一(yī)、 引言
本方案的核心優勢是在以太列車(chē)網絡中(zhōng)融入TSN的技術，能有效解決現有以太列車(chē)網絡存在的支持數據類型粒度過粗、無法精确保證關鍵性數據延時和抖動要求、組網複雜(zá)難以維護等問題，并且基于IEEE标準實現，具有良好的通用性，是一(yī)種符合列車(chē)高速化、智能化發展趨勢的列車(chē)網絡融合網絡方案。
二、 技術架構和功能
本方案爲基于TSN的以太列車(chē)網絡的實現方案，TSN是爲了解決傳統網絡中(zhōng)無法實現實時、确定以及可靠的數據傳輸在IEEE802.1标準框架下(xià)提出的一(yī)套協議标準。TSN通過802.1AS的時間同步協議實現設備各節點的時間同步功能，提供了網絡級的精确參考時鍾；通過幀複制與消除、幀檢測與報錯機制保證的數據傳輸可靠性；通過幀搶占以及預約數據流、周期性隊列與轉發等整形機制保證精确的傳輸延時；通過資(zī)源管理方式以及控制實現資(zī)源管理。
TSN與ETB、ECN結合主要是通過将TSN的時間同步、802.1Qch的周期性調度算法以及令牌桶的算法與當前以太列車(chē)ETB、ECN技術相融合，通過集中(zhōng)控制方式在列車(chē)初運行完成後對列車(chē)網絡中(zhōng)的各ETBN以及ECN交換節點進行集中(zhōng)管理控制以及統一(yī)的資(zī)源規劃管理，以實現對列車(chē)通信網絡中(zhōng)各業務流的精确控制以及确定轉發的功能。
本方案的實現的架構如圖1所示，實現分(fēn)爲兩部分(fēn)，一(yī)部分(fēn)爲軟件實現的控制部分(fēn)，一(yī)部分(fēn)爲硬件控制轉發部分(fēn)。其中(zhōng)軟件部分(fēn)主要用于實現列車(chē)網絡中(zhōng)全局資(zī)源管理、離(lí)線資(zī)源規劃、設備狀态管理以及轉發控制管理等功能；硬件部分(fēn)用于完成數據的接收與發送控制、數據類型解析、TSN的輸出調度控制等功能。
圖1 TSN以太列車(chē)網絡實現結構
三、 解決方案
本方案主要支持的功能如下(xià)：
- 1) 支持E2E 1588v2的時間同步算法，同步精度可以達到100ns。
- 2) 支持802.1Qch的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延時控制。
- 3) 支持基于令牌桶的預留帶寬算法，可以實現預留帶寬數據流的帶寬保證。
- 4) 支持本地TSN節點對本地狀态通過Beacon消息進行周期上報，用于獲得節點的狀态信息。
- 5) 支持TSN節點數據流鏡像備份，獲得經過節點的所有數據的備份鏡像。
在本方案中(zhōng)爲了實現各ETBN以太ECN交換節點間的數據延時可以基于TSN技術進行精确控制，因此需要實現時間同步協議。在本方案中(zhōng)時間同步協議基于端到端（E2E）的 1588v2的時間同步算法實現。本方案中(zhōng)1588時間同步PTP報文基于MAC層實現控制轉發，因此就限制了其同步域的範圍隻能是在當前子網轉發，無法實現跨子網的轉發控制。爲了解決此問題本方案在實現時通過在ETBN節點添加報文解析邏輯以及轉發控制邏輯來實現，即在解析時識别區分(fēn)1588的PTP報文，在轉發時通過輸出控制進行轉發控制，在轉發時并不替換源MAC地址，實現結構如圖2所示。
圖2 時間同步邏輯子網結構
圖2所示，在以太列車(chē)網絡中(zhōng)，ETB的骨幹網絡爲一(yī)個獨立的子網，各ECN網絡也爲一(yī)個獨立的子網。通過報文解析模塊以及輸出調度模塊的控制，可以使的ETB子網與ECN子網1以及ECN子網2成爲一(yī)個虛拟的時間同步的邏輯子網，并實現不同子網間的時間同步功能。
