一、 引言
本方案的核心優(yōu)勢(shì)是在以太列車網(wǎng)絡(luò)中融入TSN的技術(shù),能有效解決現(xiàn)有以太列車網(wǎng)絡(luò)存在的支持?jǐn)?shù)據(jù)類型粒度過(guò)粗、無(wú)法精確保證關(guān)鍵性數(shù)據(jù)延時(shí)和抖動(dòng)要求、組網(wǎng)復(fù)雜難以維護(hù)等問(wèn)題,并且基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn),具有良好的通用性,是一種符合列車高速化、智能化發(fā)展趨勢(shì)的列車網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)絡(luò)方案。
二、 技術(shù)架構(gòu)和功能
本方案為基于TSN的以太列車網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案,TSN是為了解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、確定以及可靠的數(shù)據(jù)傳輸在IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)框架下提出的一套協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。TSN通過(guò)802.1AS的時(shí)間同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備各節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步功能,提供了網(wǎng)絡(luò)級(jí)的精確參考時(shí)鐘;通過(guò)幀復(fù)制與消除、幀檢測(cè)與報(bào)錯(cuò)機(jī)制保證的數(shù)據(jù)傳輸可靠性;通過(guò)幀搶占以及預(yù)約數(shù)據(jù)流、周期性隊(duì)列與轉(zhuǎn)發(fā)等整形機(jī)制保證精確的傳輸延時(shí);通過(guò)資源管理方式以及控制實(shí)現(xiàn)資源管理。
TSN與ETB、ECN結(jié)合主要是通過(guò)將TSN的時(shí)間同步、802.1Qch的周期性調(diào)度算法以及令牌桶的算法與當(dāng)前以太列車ETB、ECN技術(shù)相融合,通過(guò)集中控制方式在列車初運(yùn)行完成后對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)中的各ETBN以及ECN交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理控制以及統(tǒng)一的資源規(guī)劃管理,以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車通信網(wǎng)絡(luò)中各業(yè)務(wù)流的精確控制以及確定轉(zhuǎn)發(fā)的功能。
本方案的實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)如圖1所示,實(shí)現(xiàn)分為兩部分,一部分為軟件實(shí)現(xiàn)的控制部分,一部分為硬件控制轉(zhuǎn)發(fā)部分。其中軟件部分主要用于實(shí)現(xiàn)列車網(wǎng)絡(luò)中全局資源管理、離線資源規(guī)劃、設(shè)備狀態(tài)管理以及轉(zhuǎn)發(fā)控制管理等功能;硬件部分用于完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送控制、數(shù)據(jù)類型解析、TSN的輸出調(diào)度控制等功能。

圖1 TSN以太列車網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
三、 解決方案
本方案主要支持的功能如下:
- 1) 支持E2E 1588v2的時(shí)間同步算法,同步精度可以達(dá)到100ns。
- 2) 支持802.1Qch的CQF(Cyclic Queuing and Forwarding)循環(huán)隊(duì)列與轉(zhuǎn)發(fā)算法,可對(duì)周期性數(shù)據(jù)流進(jìn)行精確的延時(shí)控制。
- 3) 支持基于令牌桶的預(yù)留帶寬算法,可以實(shí)現(xiàn)預(yù)留帶寬數(shù)據(jù)流的帶寬保證。
- 4) 支持本地TSN節(jié)點(diǎn)對(duì)本地狀態(tài)通過(guò)Beacon消息進(jìn)行周期上報(bào),用于獲得節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。
- 5) 支持TSN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)流鏡像備份,獲得經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)的備份鏡像。
在本方案中為了實(shí)現(xiàn)各ETBN以太ECN交換節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)延時(shí)可以基于TSN技術(shù)進(jìn)行精確控制,因此需要實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步協(xié)議。在本方案中時(shí)間同步協(xié)議基于端到端(E2E)的 1588v2的時(shí)間同步算法實(shí)現(xiàn)。本方案中1588時(shí)間同步PTP報(bào)文基于MAC層實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)發(fā),因此就限制了其同步域的范圍只能是在當(dāng)前子網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā),無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨子網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)控制。為了解決此問(wèn)題本方案在實(shí)現(xiàn)時(shí)通過(guò)在ETBN節(jié)點(diǎn)添加報(bào)文解析邏輯以及轉(zhuǎn)發(fā)控制邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn),即在解析時(shí)識(shí)別區(qū)分1588的PTP報(bào)文,在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)通過(guò)輸出控制進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)控制,在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)并不替換源MAC地址,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 時(shí)間同步邏輯子網(wǎng)結(jié)構(gòu)
