面向列車以太網的FAST-TSN實驗環境（2）ETB網絡實現原理與挑戰
發布時間：2019-02-18
ETB將傳統列車網絡交換帶寬從1Mbps左右提升到100MBps，同時基于通用以太網設備和技術可極大的降低網絡建設和管理維護成本。本文首先介紹ETB網絡的拓撲特點，地址分配和路由機制。然后指出ETB標準只支持線性拓撲，無法滿足冗余性更好的環形ETB拓撲（以太網環）的組網需求。我們認為基于SDN的ETB管控可能是解決上述問題的途徑。
一、標準ETB網絡的拓撲特點
（1）線性拓撲結構
ETB標準IEC61375-2-5[1]中給出了支持冗余的ETB骨干拓撲結構，如圖1所示，所有的ETBN節點相連組成一個線性的ETB骨干拓撲，除了首尾ETBN節點外，每個中間ETBN交換節點都通過兩個全雙工以太網鏈路與其前后兩個方向的ETBN節點相連。任何兩個ETBN節點間的冗余雙鏈路采用以太網鏈路聚合機制捆綁使用。
圖1 列車網絡中的ETBN節點和以太網鏈路[1]
（2）ETBN ID和CN子網ID的分配
每列火車由多個車輛（consist）組成，每個車輛有出廠時設定的全球唯一的128位車輛標識（CSTUUID），在列車初運行時，TTDP (Train Topology Discovery Protocol，TTDP)協議比較列車首尾車輛的CSTUUID，將具有較小CSTUUID的車輛定義為車頭（top node），具有較大CSTUUID標識的車輛定義為車尾（bottomnode），如圖2所示。
然后按照車頭到車尾的順序為每個車輛中的ETBN和車輛網絡（ConsistNetwork）子網進行編號。
圖2 基于CSTUUID的列車參考方向確定[1]
根據CSTUUID確定列車頭尾和參考方向后，TTDP協議會從車頭開始，沿著車頭到車尾的順序（DIR2），根據每個車輛內部靜態配置的子網信息（如CN1，CN2，CN3）和ETBN信息，按照ID從小到大的順序，依次為每個子網分配一個6 比特的子網ID，為每個ETBN分配一個ETBN的ID，如圖3所示。
圖3 CN子網ID和ETBN ID的分配[1]
二、ETB網絡的地址分配與路由
（1）地址分配
ETB規范規定列車網絡使用IPv4保留的地址空間10.128.0.0/9，即地址高9位（31位到23位）為固定的000010101，定義IP地址的低23位為bbxssss.sshhhhhh.hhhhhhhh。其中bb=00標識列車控制系統（ICMS）網絡地址空間；bb=01為列車多媒體網絡地址空間，bb=10和11為保留地址空間；X為預留位，固定為0；假設以下只考慮列車控制系統網絡，因此該網絡中所有IP地址高12位固定為0000-1010-1000。
列車中分為由所有ETBN組成的ETB子網，以及每個車輛內部連接到ETBN的CN子網。其中ETB子網ID為000000，每個CN子網的subnet ID范圍是1-63，在初運行時由TTDP協議分配獲得。需要注意的是，列車網絡中每個子網的前綴長度都是18位。CN前綴與其subnet ID相關，舉例如下表所示。
一個典型的列車網絡地址分配和ETBN路由表如圖4所示，在初運行時，3個ETBN的ID被分配為5，6，7，三個CN子網的ID也被分配成5，6，7。每個ETBN需要兩個IP地址，一個是ETB子網側的IP地址，一個是連接本地CN子網的接口IP地址。
由于ETB規范定義ETBN在ETB側IP地址為10.128.0.x，其中x為ETBN的ID（為簡化，此處不考慮冗余IP地址）。因此三個ETBN在ETB子網中的IP地址分別為10.128.0.5/6/7。同理，三個CN子網的前綴分別為10.129.64.0/18，10.129.128.0/18和10.129.192.0/18。ETBN在本地CN側的地址使用CN的18位網絡前綴，設備ID通常設置為1，代表路由器接口。
圖4 列車網絡地址分配和ETBN路由表示例[1]
（2）基于ETBN的路由
圖4中還顯示了每個ETBN中的路由表片段。以7號ETBN為例，其中包含4個路由表項，分別顯示了到達不同子網需要經過的目的ETBN的IP地址。例如，07號ETBN發現分組的目的IP地址前綴等于10.129.64.0/18時，需要將分組發送到ETBN網關10.128.0.5.
三、環形ETB網絡拓撲的挑戰
（1）環形ETB拓撲的特點
由于環形拓撲具有更好的故障冗余能力，因此在保證先后車輛之間有兩條全雙工以太網鏈路不變的前提下（即ETB的物理層不需進行任何修改），通過打散兩條鏈路的聚合，將ETB網絡組成環狀網絡。例如王濤等人2015年在鐵道學報上提出了一種環狀的列車網絡架構[2]，如圖5所示。這樣在IP路由層面，任何兩個ETBN之間都存在兩條冗余的路由，而標準的線性拓撲只存在一條路由。
圖5 一種基于環形以太網的列車網絡[2]
近年來，一些為軌道交通提供核心通信設備的EKE公司，也推出了與圖5類似的支持環形以太網的列車ETB網絡解決方案[3]。
（2）環形ETB拓撲面臨的挑戰
ETB標準并不支持圖5所示拓撲，主要表現在兩點。
一是ETB鏈路層規范要求ETBN之間的多鏈路必須實現鏈路聚合功能，且對ETBN節點的三種配置（無源旁路、中間節點、端節點）無法實現單以太網鏈路旁路車輛的功能（見參考文獻[1]中的fugure29-32）；
二是ETB的TTDP協議不支持環形拓撲（見[1]的8.2.3 Assumptions），無法為環形連接的ETBN和對應的CN子網分配ETBN ID和CN子網ID，因此ETB規范的IP地址生成機制無法實現。
（3）基于SDN的ETB管控
我們發現，十多年前ETB標準制定時還沒有SDN技術。但目前SDN技術已經成熟，并且成功地在移動通信網絡、數據中心網絡和廣域互聯網中得到應用。基于SDN的工業互聯網基礎架構研究也逐漸成為熱點。因此，環形ETB網絡管理也可考慮借鑒SDN思想，主要理由包括如下幾點。
一是ETB網絡規模相對有限，地址分配規整，拓撲變化不大，適合SDN集中控制方式；二是ETB網絡需要快速的冗余路徑切換，而SDN的集中計算和統一流表下發的速度會優于目前TTDP采用了分布式計算方式；三是SDN集中控制可以與TSN的集中資源管理相結合，提升ETB網絡的集約設計水平。
我們將在后續的文章中對SDN在環形ETB網絡拓撲發現、地址分配和路由計算中的應用展開分析，提出并完善基于SDN的ETB環形組網實驗方案。
參考文獻
[1] Electronic railway equipment – Traincommunication network (TCN) – Part 2-5: Ethernet train backbone
[2] 王濤，王立德，周潔瓊等，基于交換式以太網的列車通信網絡實時性研究，鐵道學報，第３７卷第４期，２０１５年４月
[3]白皮書，智能列車技術，http://www.eke-electronics.com
