一、 引言
本方案的核心优势是在以太列車(chē)网络中融入TSN的技术，能(néng)有(yǒu)效解决现有(yǒu)以太列車(chē)网络存在的支持数据类型粒度过粗、无法精确保证关键性数据延时和抖动要求、组网复杂难以维护等问题，并且基于IEEE标准实现，具有(yǒu)良好的通用(yòng)性，是一种符合列車(chē)高速化、智能(néng)化发展趋势的列車(chē)网络融合网络方案。
二、 技术架构和功能(néng)
本方案為(wèi)基于TSN的以太列車(chē)网络的实现方案，TSN是為(wèi)了解决传统网络中无法实现实时、确定以及可(kě)靠的数据传输在IEEE802.1标准框架下提出的一套协议标准。TSN通过802.1AS的时间同步协议实现设备各节点的时间同步功能(néng)，提供了网络级的精确参考时钟；通过帧复制与消除、帧检测与报错机制保证的数据传输可(kě)靠性；通过帧抢占以及预约数据流、周期性队列与转发等整形机制保证精确的传输延时；通过资源管理(lǐ)方式以及控制实现资源管理(lǐ)。
TSN与ETB、ECN结合主要是通过将TSN的时间同步、802.1Qch的周期性调度算法以及令牌桶的算法与当前以太列車(chē)ETB、ECN技术相融合，通过集中控制方式在列車(chē)初运行完成后对列車(chē)网络中的各ETBN以及ECN交换节点进行集中管理(lǐ)控制以及统一的资源规划管理(lǐ)，以实现对列車(chē)通信网络中各业務(wù)流的精确控制以及确定转发的功能(néng)。
本方案的实现的架构如图1所示，实现分(fēn)為(wèi)两部分(fēn)，一部分(fēn)為(wèi)软件实现的控制部分(fēn)，一部分(fēn)為(wèi)硬件控制转发部分(fēn)。其中软件部分(fēn)主要用(yòng)于实现列車(chē)网络中全局资源管理(lǐ)、离線(xiàn)资源规划、设备状态管理(lǐ)以及转发控制管理(lǐ)等功能(néng)；硬件部分(fēn)用(yòng)于完成数据的接收与发送控制、数据类型解析、TSN的输出调度控制等功能(néng)。
图1 TSN以太列車(chē)网络实现结构
三、 解决方案
本方案主要支持的功能(néng)如下：
- 1) 支持E2E 1588v2的时间同步算法，同步精度可(kě)以达到100ns。
- 2) 支持802.1Qch的CQF（Cyclic Queuing and Forwarding）循环队列与转发算法，可(kě)对周期性数据流进行精确的延时控制。
- 3) 支持基于令牌桶的预留带宽算法，可(kě)以实现预留带宽数据流的带宽保证。
- 4) 支持本地TSN节点对本地状态通过Beacon消息进行周期上报，用(yòng)于获得节点的状态信息。
- 5) 支持TSN节点数据流镜像备份，获得经过节点的所有(yǒu)数据的备份镜像。
在本方案中為(wèi)了实现各ETBN以太ECN交换节点间的数据延时可(kě)以基于TSN技术进行精确控制，因此需要实现时间同步协议。在本方案中时间同步协议基于端到端（E2E）的 1588v2的时间同步算法实现。本方案中1588时间同步PTP报文(wén)基于MAC层实现控制转发，因此就限制了其同步域的范围只能(néng)是在当前子网转发，无法实现跨子网的转发控制。為(wèi)了解决此问题本方案在实现时通过在ETBN节点添加报文(wén)解析逻辑以及转发控制逻辑来实现，即在解析时识别區(qū)分(fēn)1588的PTP报文(wén)，在转发时通过输出控制进行转发控制，在转发时并不替换源MAC地址，实现结构如图2所示。
图2 时间同步逻辑子网结构