圖2所示,在以太列車網(wǎng)絡(luò)中,ETB的骨干網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng),各ECN網(wǎng)絡(luò)也為一個(gè)獨(dú)立的子網(wǎng)。通過(guò)報(bào)文解析模塊以及輸出調(diào)度模塊的控制,可以使的ETB子網(wǎng)與ECN子網(wǎng)1以及ECN子網(wǎng)2成為一個(gè)虛擬的時(shí)間同步的邏輯子網(wǎng),并實(shí)現(xiàn)不同子網(wǎng)間的時(shí)間同步功能。
在各ETBN以及ECN交換節(jié)點(diǎn)同步的基礎(chǔ)上,本方案針對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及分類將列車網(wǎng)絡(luò)中的過(guò)程數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、消息數(shù)據(jù)、流數(shù)據(jù)以及盡力轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)映射為TSN的時(shí)間敏感流、資源預(yù)留流以及盡力轉(zhuǎn)發(fā)流特征,映射表如表1所示。在實(shí)現(xiàn)時(shí),我們根據(jù)其流的特征以及其每條流的轉(zhuǎn)發(fā)周期數(shù)、延時(shí)要求、帶寬要求的不同分別對(duì)TSN的特征流進(jìn)行不同的參數(shù)配置,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的細(xì)粒度控制。
表1列車數(shù)據(jù)類型與TSN數(shù)據(jù)類型映射表
數(shù)據(jù)類型 |
用途 |
特征 |
優(yōu)先級(jí) |
TSN特征流映射 |
監(jiān)控?cái)?shù)據(jù) |
列車初運(yùn)行,ETB完整性 |
HEllO幀發(fā)送的快周期為15ms,發(fā)送慢周期為100ms。TOPOLOGY發(fā)送周期為100ms。
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高 |
時(shí)間敏感流,分配其周期轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間槽 |
過(guò)程數(shù)據(jù) |
列車控制和監(jiān)視 |
每秒10到100個(gè)報(bào)文循環(huán)發(fā)送,數(shù)據(jù)量可達(dá)1500字節(jié),在整個(gè)ETB延時(shí)不超過(guò)20ms
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高 |
時(shí)間敏感流,分配其周期轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間槽 |
PTP數(shù)據(jù) |
時(shí)間同步 |
每間隔1ms進(jìn)行一次同步,報(bào)文長(zhǎng)度64字節(jié)。
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次高 |
預(yù)約帶寬流,為其分配有效帶寬 |
流數(shù)據(jù) |
音頻和視頻信息 |
要求高傳輸帶寬,低延時(shí),低抖動(dòng)。
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次高 |
預(yù)約帶寬流,為其分配有效帶寬 |
消息數(shù)據(jù) |
旅客信息和診斷系統(tǒng) |
消息數(shù)據(jù)的傳輸靠事件驅(qū)動(dòng),每次幾千字節(jié)內(nèi)容,延時(shí)不超過(guò)100ms
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中 |
預(yù)約帶寬流,為其分配有效帶寬 |
盡力服務(wù)數(shù)據(jù) |
配置數(shù)據(jù)娛樂(lè)數(shù)據(jù) |
限制帶寬不影響其他數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)
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低 |
盡力轉(zhuǎn)發(fā)流 |
本方案通過(guò)根據(jù)以上數(shù)據(jù)流的特征以及數(shù)據(jù)流的特點(diǎn)將其分為周期性固定延時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)流、帶寬保障流以及盡力轉(zhuǎn)發(fā)流。根據(jù)其流的特點(diǎn),本方案通過(guò)TSN的循環(huán)隊(duì)列轉(zhuǎn)發(fā)CQF算法實(shí)現(xiàn)周期性確定延時(shí)的時(shí)間敏感流輸出調(diào)度,通過(guò)基于令牌桶的帶寬預(yù)留算法實(shí)現(xiàn)對(duì)保障帶寬流的控制轉(zhuǎn)發(fā),并在以上轉(zhuǎn)發(fā)算法的基于通過(guò)嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感流、預(yù)約帶寬流以及盡力轉(zhuǎn)發(fā)流的混流轉(zhuǎn)發(fā)。具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 混合數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)
方案中,根據(jù)周期性數(shù)據(jù)特點(diǎn)將其劃分為多種周期性轉(zhuǎn)發(fā)控制流,其通過(guò)CQF的乒乓處理機(jī)制,即奇數(shù)時(shí)間槽到達(dá)的數(shù)據(jù)存入奇數(shù)報(bào)文的隊(duì)列中,偶數(shù)時(shí)間表槽達(dá)到的數(shù)據(jù)存入偶數(shù)報(bào)文的隊(duì)列中。輸出時(shí)奇數(shù)時(shí)間槽輸出偶數(shù)隊(duì)列的內(nèi)容,偶數(shù)時(shí)間槽輸出奇數(shù)隊(duì)列的內(nèi)容,通過(guò)控制時(shí)間槽的大小從而實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)文的輸入輸出的時(shí)間進(jìn)行精確控制。從而實(shí)現(xiàn)精確的延時(shí)控制。對(duì)于帶寬預(yù)留的數(shù)據(jù)流,根據(jù)列車網(wǎng)絡(luò)流的特點(diǎn)通過(guò)控制其不同流預(yù)約帶寬的不同,控制對(duì)應(yīng)隊(duì)列的令牌桶令牌的下發(fā)粒度從而控制其預(yù)留帶寬大小。
另外,為了控制相同類型的時(shí)間敏感流之間的干擾,在開(kāi)始階段就需要對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)中各種流的特征分析并對(duì)其轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃,從而保證相同類型時(shí)間敏感流流在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)彼此不會(huì)干擾。