鐵路部門現(xiàn)已將串行列車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為基于以太網(wǎng)的解決方案。傳統(tǒng)以太網(wǎng)缺乏實(shí)時(shí)流量通信和功能隔離能力，這限制了標(biāo)準(zhǔn)化以太網(wǎng)解決方案的采用。TSN克服了這一限制，并被鐵路制造商和運(yùn)營(yíng)商認(rèn)定為鐵路通信的下一代數(shù)據(jù)鏈路層。本文總結(jié)了TSN為什么成為該領(lǐng)域首選的下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，什么是TSN以及如何在列車網(wǎng)絡(luò)中引入TSN。此外，本文還提出了一種支持TSN的邊緣計(jì)算設(shè)備和先進(jìn)的TSN設(shè)置的建議。

為什么在鐵路領(lǐng)域使用TSN？

1999年，國(guó)際電工委員會(huì)IEC發(fā)布了一項(xiàng)列車車載通信標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 61375或TCN（列車通信網(wǎng)絡(luò)），允許在由多家制造商提供的不同電子子系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)。此外，該標(biāo)準(zhǔn)允許連接不同的列車或車輛。為了實(shí)現(xiàn)不同制造商、不同國(guó)家列車之間的互操作性，國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）在UIC-556標(biāo)準(zhǔn)中定義了交換變量和消息的語義。

如今，TCN標(biāo)準(zhǔn)允許安全、可靠和穩(wěn)健的通信，這是載客運(yùn)輸系統(tǒng)的必要條件。然而，隨著交通系統(tǒng)內(nèi)部信息交換的增加TCN已變得過時(shí)且昂貴。例如，在TCN中定義的有線列車總線（Wire Train Bus-WTB）僅支持最大的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s，這限制了主干網(wǎng)的使用范圍只能用于控制和狀態(tài)命令。例如，視頻監(jiān)控需要更高的帶寬，乘客舒適功能可能需要更多。由于這些限制，TCN的發(fā)展在許多情況下是基于現(xiàn)有的工業(yè)以太網(wǎng)解決方案和原始TCN標(biāo)準(zhǔn)混合的解決方案。

2005年，國(guó)際電工委員會(huì)IEC委托一個(gè)新工作組發(fā)布基于以太網(wǎng)的新標(biāo)準(zhǔn)，用以推動(dòng)該領(lǐng)域向可互操作的以太網(wǎng)解決方案邁進(jìn)。由此，以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)（Ethernet Train Backbone-ETB）被提出作為列車廣域通信骨干網(wǎng)。它取代了IEC-61375-2-5標(biāo)準(zhǔn)中列車通信網(wǎng)絡(luò)中的WTB。IEC-61375-3-4定義了車內(nèi)通信用的以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)（ECN），取代了原TCN標(biāo)準(zhǔn)中指定的多功能車輛總線（MVB）。

因此，這些IEC 61375系列標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)100Mbit/s以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合TRDP、IPTCom或CIP等專有高層協(xié)議，定義了一種更快的TCN。事實(shí)上，目前的列車使用這些專有協(xié)議，創(chuàng)建了一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。

在這種情況下采用以太網(wǎng)就暴露了一些局限性。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)缺乏用于隔離不同功能的流量和實(shí)時(shí)流量通信的機(jī)制。因此，它通常用于非關(guān)鍵應(yīng)用程序，并與關(guān)鍵應(yīng)用的專用網(wǎng)絡(luò)并行。由于這個(gè)原因，通常多個(gè)總線共存于同一編組中，導(dǎo)致了生命周期成本（LCC）的增加。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是下一代標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，提供嚴(yán)格的確定性、冗余性、高帶寬和互操作性。TSN克服了鐵路領(lǐng)域的局限性。因此，它可以提供更簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并簡(jiǎn)化整個(gè)子系統(tǒng)的集成。正如將在下一節(jié)中介紹的那樣，列車制造商提出的新一代列車通信網(wǎng)絡(luò)是基于TSN的。

TSN在鐵路領(lǐng)域的相關(guān)性不僅由列車制造商推動(dòng)。鐵路運(yùn)營(yíng)商，如德國(guó)鐵路公司或法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司，已經(jīng)推出了開放式CCS車載參考架構(gòu)（OCORA），以促進(jìn)歐洲鐵路行業(yè)的合作，幫助歐洲鐵路部門為車載指揮控制和信號(hào)系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)開放的參考架構(gòu)。TSN是該架構(gòu)中為實(shí)時(shí)流量提出的擬議數(shù)據(jù)鏈路層。

