时间敏感网络是近年来迅速发展的新技术,可以有效解决智能制造,交通,电力,移动通信和数字媒体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。我们选择以太网列车骨干(ETB)的交换需求作为场景,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、列车以太网交换的特点

我们选择列车以太网骨干作为FAST-TSN原型实验环境主要有两方面原因。一是列车网络的环形拓扑相对简单,而且有统一的规范定义(IEC 61375-2-5),相比其他领域,网络的参考资料相对充足;二是TSN被业界认为是列车以太网未来的重要发展趋势之一,基于列车以太网场景构建TSN的实验环境具有一定的应用价值。

 

1)列车以太网(ETB)简介

基于高速铁路对列车网络系统要求的不断提高,特别是现代列车装配有越来越多的智能子系统以实现更高的性能,安全性,更低的能耗和高舒适度的需求。这些改变给列车制造商,运营商和系统集成商带来了诸多挑战。

目前列车中网络交换的需求主要包括:(1)列车运行管理核心部件,如牵引、制动、照明、电池、供热通风与空气调节、水箱、车门、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)旅客使用的通信网络。此外,列车网络还有对地通信的需求,如图1所示。

由于传统基于总线的列车通信系统难以满足要求。2014年,国际电工委员会颁布了IEC61375 2-5(以太列车骨干网,ETB)和IEC61375 3-4(以太列车组成网,ECN),将以太网应用于高速列车。将列车网络骨干带宽从1.5M左右提升到100M,以求满足列车网络高带宽交换需求。

图1 列车网络是列车基础设施重要组成(图片来自参考文献[2])

 

考虑减小电缆布线复杂性、缩短列车网络初始化(拓扑发现、地址分配等)时间以及提供故障冗余等因素,列车以太网骨干在每个车厢部署一个网关节点(又称ETBN节点),这些节点首尾相连形成环形拓扑,如图2所示。

图2列车以太网骨干的拓扑(图片来自参考文献[2])

根据IEC61375-2-5标准,ETBN使用802.3以太网MAC, 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 协议,由于ETB为环形拓扑,因此ETBN设备在列车初运行时不使用802.1D生成树技术,而采用列车拓扑发现协议(TTDP)。

 

2TSN在列车以太网中的应用前景

由于列车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为可选项,因此难以满足关键流量的服务质量保证需求。

TSN在列车中的应用的主要优点包括两方面:一是能够在一套网络中传输不同的流量,节约设备部署和管理维护复杂性。二是能够有效隔离列车运行关键的关键数据和用户数据,不必担心用户的数据会影响到列车制动装置的控制。

 

图3 TSN将成为列车以太网重要的发展方向

因此,近年来一些工业界专家认为[3],标准的基于TSN的以太网应用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将会是未来列车网络重要的发展方向。

 

面向列车以太网的实验环境:FAST-TSN-ETB

1)实验环境组成

  我们搭建的列车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,仿真包含4个车厢的列车以太网骨干。

Openbox-S4是我们基于xilinx Zynq FPGA设计的可编程板卡,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处理器实现计算功能,FPGA实现TSN网络接入控制器功能,每个节点具有独立的IP地址,控制接口具有惟一的MAC地址。

树莓派I1、I2和I3仿真列车中的传感器和执行器功能,没有独立的IP地址,通过网关G接入ETB网络。

图4 实验环境组成

 

2)节点的功能和实验的流量

TSN网络控制器在节点E上实现。节点E上运行floodlight控制器,TSN网络集中管理功能将作为控制器北向接口应用开发。

列车管理控制系统在节点F上实现。I1-I3与节点F的通信流量为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三个,一是通过搭建ETB环境,进一步加深对列车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。

 

验证目标 实验内容
基于SDN的ETB组网机制 (1)列车初运行时的拓扑发现,地址分配等;

(2)主动和被动的转发表配置方式;

(3)节点和链路故障检测,交换路径的自动切换等。

ETBN间数据同步方式 (1)实现和评估TSN标准的IEEE 1588 PTP协议的时间同步能力

(2)根据环形拓扑特点的PTP协议简化方案

(3)基于点到点链路同步的DTP(Datacenter Time Protocol)在ETB中的适用性

基于TSN的关键流量服务保证能力 (1)TSN网络的集中资源管理技术;

(2)基于时间同步CQF转发模型的确定性转发技术的性能;

(3)在ETB网络中采用无需时间同步而保证确定性转发的Scalable Deterministic Forwarding (SDF)模型的可行性。

在后续文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。

 

[1] 翟雅萌,刘晓东等. 基于以太网的列车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,智能列车技术,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草案,Large-Scale Deterministic Network draft-qiang-detnet-large-scale-detnet-02

分类: TSN switch

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