ETB将传统列車(chē)网络交换带宽从1Mbps左右提升到100MBps，同时基于通用(yòng)以太网设备和技术可(kě)极大的降低网络建设和管理(lǐ)维护成本。本文(wén)首先介绍ETB网络的拓扑特点，地址分(fēn)配和路由机制。然后指出ETB标准只支持線(xiàn)性拓扑，无法满足冗余性更好的环形ETB拓扑（以太网环）的组网需求。我们认為(wèi)基于SDN的ETB管控可(kě)能(néng)是解决上述问题的途径。 一、标准ETB网络的拓扑特点    （1）線(xiàn)性拓扑结构
      ETB标准IEC61375-2-5[1]中给出了支持冗余的ETB骨干拓扑结构，如图1所示，所有(yǒu)的ETBN节点相连组成一个線(xiàn)性的ETB骨干拓扑，除了首尾ETBN节点外，每个中间ETBN交换节点都通过两个全双工以太网链路与其前后两个方向的ETBN节点相连。任何两个ETBN节点间的冗余双链路采用(yòng)以太网链路聚合机制捆绑使用(yòng)。    （2）ETBN ID和CN子网ID的分(fēn)配
     每列火車(chē)由多(duō)个車(chē)辆（consist）组成，每个車(chē)辆有(yǒu)出厂时设定的全球唯一的128位車(chē)辆标识（CSTUUID），在列車(chē)初运行时，TTDP (Train Topology Discovery Protocol，TTDP)协议比较列車(chē)首尾車(chē)辆的CSTUUID，将具有(yǒu)较小(xiǎo)CSTUUID的車(chē)辆定义為(wèi)車(chē)头（top node），具有(yǒu)较大CSTUUID标识的車(chē)辆定义為(wèi)車(chē)尾（bottomnode），如图2所示。      然后按照車(chē)头到車(chē)尾的顺序為(wèi)每个車(chē)辆中的ETBN和車(chē)辆网络（ConsistNetwork）子网进行编号。      根据CSTUUID确定列車(chē)头尾和参考方向后，TTDP协议会从車(chē)头开始，沿着車(chē)头到車(chē)尾的顺序（DIR2），根据每个車(chē)辆内部静态配置的子网信息（如CN1，CN2，CN3）和ETBN信息，按照ID从小(xiǎo)到大的顺序，依次為(wèi)每个子网分(fēn)配一个6 比特的子网ID，為(wèi)每个ETBN分(fēn)配一个ETBN的ID，如图3所示。 二、ETB网络的地址分(fēn)配与路由    （1）地址分(fēn)配
     ETB规范规定列車(chē)网络使用(yòng)IPv4保留的地址空间10.128.0.0/9，即地址高9位（31位到23位）為(wèi)固定的000010101，定义IP地址的低23位為(wèi)bbxssss.sshhhhhh.hhhhhhhh。其中bb=00标识列車(chē)控制系统（ICMS）网络地址空间；bb=01為(wèi)列車(chē)多(duō)媒體(tǐ)网络地址空间，bb=10和11為(wèi)保留地址空间；X為(wèi)预留位，固定為(wèi)0；假设以下只考虑列車(chē)控制系统网络，因此该网络中所有(yǒu)IP地址高12位固定為(wèi)0000-1010-1000。      列車(chē)中分(fēn)為(wèi)由所有(yǒu)ETBN组成的ETB子网，以及每个車(chē)辆内部连接到ETBN的CN子网。其中ETB子网ID為(wèi)000000，每个CN子网的subnet ID范围是1-63，在初运行时由TTDP协议分(fēn)配获得。需要注意的是，列車(chē)网络中每个子网的前缀長(cháng)度都是18位。CN前缀与其subnet ID相关，举例如下表所示。      一个典型的列車(chē)网络地址分(fēn)配和ETBN路由表如图4所示，在初运行时，3个ETBN的ID被分(fēn)配為(wèi)5，6，7，三个CN子网的ID也被分(fēn)配成5，6，7。每个ETBN需要两个IP地址，一个是ETB子网侧的IP地址，一个是连接本地CN子网的接口IP地址。      