时间敏感网络是近年来迅速发展的新(xīn)技术，可(kě)以有(yǒu)效解决智能(néng)制造，交通，電(diàn)力，移动通信和数字媒體(tǐ)等领域对确定性数据交换的需求。基于软硬件协同的FAST架构可(kě)以方便的实现TSN交换设备和网络接口适配器原型。然而不同的领域对TSN交换的需求差异很(hěn)大，对TSN技术的验证和实验必须针对特定环境进行。我们选择以太网列車(chē)骨干（ETB）的交换需求作為(wèi)场景，基于openbox-S4和树莓派节点建立FAST-TSN-ETB实验环境，对基于FAST的TSN交换技术进行验证。 一、列車(chē)以太网交换的特点       我们选择列車(chē)以太网骨干作為(wèi)FAST-TSN原型实验环境主要有(yǒu)两方面原因。一是列車(chē)网络的环形拓扑相对简单，而且有(yǒu)统一的规范定义（IEC 61375-2-5），相比其他(tā)领域，网络的参考资料相对充足；二是TSN被业界认為(wèi)是列車(chē)以太网未来的重要发展趋势之一，基于列車(chē)以太网场景构建TSN的实验环境具有(yǒu)一定的应用(yòng)价值。    （1）列車(chē)以太网（ETB）简介
     基于高速铁路对列車(chē)网络系统要求的不断提高，特别是现代列車(chē)装配有(yǒu)越来越多(duō)的智能(néng)子系统以实现更高的性能(néng)，安全性，更低的能(néng)耗和高舒适度的需求。这些改变给列車(chē)制造商(shāng)，运营商(shāng)和系统集成商(shāng)带来了诸多(duō)挑战。      目前列車(chē)中网络交换的需求主要包括：（1）列車(chē)运行管理(lǐ)核心部件，如牵引、制动、照明、電(diàn)池、供热通风与空气调节、水箱、車(chē)门、监控、事件记录等设备的数据交换；（2）轴承温度、速度测量、和横向震动等传感器信息的收集；（3）旅客使用(yòng)的通信网络。此外，列車(chē)网络还有(yǒu)对地通信的需求，如图1所示。      由于传统基于总線(xiàn)的列車(chē)通信系统难以满足要求。2014年，國(guó)际電(diàn)工委员会颁布了IEC61375 2-5（以太列車(chē)骨干网，ETB）和IEC61375 3-4（以太列車(chē)组成网，ECN），将以太网应用(yòng)于高速列車(chē)。将列車(chē)网络骨干带宽从1.5M左右提升到100M，以求满足列車(chē)网络高带宽交换需求。      考虑减小(xiǎo)電(diàn)缆布線(xiàn)复杂性、缩短列車(chē)网络初始化（拓扑发现、地址分(fēn)配等）时间以及提供故障冗余等因素，列車(chē)以太网骨干在每个車(chē)厢部署一个网关节点（又(yòu)称ETBN节点），这些节点首尾相连形成环形拓扑，如图2所示。      根据IEC61375-2-5标准，ETBN使用(yòng)802.3以太网MAC， 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 协议，由于ETB為(wèi)环形拓扑，因此ETBN设备在列車(chē)初运行时不使用(yòng)802.1D生成树技术，而采用(yòng)列車(chē)拓扑发现协议（TTDP）。    （2）TSN在列車(chē)以太网中的应用(yòng)前景
     由于列車(chē)运行控制中存在周期性关键数据传输（如来自轴承温度和速度测量传感器数据），带宽预约流量（CCTV的视频流量）以及其他(tā)best effort流量。而在ETB规范中，流量控制、入口速率控制和出口整形等技术仅作為(wèi)可(kě)选项，因此难以满足关键流量的服務(wù)质量保证需求。      TSN在列車(chē)中的应用(yòng)的主要优点包括两方面：一是能(néng)够在一套网络中传输不同的流量，节约设备部署和管理(lǐ)维护复杂性。二是能(néng)够有(yǒu)效隔离列車(chē)运行关键的关键数据和用(yòng)户数据，不必担心用(yòng)户的数据会影响到列車(chē)制动装置的控制。      因此，近年来一些工业界专家认為(wèi)[3]，标准的基于TSN的以太网应用(yòng)会简化铁路轨道交通网络的复杂性以及资本投入（CAPEX）和运营成本（OPEX），TSN将会是未来列車(chē)网络重要的发展方向。 二、面向列車(chē)以太网的实验环境：FAST-TSN-ETB    （1）实验环境组成
     我们搭建的列車(chē)以太网实验环境如图4所示，主要由8个openbox-S4板卡以及部分(fēn)树莓派节点组成。其中A、B、C和D四个节点形成环形拓扑，每个节点实现支持TSN交换的额ETBN节点功能(néng)，仿真包含4个車(chē)厢的列車(chē)以太网骨干。      Openbox-S4是我们基于xilinx Zynq FPGA设计的可(kě)编程板卡，是目前基于FAST架构进行路由交换开发的成熟的平台，支持4个千兆以太网接口，也是我们TSN交换和接口适配器原型的实验平台。      节点E，F和H仿真3个接入ETB网络的计算机。内部ARM处理(lǐ)器实现计算功能(néng)，FPGA实现TSN网络接入控制器功能(néng)，每个节点具有(yǒu)独立的IP地址，控制接口具有(yǒu)惟一的MAC地址。      树莓派I1、I2和I3仿真列車(chē)中的传感器和执行器功能(néng)，没有(yǒu)独立的IP地址，通过网关G接入ETB网络。    （2）节点的功能(néng)和实验的流量
     TSN网络控制器在节点E上实现。节点E上运行floodlight控制器，TSN网络集中管理(lǐ)功能(néng)将作為(wèi)控制器北向接口应用(yòng)开发。      列車(chē)管理(lǐ)控制系统在节点F上实现。I1-I3与节点F的通信流量為(wèi)ETB中的关键流量，节点H代表乘客的计算机，向ETB网络中发送背景流量。 三、基于FAST-TSN-ETB的实验内容      我们实验的目的主要有(yǒu)三个，一是通过搭建ETB环境，进一步加深对列車(chē)以太网拓扑特点和运行规律的认识；二是对我们基于FAST架构实现的TSN交换能(néng)力的验证；三是探索针对ETB特定场景的TSN实现技术的定制设计和实现技术。
     我们拟进行的实验内容如下表所示。 在后续文(wén)章中我们会进一步介绍FAST-TSN-ETB实验环境的配置，工作流程和初步实验结果等。 参考文(wén)献
[1] 翟雅萌,刘晓东等. 基于以太网的列車(chē)骨干网数据传输技术研究, 《工业控制计算机》2017 年第30卷第5 期
[2]白皮书，智能(néng)列車(chē)技术，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