一、 引言

    本方案的核心優勢是在以太列車網絡中融入TSN的技術，能有效解決現有以太列車網絡存在的支持數據類型粒度過粗、無法精確保證關鍵性數據延時和抖動要求、組網復雜難以維護等問題，并且基于IEEE標準實現，具有良好的通用性，是一種符合列車高速化、智能化發展趨勢的列車網絡融合網絡方案。

二、 技術架構和功能

     本方案為基于TSN的以太列車網絡的實現方案，TSN是為了解決傳統網絡中無法實現實時、確定以及可靠的數據傳輸在IEEE802.1標準框架下提出的一套協議標準。TSN通過802.1AS的時間同步協議實現設備各節點的時間同步功能，提供了網絡級的精確參考時鐘；通過幀復制與消除、幀檢測與報錯機制保證的數據傳輸可靠性；通過幀搶占以及預約數據流、周期性隊列與轉發等整形機制保證精確的傳輸延時；通過資源管理方式以及控制實現資源管理。     TSN與ETB、ECN結合主要是通過將TSN的時間同步、802.1Qch的周期性調度算法以及令牌桶的算法與當前以太列車ETB、ECN技術相融合，通過集中控制方式在列車初運行完成后對列車網絡中的各ETBN以及ECN交換節點進行集中管理控制以及統一的資源規劃管理，以實現對列車通信網絡中各業務流的精確控制以及確定轉發的功能。     本方案的實現的架構如圖1所示，實現分為兩部分，一部分為軟件實現的控制部分，一部分為硬件控制轉發部分。其中軟件部分主要用于實現列車網絡中全局資源管理、離線資源規劃、設備狀態管理以及轉發控制管理等功能；硬件部分用于完成數據的接收與發送控制、數據類型解析、TSN的輸出調度控制等功能。

三、 解決方案

    本方案主要支持的功能如下：

• 1) 支持E2E 1588v2的時間同步算法，同步精度可以達到100ns。
• 2) 支持802.1Qch的CQF（Cyclic Queuing and Forwarding）循環隊列與轉發算法，可對周期性數據流進行精確的延時控制。
• 3) 支持基于令牌桶的預留帶寬算法，可以實現預留帶寬數據流的帶寬保證。
• 4) 支持本地TSN節點對本地狀態通過Beacon消息進行周期上報，用于獲得節點的狀態信息。
• 5) 支持TSN節點數據流鏡像備份，獲得經過節點的所有數據的備份鏡像。

    在本方案中為了實現各ETBN以太ECN交換節點間的數據延時可以基于TSN技術進行精確控制，因此需要實現時間同步協議。在本方案中時間同步協議基于端到端（E2E）的 1588v2的時間同步算法實現。本方案中1588時間同步PTP報文基于MAC層實現控制轉發，因此就限制了其同步域的范圍只能是在當前子網轉發，無法實現跨子網的轉發控制。為了解決此問題本方案在實現時通過在ETBN節點添加報文解析邏輯以及轉發控制邏輯來實現，即在解析時識別區分1588的PTP報文，在轉發時通過輸出控制進行轉發控制，在轉發時并不替換源MAC地址，實現結構如圖2所示。     圖2所示，在以太列車網絡中，ETB的骨干網絡為一個獨立的子網，各ECN網絡也為一個獨立的子網。通過報文解析模塊以及輸出調度模塊的控制，可以使的ETB子網與ECN子網1以及ECN子網2成為一個虛擬的時間同步的邏輯子網，并實現不同子網間的時間同步功能。     在各ETBN以及ECN交換節點同步的基礎上，本方案針對列車網絡應用數據的特點以及分類將列車網絡中的過程數據、監控數據、消息數據、流數據以及盡力轉發數據映射為TSN的時間敏感流、資源預留流以及盡力轉發流特征，映射表如表1所示。在實現時，我們根據其流的特征以及其每條流的轉發周期數、延時要求、帶寬要求的不同分別對TSN的特征流進行不同的參數配置，從而實現數據流的細粒度控制。     本方案通過根據以上數據流的特征以及數據流的特點將其分為周期性固定延時轉發流、帶寬保障流以及盡力轉發流。根據其流的特點，本方案通過TSN的循環隊列轉發CQF算法實現周期性確定延時的時間敏感流輸出調度，通過基于令牌桶的帶寬預留算法實現對保障帶寬流的控制轉發，并在以上轉發算法的基于通過嚴格優先級的調度策略實現時間敏感流、預約帶寬流以及盡力轉發流的混流轉發。具體實現結構如圖3所示。     方案中，根據周期性數據特點將其劃分為多種周期性轉發控制流，其通過CQF的乒乓處理機制，即奇數時間槽到達的數據存入奇數報文的隊列中，偶數時間表槽達到的數據存入偶數報文的隊列中。輸出時奇數時間槽輸出偶數隊列的內容，偶數時間槽輸出奇數隊列的內容，通過控制時間槽的大小從而實現對報文的輸入輸出的時間進行精確控制。從而實現精確的延時控制。對于帶寬預留的數據流，根據列車網絡流的特點通過控制其不同流預約帶寬的不同，控制對應隊列的令牌桶令牌的下發粒度從而控制其預留帶寬大小。     另外，為了控制相同類型的時間敏感流之間的干擾，在開始階段就需要對列車網絡中各種流的特征分析并對其轉發的時間進行規劃，從而保證相同類型時間敏感流流在轉發時彼此不會干擾。