图2所示，在以太列車(chē)网络中，ETB的骨干网络為(wèi)一个独立的子网，各ECN网络也為(wèi)一个独立的子网。通过报文(wén)解析模块以及输出调度模块的控制，可(kě)以使的ETB子网与ECN子网1以及ECN子网2成為(wèi)一个虚拟的时间同步的逻辑子网，并实现不同子网间的时间同步功能(néng)。
在各ETBN以及ECN交换节点同步的基础上，本方案针对列車(chē)网络应用(yòng)数据的特点以及分(fēn)类将列車(chē)网络中的过程数据、监控数据、消息数据、流数据以及尽力转发数据映射為(wèi)TSN的时间敏感流、资源预留流以及尽力转发流特征，映射表如表1所示。在实现时，我们根据其流的特征以及其每条流的转发周期数、延时要求、带宽要求的不同分(fēn)别对TSN的特征流进行不同的参数配置，从而实现数据流的细粒度控制。
表1列車(chē)数据类型与TSN数据类型映射表
| 数据类型 |
用(yòng)途 |
特征 |
优先级 |
TSN特征流映射 |
| 监控数据 |
列車(chē)初运行，ETB完整性 |
HEllO帧发送的快周期為(wèi)15ms，发送慢周期為(wèi)100ms。TOPOLOGY发送周期為(wèi)100ms。
|
高 |
时间敏感流，分(fēn)配其周期转发时间槽 |
| 过程数据 |
列車(chē)控制和监视 |
每秒(miǎo)10到100个报文(wén)循环发送，数据量可(kě)达1500字节，在整个ETB延时不超过20ms
|
高 |
时间敏感流，分(fēn)配其周期转发时间槽 |
| PTP数据 |
时间同步 |
每间隔1ms进行一次同步，报文(wén)長(cháng)度64字节。
|
次高 |
预约带宽流，為(wèi)其分(fēn)配有(yǒu)效带宽 |
| 流数据 |
音频和视频信息 |
要求高传输带宽，低延时，低抖动。
|
次高 |
预约带宽流，為(wèi)其分(fēn)配有(yǒu)效带宽 |
| 消息数据 |
旅客信息和诊断系统 |
消息数据的传输靠事件驱动，每次几千字节内容，延时不超过100ms
|
中 |
预约带宽流，為(wèi)其分(fēn)配有(yǒu)效带宽 |
| 尽力服務(wù)数据 |
配置数据娱乐数据 |
限制带宽不影响其他(tā)数据转发
|
低 |
尽力转发流 |
本方案通过根据以上数据流的特征以及数据流的特点将其分(fēn)為(wèi)周期性固定延时转发流、带宽保障流以及尽力转发流。根据其流的特点，本方案通过TSN的循环队列转发CQF算法实现周期性确定延时的时间敏感流输出调度，通过基于令牌桶的带宽预留算法实现对保障带宽流的控制转发，并在以上转发算法的基于通过严格优先级的调度策略实现时间敏感流、预约带宽流以及尽力转发流的混流转发。具體(tǐ)实现结构如图3所示。
图3 混合数据流转发控制实现结构
方案中，根据周期性数据特点将其划分(fēn)為(wèi)多(duō)种周期性转发控制流，其通过CQF的乒乓处理(lǐ)机制，即奇数时间槽到达的数据存入奇数报文(wén)的队列中，偶数时间表槽达到的数据存入偶数报文(wén)的队列中。输出时奇数时间槽输出偶数队列的内容，偶数时间槽输出奇数队列的内容，通过控制时间槽的大小(xiǎo)从而实现对报文(wén)的输入输出的时间进行精确控制。从而实现精确的延时控制。对于带宽预留的数据流，根据列車(chē)网络流的特点通过控制其不同流预约带宽的不同，控制对应队列的令牌桶令牌的下发粒度从而控制其预留带宽大小(xiǎo)。
另外，為(wèi)了控制相同类型的时间敏感流之间的干扰，在开始阶段就需要对列車(chē)网络中各种流的特征分(fēn)析并对其转发的时间进行规划，从而保证相同类型时间敏感流流在转发时彼此不会干扰。