什么是TSN？

通過音頻視頻橋接（AVB）策略，在單一媒體中合并關(guān)鍵流量和最佳流量方面取得了重大成功。事實(shí)上，他們的一些技術(shù)解決方案是其他部門有價(jià)值的替代方案。

由于AVB策略獲得了成功，最初的AVB工作組演變?yōu)镮EEE時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）工作組，負(fù)責(zé)開發(fā)TSN相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)提出了對(duì)IEEE 802.3網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)措施，為OT和IT定義了一種獨(dú)特的基于以太網(wǎng)的解決方案。

TSN的基本基礎(chǔ)是時(shí)間感知整形器。它旨在將以太網(wǎng)上的通信分離成固定長(zhǎng)度、重復(fù)的時(shí)間周期。這些周期根據(jù)節(jié)點(diǎn)間達(dá)成的TSN配置劃分為時(shí)隙。不同的時(shí)隙可以被配置，并分配給八個(gè)以太網(wǎng)優(yōu)先級(jí)中的一個(gè)或多個(gè)。IEEE 802.1 Qbv定義了時(shí)間感知整形器的操作。

考慮到這個(gè)功能，定義了三種基本的流量類型：時(shí)序流量、最佳流量和保留流量。時(shí)序流量類型適用于硬實(shí)時(shí)消息，最佳流量是對(duì)任何其他服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)都不敏感的通用以太網(wǎng)流量。保留流量類型是指在不同的時(shí)隙中分配幀，但為每個(gè)優(yōu)先級(jí)類型指定了帶寬保留。

時(shí)間感知整形器允許定義每個(gè)周期中可用的時(shí)隙數(shù)量、持續(xù)時(shí)間以及可以傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。由于這種操作模式，時(shí)序流量有專門的時(shí)隙來確保預(yù)期的確定性行為。最佳流量則被安排在每個(gè)運(yùn)行周期操作的剩余時(shí)隙中。TSN中優(yōu)先級(jí)和帶寬使用優(yōu)化的一個(gè)重要改進(jìn)是支持IEEE 802.1Qav中定義的基于信用的整形器。該功能允許使用保留流量類型，在時(shí)序流量和最佳流量之間的狀態(tài)下提升設(shè)計(jì)流量的優(yōu)先級(jí)。使用IEEE 1588定時(shí)同步協(xié)議，在構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的TSN設(shè)備之間提供納秒級(jí)的同步精度是面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。由于該技術(shù)提供的精度，可以通過實(shí)施有效的基于時(shí)間觸發(fā)的以太網(wǎng)解決方案，確保受控的網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動(dòng)。TSN的特定IEEE 1588配置文件名為IEEE 1588ASrev。

TSN網(wǎng)絡(luò)的配置平面是標(biāo)準(zhǔn)化組織、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界最活躍的研究領(lǐng)域之一。TSN通信基于在發(fā)送器和接收器之間設(shè)置的數(shù)據(jù)流。根據(jù)每個(gè)流的約定參數(shù)，有必要配置TSN網(wǎng)絡(luò)的所有元素，以便根據(jù)選定的參數(shù)切換幀。如圖1所示，此操作由集中式網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行。

配置（CNC）節(jié)點(diǎn)。該CNC應(yīng)能夠以標(biāo)準(zhǔn)化的方式與不同供應(yīng)商的設(shè)備進(jìn)行通信。該領(lǐng)域的早期是基于IEEE 802.1Qcc標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)展。

從本介紹中可以看出，TSN不是一個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn)。相反，它是一組以不同速度發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)。此外，其中許多仍處于草案版本，并且其發(fā)展可能取決于市場(chǎng)對(duì)這些特定功能的實(shí)際需求。以下列表總結(jié)了TSN中涉及到的最相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)：802.1ASrev定時(shí)和同步（目前，在大多數(shù)TSN的實(shí)施中使用802.1AS）；802.1Qbv時(shí)間感知整形；802.1Qcc流預(yù)留協(xié)議的增強(qiáng)和性能改進(jìn)；802.1Qci每個(gè)流的過濾和管控；802.1CB冗余；802.1Qbu幀搶占和802.1Qch循環(huán)排隊(duì)和轉(zhuǎn)發(fā)。

鐵路領(lǐng)域中如何引入TSN技術(shù)？

列車制造商和鐵路運(yùn)營(yíng)商正在推動(dòng)TSN技術(shù)，以克服標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的技術(shù)限制，并確保不同層面（車載設(shè)備、列車、軌道基礎(chǔ)設(shè)施、信號(hào)系統(tǒng)等）的互操作性。

