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面向列车以太网的FAST-TSN实验情形 (1)实验情形 简介
宣布时间 :2019-1-30
     时间 敏感网络是近年来迅速生长的新手 艺 ,可以有用 处置 智能制造,交通,电力,移动 通讯 和数字媒体等范围 对确定性数据交流的需求。基于软硬件协同的FAST架构可以利便 的完成 TSN交流装备 和网络接口适配器原型。但是 分别 的范围 对TSN交流的需求分别 很大,对TSN手艺 的验证和实验必需 针对特定情形 举行 。五月天app官网无限观看选择以太网列车主干(ETB)的交流需求作为场景,基于openbox-S4和树莓派节点树立 FAST-TSN-ETB实验情形 ,对基于FAST的TSN交流手艺 举行 验证。
一、列车以太网交流的特点
      五月天app官网无限观看选择列车以太网主干作为FAST-TSN原型实验情形 主要 有两方面缘故原由 。一是列车网络的环形拓扑相对 简朴 ,而且有一致 的规范 界说(IEC 61375-2-5),相比其他范围 ,网络的参考资料 相对 富足;二是TSN被业界以为 是列车以太网未来 的主要 生长趋向 之一,基于列车以太网场景构建TSN的实验情形 具有一定的运用 价值。
   (1)列车以太网(ETB)简介
     基于高速铁路对列车网络系统 要求的不时 提高 ,特殊 是现代 列车装配 有愈来愈 多的智能子系统 以完成 更高的功用 ,喧嚣 性,更低的能耗和高恬静 度的需求。这些改动 给列车制造商,运经商 和系统 集成商带来了诸多应战 。
     如今 列车中网络交流的需求主要 征求 :(1)列车运转 管理 焦点部件,如牵引、制动、照明、电池、供热透风 与空气调治、水箱、车门、监控、事务 纪录等装备 的数据交流;(2)轴承温度、速率 丈量、和横向震惊 等传感器信息的网络 ;(3)乘客 运用 的通讯 网络。此外,列车网络尚有 对地通讯 的需求,如图1所示。
     因为 传统基于总线的列车通讯 系统 难以知足 要求。2014年,国际电工委员会发布 了IEC61375 2-5(以太列车主干网,ETB)和IEC61375 3-4(以太列车组成网,ECN),将以太网运用 于高速列车。将列车网络主干带宽从1.5M左右提升到100M,以求知足 列车网络高带宽交流需求。

图1 列车网络是列车基础 设备 主要 组成(图片来自参考文献[2])
     思量 减小电缆布线严重 性、延长 列车网络初始化(拓扑发现、地址分配等)时间 以及提供缺点 冗余等成分 ,列车以太网主干在每个车厢 布置 一个网枢纽点(又称ETBN节点),这些节点首尾相连构成 环形拓扑,如图2所示。

图2 列车以太网主干的拓扑(图片来自参考文献[2])
     凭证 IEC61375-2-5尺度,ETBN运用 802.3以太网MAC, 802.1Q VLAN以及802.1AB LLDP 协议,因为 ETB为环形拓扑,是以 ETBN装备 在列车初运转 时不运用 802.1D天生 树手艺 ,而接纳列车拓扑发现协议(TTDP)。
   (2)TSN在列车以太网中的运用 远景
     因为 列车运转 控制中存在周期性关键 数据传输(如来自轴承温度和速率 丈量传感器数据),带宽预定 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手艺 仅作为可选项,是以 难以知足 关键 流量的效劳 质量保险 需求。
     TSN在列车中的运用 的主要 低贱 征求 两方面:一是可以 在一套网络中传输分别 的流量,浪费 装备 布置 和管理 维护严重 性。二是可以 有用 隔离列车运转 关键 的关键 数据和用户数据,没必要 担忧用户的数据会浸染 到列车制动装置 的控制。

图3 TSN将成为列车以太网主要 的生长倾向
     是以 ,近年来一些工业界专家以为 [3],尺度的基于TSN的以太网运用 会简化铁路轨道交通网络的严重 性以及资源 投入(CAPEX)和运营本钱 (OPEX),TSN将会是未来 列车网络主要 的生长倾向 。
二、面向列车以太网的实验情形 :FAST-TSN-ETB
   (1)实验情形 组成
     五月天app官网无限观看搭建的列车以太网实验情形 如图4所示,主要 由8个openbox-S4板卡以及局限 树莓派节点组成。其中A、B、C和D四个节点构成 环形拓扑,每个节点完成 支持TSN交流的额ETBN节点成效 ,仿真征求 4个车厢 的列车以太网主干。
     Openbox-S4是五月天app官网无限观看基于xilinx Zynq FPGA设计的可编程板卡,是如今 基于FAST架构举行 路由交流开发的成熟的平台,支持4个千兆以太网接口,也是五月天app官网无限观看TSN交流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网络的盘算机。外部 ARM处置赏罚 器完成 盘算成效 ,FPGA完成 TSN网络接入控制器成效 ,每个节点具有自力 的IP地址,控制接口具有独一 的MAC地址。
     树莓派I1、I2和I3仿真列车中的传感器和执行器成效 ,没有自力 的IP地址,经过 网关G接入ETB网络。

图4 实验情形 组成
   (2)节点的成效 和实验的流量
     TSN网络控制器在节点E上完成 。节点E上运转 floodlight控制器,TSN网络集中管理 成效 将作为控制器北向接口运用 开发。
     列车管理 控制系统 在节点F上完成 。I1-I3与节点F的通讯 流量为ETB中的关键 流量,节点H代表搭客的盘算机,向ETB网络中发送配景流量。
三、基于FAST-TSN-ETB的实验内容
     五月天app官网无限观看实验的目的主要 有三个,一是经过 搭建ETB情形 ,进一步加深对列车以太网拓扑特点和运转 纪律的熟习 ;二是对五月天app官网无限观看基于FAST架构完成 的TSN交流才干 的验证;三是探求 针对ETB特定场景的TSN完成 手艺 的定制设计和完成 手艺 。
     五月天app官网无限观看拟举行 的实验内容如下表所示。
在后续文章中五月天app官网无限观看会进一步先容 FAST-TSN-ETB实验情形 的设置 ,事情流程和来源 实验效果 等。
参考文献
[1] 翟雅萌,刘晓东等. 基于以太网的列车主干网数据传输手艺 研讨 , 《工业控制盘算机》2017 年第30卷第5 期
[2]白皮书,智能列车手艺 ,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