在各ETBN以及ECN交換節點同步的基礎上，本方案針對列車(chē)網絡應用數據的特點以及分(fēn)類将列車(chē)網絡中(zhōng)的過程數據、監控數據、消息數據、流數據以及盡力轉發數據映射爲TSN的時間敏感流、資(zī)源預留流以及盡力轉發流特征，映射表如表1所示。在實現時，我(wǒ)(wǒ)們根據其流的特征以及其每條流的轉發周期數、延時要求、帶寬要求的不同分(fēn)别對TSN的特征流進行不同的參數配置，從而實現數據流的細粒度控制。
表1列車(chē)數據類型與TSN數據類型映射表
| 數據類型 |
用途 |
特征 |
優先級 |
TSN特征流映射 |
| 監控數據 |
列車(chē)初運行，ETB完整性 |
HEllO幀發送的快周期爲15ms，發送慢(màn)周期爲100ms。TOPOLOGY發送周期爲100ms。
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高 |
時間敏感流，分(fēn)配其周期轉發時間槽 |
| 過程數據 |
列車(chē)控制和監視 |
每秒10到100個報文循環發送，數據量可達1500字節，在整個ETB延時不超過20ms
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高 |
時間敏感流，分(fēn)配其周期轉發時間槽 |
| PTP數據 |
時間同步 |
每間隔1ms進行一(yī)次同步，報文長度64字節。
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次高 |
預約帶寬流，爲其分(fēn)配有效帶寬 |
| 流數據 |
音頻(pín)和視頻(pín)信息 |
要求高傳輸帶寬，低延時，低抖動。
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次高 |
預約帶寬流，爲其分(fēn)配有效帶寬 |
| 消息數據 |
旅客信息和診斷系統 |
消息數據的傳輸靠事件驅動，每次幾千字節内容，延時不超過100ms
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中(zhōng) |
預約帶寬流，爲其分(fēn)配有效帶寬 |
| 盡力服務數據 |
配置數據娛樂數據 |
限制帶寬不影響其他數據轉發
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低 |
盡力轉發流 |
本方案通過根據以上數據流的特征以及數據流的特點将其分(fēn)爲周期性固定延時轉發流、帶寬保障流以及盡力轉發流。根據其流的特點，本方案通過TSN的循環隊列轉發CQF算法實現周期性确定延時的時間敏感流輸出調度，通過基于令牌桶的帶寬預留算法實現對保障帶寬流的控制轉發，并在以上轉發算法的基于通過嚴格優先級的調度策略實現時間敏感流、預約帶寬流以及盡力轉發流的混流轉發。具體(tǐ)實現結構如圖3所示。
圖3 混合數據流轉發控制實現結構
方案中(zhōng)，根據周期性數據特點将其劃分(fēn)爲多種周期性轉發控制流，其通過CQF的乒乓處理機制，即奇數時間槽到達的數據存入奇數報文的隊列中(zhōng)，偶數時間表槽達到的數據存入偶數報文的隊列中(zhōng)。輸出時奇數時間槽輸出偶數隊列的内容，偶數時間槽輸出奇數隊列的内容，通過控制時間槽的大(dà)小(xiǎo)從而實現對報文的輸入輸出的時間進行精确控制。從而實現精确的延時控制。對于帶寬預留的數據流，根據列車(chē)網絡流的特點通過控制其不同流預約帶寬的不同，控制對應隊列的令牌桶令牌的下(xià)發粒度從而控制其預留帶寬大(dà)小(xiǎo)。
另外(wài)，爲了控制相同類型的時間敏感流之間的幹擾，在開(kāi)始階段就需要對列車(chē)網絡中(zhōng)各種流的特征分(fēn)析并對其轉發的時間進行規劃，從而保證相同類型時間敏感流流在轉發時彼此不會幹擾。