從OCORA倡議（由鐵路運(yùn)營(yíng)商推動(dòng)）中定義的通用關(guān)鍵控制和指揮總線( Universal Vital Control and Command Bus，UVCCB )的集成，以及各列車制造商在Shift2Rail項(xiàng)目中闡述的下一代列車通信網(wǎng)絡(luò)( Next-Generation Train Communication Network，NG-TCN ) ，都可以看到對(duì)這一趨勢(shì)的全面概述。

圖2所示為以太網(wǎng)骨干網(wǎng)( Ethernet Backbone，ETB )中的梯形(右平面B和左平面A)與一致網(wǎng)絡(luò)( Consist Networks，ECN )中環(huán)形配置相結(jié)合的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。非關(guān)鍵設(shè)備通過單個(gè)鏈路連接到ECN，而關(guān)鍵設(shè)備則連接到平面B和平面A。

協(xié)調(diào)交換機(jī)（CS）將監(jiān)督環(huán)內(nèi)組網(wǎng)，并將ETB流量分離為ETB Line A和ETB Line B，以確保冗余操作。

這種方法中的一個(gè)關(guān)鍵TSN功能是IEEE802.1CB。該子標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)在流級(jí)別進(jìn)行幀復(fù)制和消除的過程。在任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎?，IEEE802.1 CB都能在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)提供零延遲的恢復(fù)時(shí)間，如PRP或HSR。

如圖3所示，OCORA UVCCB可以集成到NG-TCN網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)閮烧叨蓟赥SN技術(shù)。

不同運(yùn)營(yíng)商服務(wù)之間的邏輯分離可以使用不同的虛擬局域網(wǎng)（VLAN）來實(shí)現(xiàn)，而VLAN可以利用TSN的流量整形能力來進(jìn)行增強(qiáng)。

在NG-TCN ETB和ECN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校袃煞N類型的交換機(jī)設(shè)備，分別是以太網(wǎng)列車骨干節(jié)點(diǎn)（ETBN）和協(xié)調(diào)交換機(jī)（CS）。

CS是TSN網(wǎng)橋，能夠在環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中支持高速TSN網(wǎng)絡(luò)。目前，1 GbE是目標(biāo)速度，但也考慮使用10 GbE。CS應(yīng)支持Qbv和Qci以及其他TSN標(biāo)準(zhǔn)，以可靠地混合環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中具有不同關(guān)鍵性的流量，并且需要具有不同端口數(shù)量的變量。IEEE802.1CB標(biāo)準(zhǔn)與MSTP結(jié)合使用，即使在ECN環(huán)中，也能為指定的流量提供無縫冗余。

ETBN設(shè)備提供了ECN和ETB之間的物理連接，如圖2所示。ETBN的最小配置是3個(gè)端口，其中2個(gè)用于ETB，1個(gè)用于ECN。然而，還有許多變體需要解決。如圖4所示，在規(guī)范中建議使用5個(gè)端口的ETBN。2個(gè)端口連接ETB線路，另外2個(gè)端口允許直接連接到ECN環(huán)，額外有1個(gè)端口直接連接到非關(guān)鍵電子設(shè)備（ED）。

ETBN的功能定義比TSN的橋接操作更廣泛。例如，他們將監(jiān)督ETB的啟動(dòng)和控制、TND信息服務(wù)管理，并支持IP路由，以實(shí)現(xiàn)最佳傳輸。因此，ETBN節(jié)點(diǎn)應(yīng)被視為具有TSN網(wǎng)絡(luò)功能的完整邊緣計(jì)算設(shè)備，而不是簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

從硬件和軟件技術(shù)的角度來看，定義和開發(fā)一個(gè)能夠滿足所有這些要求的靈活、強(qiáng)大和長(zhǎng)期的嵌入式平臺(tái)是一種挑戰(zhàn)?；趶?qiáng)大的可重構(gòu)平臺(tái)的解決方案，將多個(gè)CPU和FPGA組合在同一半導(dǎo)體中，如Xilinx的Zynq Ultrascale+MPSoC，在整個(gè)領(lǐng)域中，特別是鐵路領(lǐng)域，越來越受歡迎。FPGA供應(yīng)商確保其集成電路的長(zhǎng)期供應(yīng)。此外，這些設(shè)備的可重構(gòu)性使其能夠進(jìn)行硬件升級(jí)，以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)或潛在的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞修復(fù)。

新一代的鐵路設(shè)備結(jié)合了幾種新的復(fù)雜的技術(shù)。例如，有專門從事TSN技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)安全堆棧的技術(shù)公司可以提供經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的TSN技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。這些第三方硬件或軟件IP可以與供應(yīng)商特定的服務(wù)結(jié)合在可重構(gòu)平臺(tái)中進(jìn)行集成。因此，這些項(xiàng)目的上市時(shí)間和設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)顯著降低。

