需求。這些改變給列車制造商，運營商和系統集成商帶來了諸多(duō)挑戰。      目前列車中網絡交換的需求主要包括：（1）列車運行管理核心部件(jiàn)，如牽引、制動、照(zhào)明、電(diàn)池、供熱通(tōng)風與空氣調節、水(shuǐ)箱、車門(mén)、監控、事(shì)件(jiàn)記錄等設備的數據交換；（2）軸承溫度、速度測量、和橫向震動等傳感器(qì)信息的收集；（3）旅客使用的通(tōng)信網絡。此外，列車網絡還(hái)有對地通(tōng)信的需求，如圖1所示。      由于傳統基于總線的列車通(tōng)信系統難以滿足要求。2014年(nián)，國(guó)際電(diàn)工(gōng)委員(yuán)會(huì)頒布了IEC61375 2-5（以太列車骨幹網，ETB）和IEC61375 3-4（以太列車組成網，ECN），将以太網應用于高(gāo)速列車。将列車網絡骨幹帶寬從(cóng)1.5M左右提升到(dào)100M，以求滿足列車網絡高(gāo)帶寬交換需求。      考慮減小(xiǎo)電(diàn)纜布線複雜(zá)性、縮短列車網絡初始化（拓撲發現、地址分配等）時間以及提供故障冗餘等因素，列車以太網骨幹在每個(gè)車廂部署一(yī)個(gè)網關節點（又(yòu)稱ETBN節點），這些節點首尾相(xiàng)連形成環形拓撲，如圖2所示。      根據IEC61375-2-5标準，ETBN使用802.3以太網MAC， 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 協議，由于ETB為(wèi)環形拓撲，因此ETBN設備在列車初運行時不使用802.1D生(shēng)成樹技(jì)術(shù)，而采用列車拓撲發現協議（TTDP）。    （2）TSN在列車以太網中的應用前景
     由于列車運行控制中存在周期性關鍵數據傳輸（如來自(zì)軸承溫度和速度測量傳感器(qì)數據），帶寬預約流量（CCTV的視頻流量）以及其他best effort流量。而在ETB規範中，流量控制、入口速率控制和出口整形等技(jì)術(shù)僅作為(wèi)可選項，因此難以滿足關鍵流量的服務質量保證需求。      TSN在列車中的應用的主要優點包括兩方面：一(yī)是能(néng)夠在一(yī)套網絡中傳輸不同的流量，節約設備部署和管理維護複雜(zá)性。二是能(néng)夠有效隔離列車運行關鍵的關鍵數據和用戶數據，不必擔心用戶的數據會(huì)影響到(dào)列車制動裝置的控制。      因此，近年(nián)來一(yī)些工(gōng)業(yè)界專家認為(wèi)[3]，标準的基于TSN的以太網應用會(huì)簡化鐵路(lù)軌道交通(tōng)網絡的複雜(zá)性以及資本投入（CAPEX）和運營成本（OPEX），TSN将會(huì)是未來列車網絡重要的發展方向。 二、面向列車以太網的實驗環境：FAST-TSN-ETB    （1）實驗環境組成
     我們搭建的列車以太網實驗環境如圖4所示，主要由8個(gè)openbox-S4闆卡以及部分樹莓派節點組成。其中A、B、C和D四個(gè)節點形成環形拓撲，每個(gè)節點實現支持TSN交換的額ETBN節點功能(néng)，仿真包含4個(gè)車廂的列車以太網骨幹。      Openbox-S4是我們基于xilinx Zynq FPGA設計的可編程闆卡，是目前基于FAST架構進行路(lù)由交換開(kāi)發的成熟的平台，支持4個(gè)千兆以太網接口，也是我們TSN交換和接口适配器(qì)原型的實驗平台。      節點E，F和H仿真3個(gè)接入ETB網絡的計算(suàn)機(jī)。内部ARM處理器(qì)實現計算(suàn)功能(néng)，FPGA實現TSN網絡接入控制器(qì)功能(néng)，每個(gè)節點具有獨立的IP地址，控制接口具有惟一(yī)的MAC地址。      樹莓派I1、I2和I3仿真列車中的傳感器(qì)和執行器(qì)功能(néng)，沒有獨立的IP地址，通(tōng)過網關G接入ETB網絡。    （2）節點的功能(néng)和實驗的流量
     TSN網絡控制器(qì)在節點E上(shàng)實現。節點E上(shàng)運行floodlight控制器(qì)，TSN網絡集中管理功能(néng)将作為(wèi)控制器(qì)北(běi)向接口應用開(kāi)發。      列車管理控制系統在節點F上(shàng)實現。I1-I3與節點F的通(tōng)信流量為(wèi)ETB中的關鍵流量，節點H代表乘客的計算(suàn)機(jī)，向ETB網絡中發送背景流量。 三、基于FAST-TSN-ETB的實驗内容      我們實驗的目的主要有三個(gè)，一(yī)是通(tōng)過搭建ETB環境，進一(yī)步加深對列車以太網拓撲特點和運行規律的認識；二是對我們基于FAST架構實現的TSN交換能(néng)力的驗證；三是探索針對ETB特定場景的TSN實現技(jì)術(shù)的定制設計和實現技(jì)術(shù)。
     我們拟進行的實驗内容如下(xià)表所示。 在後續文章中我們會(huì)進一(yī)步介紹FAST-TSN-ETB實驗環境的配置，工(gōng)作流程和初步實驗結果等。 參考文獻
[1] 翟雅萌,劉曉東等. 基于以太網的列車骨幹網數據傳輸技(jì)術(shù)研究, 《工(gōng)業(yè)控制計算(suàn)機(jī)》2017 年(nián)第30卷第5 期
[2]白(bái)皮書，智能(néng)列車技(jì)術(shù)，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(cǎo)案，Large-Scale Deterministic Network draft-qiang-detnet-large-scale-detnet-02