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面向列车以太网的FAST-TSN实验情形 (2)ETB网络完成 原理与应战
宣布时间 :2019-02-18
     ETB将传统列车网络交流带宽从1Mbps左右提升到100MBps,同时基于通用以太网装备 和手艺 可极大的降低网络树立 和管理 维护本钱 。本文首先先容 ETB网络的拓扑特点,地址分配和路由机制。然后指出ETB尺度只支持线性拓扑,无法知足 冗余性更好的环形ETB拓扑(以太网环)的组网需求。五月天app官网无限观看以为 基于SDN的ETB管控多是 处置 上述效果 的途径。
一、尺度ETB网络的拓扑特点
   (1)线性拓扑结构
      ETB尺度IEC61375-2-5[1]中给出了支持冗余的ETB主干拓扑结构 ,如图1所示,一切 的ETBN节点相连组成一个线性的ETB主干拓扑,除了首尾ETBN节点外,每其中央 ETBN交流节点都经过 两个全双工以太网链路与其前后两个倾向 的ETBN节点相连。任何两个ETBN节点间的冗余双链路接纳以太网链路聚合机制捆绑运用 。

图1 列车网络中的ETBN节点和以太网链路[1]
   (2)ETBN ID和CN子网ID的分配
     每列火车由多个车辆(consist)组成,每个车辆有出厂时设定的全球独一 的128位车辆标志 (CSTUUID),在列车初运转 时,TTDP (Train Topology Discovery Protocol,TTDP)协议竞赛 列车首尾车辆的CSTUUID,将具有较小CSTUUID的车辆界说为车头(top node),具有较大CSTUUID标志 的车辆界说为车尾(bottomnode),如图2所示。
     然后凭证 车头到车尾的顺序为每个车辆中的ETBN和车辆网络(ConsistNetwork)子网举行 编号。

图2 基于CSTUUID的列车参考倾向 确定[1]
     凭证 CSTUUID确定列车头尾和参考倾向 后,TTDP协议会从车头最先 ,沿着车头到车尾的顺序(DIR2),凭证 每个车辆外部 静态设置 的子网信息(如CN1,CN2,CN3)和ETBN信息,凭证 ID从小到大的顺序,依次 为每个子网分配一个6 比特的子网ID,为每个ETBN分配一个ETBN的ID,如图3所示。

图3 CN子网ID和ETBN ID的分配[1]
二、ETB网络的地址分配与路由
   (1)地址分配
     ETB规范 划定列车网络运用 IPv4保管 的地址空间10.128.0.0/9,即地址高9位(31位到23位)为牢靠 的000010101,界说IP地址的低23位为bbxssss.sshhhhhh.hhhhhhhh。其中bb=00标志 列车控制系统 (ICMS)网络地址空间;bb=01为列车多媒体网络地址空间,bb=10和11为保管 地址空间;X为预留位,牢靠 为0;假定 以下只思量 列车控制系统 网络,是以 该网络中一切 IP地址高12位牢靠 为0000-1010-1000。
     列车中分为由一切 ETBN组成的ETB子网,以及每个车辆外部 毗邻 到ETBN的CN子网。其中ETB子网ID为000000,每个CN子网的subnet ID规模是1-63,在初运转 时由TTDP协议分配取得 。需求 注重 的是,列车网络中每个子网的前缀长度都是18位。CN前缀与其subnet ID相关,举例如下表所示。
     一个典型的列车网络地址分配和ETBN路由表如图4所示,在初运转 时,3个ETBN的ID被分配为5,6,7,三个CN子网的ID也被分配成5,6,7。每个ETBN需求 两个IP地址,一个是ETB子网侧的IP地址,一个是毗邻 外地 CN子网的接口IP地址。
     因为 ETB规范 界说ETBN在ETB侧IP地址为10.128.0.x,其中x为ETBN的ID(为简化,此处不思量 冗余IP地址)。是以 三个ETBN在ETB子网中的IP地址划分为10.128.0.5/6/7。同理,三个CN子网的前缀划分为10.129.64.0/18,10.129.128.0/18和10.129.192.0/18。ETBN在外地 CN侧的地址运用 CN的18位网络前缀,装备 ID通常设置为1,代表路由器接口。

图4 列车网络地址分配和ETBN路由表现 例[1]
   (2)基于ETBN的路由
     图4中还显示了每个ETBN中的路由表片断 。以7号ETBN为例,其中征求 4个路由表项,划分显示了抵达 分别 子网需求 经由 的目的ETBN的IP地址。例如,07号ETBN发现分组的目的IP地址前缀即是10.129.64.0/18时,需求 将分组发送到ETBN网关10.128.0.5.
三、环形ETB网络拓扑的应战
   (1)环形ETB拓扑的特点
     因为 环形拓扑具有更好的缺点 冗余才干 ,是以 在保险 先后车辆之间有两条全双工以太网链路动摇 的条件 下(即ETB的物理层不需举行 任何修正 ),经过 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年在铁道学报上提出了一种环状的列车网络架构[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,而尺度的线性拓扑只存在一条路由。

图5 一种基于环形以太网的列车网络[2]
     近年来,一些为轨道交通提供焦点通讯 装备 的EKE公司,也推出了与图5相似 的支持环形以太网的列车ETB网络处置 方案[3]。
   (2)环形ETB拓扑面临的应战
     ETB尺度其实不 支持图5所示拓扑,主要 体如今 两点。
     一是ETB链路层规范 要求ETBN之间的多链路必需 完成 链路聚合成效 ,且对ETBN节点的三种设置 (无源旁路、中央 节点、端节点)无法完成 单以太网链路旁路车辆的成效 (见参考文献[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),无法为环形毗邻 的ETBN和对应的CN子网分配ETBN ID和CN子网ID,是以 ETB规范 的IP地址天生 机制无法完成 。
   (3)基于SDN的ETB管控      五月天app官网无限观看发现,十多年前ETB尺度制定 时还没有SDN手艺 。但如今 SDN手艺 已经成熟,而且乐成地在移动 通讯 网络、数据中央 网络和广域互联网中取得 运用 。基于SDN的工业互联网基础 架构研讨 也逐渐 成为抢手 。是以 ,环形ETB网络管理 也可思量 自创 SDN头脑 ,主要 理由征求 如下几点。
     一是ETB网络规模相对 有限,地址分配规整,拓扑转变 不大,适宜 SDN集中控制方式;二是ETB网络需求 快速 的冗余途径 切换,而SDN的集中盘算和一致 流表下发的速率 会优于如今 TTDP接纳了漫衍式盘算方式;三是SDN集中控制可以与TSN的集中资源管理 相勾搭 ,提升ETB网络的集约设计水平 。
     五月天app官网无限观看将在后续的文章中对SDN在环形ETB网络拓扑发现、地址分配和路由盘算中的运用 睁开 剖析 ,提出并完善基于SDN的ETB环形组网实验方案。
参考文献
[1] Electronic railway equipment – Traincommunication network (TCN) – Part 2-5: Ethernet train backbone
[2] 王涛,王立德,周洁琼等,基于交流式以太网的列车通讯 网络实时性研讨 ,铁道学报,第37卷第4期,2015年4月
[3]白皮书,智能列车手艺 ,http://www.eke-electronics.com