圖5顯示了一個(gè)框圖，說明了如何在Xilinx Zynq Ultrascale+MPSoC設(shè)備上實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有5個(gè)端口的ETBN。在FPGA上實(shí)現(xiàn)的MTSN交換機(jī)IP用于橋接TSN流量。該IP根據(jù)IEEE802.1CB切換和塑造支持冗余的TSN，這是NG-TCN關(guān)鍵的TSN功能。

4個(gè)ARM-A53 CPU運(yùn)行一個(gè)面向網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)。除其他服務(wù)外，它還提供TSN配置管理、IP路由和網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)。兩個(gè)ARM-R5 CPU承載安全關(guān)鍵和實(shí)時(shí)服務(wù)，與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)隔離運(yùn)行。

該TSN IP可在綜合時(shí)進(jìn)行配置，支持多達(dá)32個(gè)端口。IP實(shí)現(xiàn)中包含的端口數(shù)量和TSN特征可由設(shè)計(jì)者在HDL代碼綜合時(shí)進(jìn)行選擇。這種靈活性確保了生成的設(shè)計(jì)在FPGA資源利用率方面是最佳的。對(duì)于圖5所示的設(shè)計(jì)，IP已配置為支持6個(gè)TSN端口。5個(gè)外部，提供連接到ETB、ECN（環(huán)）和外部ED，1個(gè)內(nèi)部連接到交換機(jī)的處理系統(tǒng)部分。

引入TSN技術(shù)的設(shè)備制造商需要測(cè)試和驗(yàn)證這項(xiàng)新技術(shù)的解決方案。在航空航天、工業(yè)和鐵路領(lǐng)域，有幾個(gè)正在進(jìn)行的TSN試驗(yàn)活動(dòng)。其中一些措施是由一組制造商進(jìn)行的，重點(diǎn)是進(jìn)行互操作性測(cè)試。然而，制造商和研究中心正在根據(jù)每個(gè)行業(yè)的具體目標(biāo)開發(fā)自己的TSN試驗(yàn)。

一般來說，TSN的首次實(shí)踐是通過運(yùn)行一個(gè)全面的TSN套件來進(jìn)行的。為了便于探究網(wǎng)絡(luò)飽和情況下的同步、流量調(diào)度和流量整形效果，該套件中嵌入了完整的視頻演示。演示應(yīng)用程序的快照如圖8所示。除了視頻提供的功能操作分析外，還可以在PC機(jī)上使用流行的抓包應(yīng)用程序?qū)α髁啃螒B(tài)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，如圖7所示。

下一步是定義一個(gè)更完整的試點(diǎn)，允許TSN評(píng)估、測(cè)試和驗(yàn)證。圖8總結(jié)了TSN試點(diǎn)的一個(gè)示例。TSN終端節(jié)點(diǎn)操作在使用RELY PCIe TSN卡的主機(jī)和第三方終端盾牌中進(jìn)行評(píng)估。橋接操作由四端口和二十四端口的TSN橋接器來執(zhí)行。

在這些設(shè)置中，客戶可以分析如何運(yùn)行自己的應(yīng)用程序，以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的配置和行為。為了進(jìn)行更深入的分析，可以使用特定的設(shè)備（如圖8中顯示的兩個(gè)RELY-TSN-REC設(shè)備）對(duì)TSN流量進(jìn)行時(shí)間戳和記錄。

總結(jié)

鐵路領(lǐng)域已將從串行列車通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展為基于以太網(wǎng)的解決方案。標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)缺乏實(shí)時(shí)流量通信和功能隔離能力，限制了標(biāo)準(zhǔn)化以太網(wǎng)解決方案的采用。

TSN克服了上述限制，并被鐵路制造商和運(yùn)營(yíng)商認(rèn)定為下一代鐵路通信數(shù)據(jù)鏈路層的有力候選者。

鐵路領(lǐng)域的新一代TSN邊緣計(jì)算設(shè)備需要集成和開發(fā)各種技術(shù)和功能?？芍貥?gòu)的平臺(tái)（SoCs）具備強(qiáng)大的硬件和軟件能力，結(jié)合專門的第三方IP核（例如SoC-e的MTSN IP），成為降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和加快上市時(shí)間的首選方案。

像TSN這樣新技術(shù)的演進(jìn)過程并不是一帆風(fēng)順的。它需時(shí)間、測(cè)試、驗(yàn)證，以及各個(gè)參與者之間合作。從這個(gè)意義上說，鐵路領(lǐng)域已經(jīng)讓TSN真正發(fā)揮作用，該領(lǐng)域正在進(jìn)行的廣泛的研發(fā)活動(dòng)表明，未來已來。

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