由于ETB规范定义ETBN在ETB侧IP地址為(wèi)10.128.0.x，其中x為(wèi)ETBN的ID（為(wèi)简化，此处不考虑冗余IP地址）。因此三个ETBN在ETB子网中的IP地址分(fēn)别為(wèi)10.128.0.5/6/7。同理(lǐ)，三个CN子网的前缀分(fēn)别為(wèi)10.129.64.0/18，10.129.128.0/18和10.129.192.0/18。ETBN在本地CN侧的地址使用(yòng)CN的18位网络前缀，设备ID通常设置為(wèi)1，代表路由器接口。    （2）基于ETBN的路由
     图4中还显示了每个ETBN中的路由表片段。以7号ETBN為(wèi)例，其中包含4个路由表项，分(fēn)别显示了到达不同子网需要经过的目的ETBN的IP地址。例如，07号ETBN发现分(fēn)组的目的IP地址前缀等于10.129.64.0/18时，需要将分(fēn)组发送到ETBN网关10.128.0.5. 三、环形ETB网络拓扑的挑战    （1）环形ETB拓扑的特点
     由于环形拓扑具有(yǒu)更好的故障冗余能(néng)力，因此在保证先后車(chē)辆之间有(yǒu)两条全双工以太网链路不变的前提下（即ETB的物(wù)理(lǐ)层不需进行任何修改），通过打散两条链路的聚合，将ETB网络组成环状网络。例如王涛等人2015年在铁道學(xué)报上提出了一种环状的列車(chē)网络架构[2]，如图5所示。这样在IP路由层面，任何两个ETBN之间都存在两条冗余的路由，而标准的線(xiàn)性拓扑只存在一条路由。      近年来，一些為(wèi)轨道交通提供核心通信设备的EKE公司，也推出了与图5类似的支持环形以太网的列車(chē)ETB网络解决方案[3]。    （2）环形ETB拓扑面临的挑战
     ETB标准并不支持图5所示拓扑，主要表现在两点。
     一是ETB链路层规范要求ETBN之间的多(duō)链路必须实现链路聚合功能(néng)，且对ETBN节点的三种配置（无源旁路、中间节点、端节点）无法实现单以太网链路旁路車(chē)辆的功能(néng)（见参考文(wén)献[1]中的fugure29-32）；      二是ETB的TTDP协议不支持环形拓扑（见[1]的8.2.3 Assumptions），无法為(wèi)环形连接的ETBN和对应的CN子网分(fēn)配ETBN ID和CN子网ID，因此ETB规范的IP地址生成机制无法实现。    （3）基于SDN的ETB管控      我们发现，十多(duō)年前ETB标准制定时还没有(yǒu)SDN技术。但目前SDN技术已经成熟，并且成功地在移动通信网络、数据中心网络和广域互联网中得到应用(yòng)。基于SDN的工业互联网基础架构研究也逐渐成為(wèi)热点。因此，环形ETB网络管理(lǐ)也可(kě)考虑借鉴SDN思想，主要理(lǐ)由包括如下几点。      一是ETB网络规模相对有(yǒu)限，地址分(fēn)配规整，拓扑变化不大，适合SDN集中控制方式；二是ETB网络需要快速的冗余路径切换，而SDN的集中计算和统一流表下发的速度会优于目前TTDP采用(yòng)了分(fēn)布式计算方式；三是SDN集中控制可(kě)以与TSN的集中资源管理(lǐ)相结合，提升ETB网络的集约设计水平。      我们将在后续的文(wén)章中对SDN在环形ETB网络拓扑发现、地址分(fēn)配和路由计算中的应用(yòng)展开分(fēn)析，提出并完善基于SDN的ETB环形组网实验方案。 参考文(wén)献
[1] Electronic railway equipment – Traincommunication network (TCN) – Part 2-5: Ethernet train backbone
[2] 王涛，王立德，周洁琼等，基于交换式以太网的列車(chē)通信网络实时性研究，铁道學(xué)报，第３７卷第４期，２０１５年４月
[3]白皮书，智能(néng)列車(chē)技术，http://www.eke-electronics.com