時間敏感網絡是近年來迅速發展的新技術，可以有效解決智能制造，交通，電(diàn)力，移動通信和數字媒體(tǐ)等領域對确定性數據交換的需求。基于軟硬件協同的FAST架構可以方便的實現TSN交換設備和網絡接口适配器原型。然而不同的領域對TSN交換的需求差異很大(dà)，對TSN技術的驗證和實驗必須針對特定環境進行。我(wǒ)(wǒ)們選擇以太網列車(chē)骨幹（ETB）的交換需求作爲場景，基于openbox-S4和樹(shù)莓派節點建立FAST-TSN-ETB實驗環境，對基于FAST的TSN交換技術進行驗證。 一(yī)、列車(chē)以太網交換的特點       我(wǒ)(wǒ)們選擇列車(chē)以太網骨幹作爲FAST-TSN原型實驗環境主要有兩方面原因。一(yī)是列車(chē)網絡的環形拓撲相對簡單，而且有統一(yī)的規範定義（IEC 61375-2-5），相比其他領域，網絡的參考資(zī)料相對充足；二是TSN被業界認爲是列車(chē)以太網未來的重要發展趨勢之一(yī)，基于列車(chē)以太網場景構建TSN的實驗環境具有一(yī)定的應用價值。    （1）列車(chē)以太網（ETB）簡介
     基于高速鐵路對列車(chē)網絡系統要求的不斷提高，特别是現代列車(chē)裝配有越來越多的智能子系統以實現更高的性能，安全性，更低的能耗和高舒适度的需求。這些改變給列車(chē)制造商(shāng)，運營商(shāng)和系統集成商(shāng)帶來了諸多挑戰。      目前列車(chē)中(zhōng)網絡交換的需求主要包括：（1）列車(chē)運行管理核心部件，如牽引、制動、照明、電(diàn)池、供熱通風與空氣調節、水箱、車(chē)門、監控、事件記錄等設備的數據交換；（2）軸承溫度、速度測量、和橫向震動等傳感器信息的收集；（3）旅客使用的通信網絡。此外(wài)，列車(chē)網絡還有對地通信的需求，如圖1所示。      由于傳統基于總線的列車(chē)通信系統難以滿足要求。2014年，國際電(diàn)工(gōng)委員(yuán)會頒布了IEC61375 2-5（以太列車(chē)骨幹網，ETB）和IEC61375 3-4（以太列車(chē)組成網，ECN），将以太網應用于高速列車(chē)。将列車(chē)網絡骨幹帶寬從1.5M左右提升到100M，以求滿足列車(chē)網絡高帶寬交換需求。      考慮減小(xiǎo)電(diàn)纜布線複雜(zá)性、縮短列車(chē)網絡初始化（拓撲發現、地址分(fēn)配等）時間以及提供故障冗餘等因素，列車(chē)以太網骨幹在每個車(chē)廂部署一(yī)個網關節點（又(yòu)稱ETBN節點），這些節點首尾相連形成環形拓撲，如圖2所示。      根據IEC61375-2-5标準，ETBN使用802.3以太網MAC， 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 協議，由于ETB爲環形拓撲，因此ETBN設備在列車(chē)初運行時不使用802.1D生(shēng)成樹(shù)技術，而采用列車(chē)拓撲發現協議（TTDP）。    （2）TSN在列車(chē)以太網中(zhōng)的應用前景
     由于列車(chē)運行控制中(zhōng)存在周期性關鍵數據傳輸（如來自軸承溫度和速度測量傳感器數據），帶寬預約流量（CCTV的視頻(pín)流量）以及其他best effort流量。而在ETB規範中(zhōng)，流量控制、入口速率控制和出口整形等技術僅作爲可選項，因此難以滿足關鍵流量的服務質量保證需求。      TSN在列車(chē)中(zhōng)的應用的主要優點包括兩方面：一(yī)是能夠在一(yī)套網絡中(zhōng)傳輸不同的流量，節約設備部署和管理維護複雜(zá)性。二是能夠有效隔離(lí)列車(chē)運行關鍵的關鍵數據和用戶數據，不必擔心用戶的數據會影響到列車(chē)制動裝置的控制。      因此，近年來一(yī)些工(gōng)業界專家認爲[3]，标準的基于TSN的以太網應用會簡化鐵路軌道交通網絡的複雜(zá)性以及資(zī)本投入（CAPEX）和運營成本（OPEX），TSN将會是未來列車(chē)網絡重要的發展方向。 二、面向列車(chē)以太網的實驗環境：FAST-TSN-ETB    （1）實驗環境組成
     我(wǒ)(wǒ)們搭建的列車(chē)以太網實驗環境如圖4所示，主要由8個openbox-S4闆卡以及部分(fēn)樹(shù)莓派節點組成。其中(zhōng)A、B、C和D四個節點形成環形拓撲，每個節點實現支持TSN交換的額ETBN節點功能，仿真包含4個車(chē)廂的列車(chē)以太網骨幹。      Openbox-S4是我(wǒ)(wǒ)們基于xilinx Zynq FPGA設計的可編程闆卡，是目前基于FAST架構進行路由交換開(kāi)發的成熟的平台，支持4個千兆以太網接口，也是我(wǒ)(wǒ)們TSN交換和接口适配器原型的實驗平台。      節點E，F和H仿真3個接入ETB網絡的計算機。内部ARM處理器實現計算功能，FPGA實現TSN網絡接入控制器功能，每個節點具有獨立的IP地址，控制接口具有惟一(yī)的MAC地址。      樹(shù)莓派I1、I2和I3仿真列車(chē)中(zhōng)的傳感器和執行器功能，沒有獨立的IP地址，通過網關G接入ETB網絡。    （2）節點的功能和實驗的流量
     TSN網絡控制器在節點E上實現。節點E上運行floodlight控制器，TSN網絡集中(zhōng)管理功能将作爲控制器北(běi)向接口應用開(kāi)發。      列車(chē)管理控制系統在節點F上實現。I1-I3與節點F的通信流量爲ETB中(zhōng)的關鍵流量，節點H代表乘客的計算機，向ETB網絡中(zhōng)發送背景流量。 三、基于FAST-TSN-ETB的實驗内容      我(wǒ)(wǒ)們實驗的目的主要有三個，一(yī)是通過搭建ETB環境，進一(yī)步加深對列車(chē)以太網拓撲特點和運行規律的認識；二是對我(wǒ)(wǒ)們基于FAST架構實現的TSN交換能力的驗證；三是探索針對ETB特定場景的TSN實現技術的定制設計和實現技術。
     我(wǒ)(wǒ)們拟進行的實驗内容如下(xià)表所示。 在後續文章中(zhōng)我(wǒ)(wǒ)們會進一(yī)步介紹FAST-TSN-ETB實驗環境的配置，工(gōng)作流程和初步實驗結果等。 參考文獻
[1] 翟雅萌,劉曉東等. 基于以太網的列車(chē)骨幹網數據傳輸技術研究, 《工(gōng)業控制計算機》2017 年第30卷第5 期
[2]白(bái)皮書(shū)，智能列車(chē)技術，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