以太列車骨干網在復興號動車組中的應用

蘇錚

摘要：隨著我國高速鐵路建設的飛速發展，傳統列車控制網絡技術，如列車通信網絡（TCN）、絞線式列車總線（WTB）、多功能車輛總線（MVB）、控制器局域網（CAN）等都已無法滿足高速列車日益發展的需求，為此，迫切需要開發新型的列車控制網絡技術。以太列車骨干網（ethernettrainbackbone，ETB）技術的誕生，可以滿足高速列車網絡控制技術的需求。

關鍵詞：以太列車骨干網；復興號；動車組；應用

1以太列車骨干網構架

以太網是當今現有局域網普遍采用的通信網絡。以太網局域內所有計算機被連接在一條同軸電纜上，具有沖突檢測的載波感應多處訪問方法，采用競爭機制和總線拓撲結構。以太網由共享傳輸媒體，如雙絞線電纜或同軸電纜和多端口集線器、網橋或交換機構成。采用現代工業以太網替代傳統的TCN等網絡來組成列車網絡和車輛網絡，具有通信速率高、實時性強、互操作性好等優點，徹底解決了TCN等網絡存在的帶寬窄、速率低、互操作性差等缺點。

以太列車骨干網即列車以太骨干網絡，是由國際電工委員會標準IEC61375-2-5《Electronicrailwayequipment--Traincommunicationnetwork（TCN）--Part2-5：Ethernettrainbackbone》規定的一種基于以太網技術的列車級通信網絡。該標準同時規定了列車不同種類網絡系統的互用性和開放性。ETB技術基于TCP/IP協議中ISO-OSI模型的1～4層技術和IEEE802.3以太網技術，規定了列車以太骨干網絡傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層，以及網絡通信的服務質量、數據結構和冗余定義等。列車通信網絡最終由一條列車以太骨干網絡連接起來，其穩定性和安全性直接決定了列車是否能夠正常運行。

2復興號動車組網絡拓撲結構

復興號動車組為8輛編組，采用4動4拖編組方式，每4輛車為1個牽引單元，具體編組為：Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc。動車組網絡控制系統的列車總線采用WTB，車輛總線采用MVB，同時布設以太網，用于列車監控、軟件上傳和數據的下載解析。

2.1子系統組網設置正確性檢查

車輛的各個設備，在整個通信網絡層面相當于各個子系統，都有自己的IP地址和MAC地址。IP地址是車輛設備唯一的動態地址，通過SoftPerfectNetworkScanner軟件進行掃描測試，可將整列車所有MVB連接設備的IP地址都掃描出來。例如，IP地址為10.1.1.202，代表此設備已經連入了以太網，可以通過以太網進行監控和傳輸。

2.2動車組初運行

動車組初運行時基于一個特殊的協議：列車拓撲發現協議（TTDP）。所有的ETBNs（多個以太列車骨干網節點）都需要執行TTDP。動車組初運行時需要為每一個組成網址節點（子網號）及每一個以太列車骨干網節點配置一個標識號。子網號和列車骨干網節點號用于建立列車IP地址映射、列車路由定義、網絡地址轉換規則及終端設備命名等。TTDP的主要目標是計算出這些標識符，而為了計算確定這些標識符，TTDP構建了兩類拓撲結構，即物理拓撲和邏輯拓撲。（1）物理拓撲：用于生成以太列車骨干網節點的順序和導向列表；列車物理拓撲在連通性列表中被定義。物理拓撲總是隨著連接到以太列車骨干網的節點數目的改變而更新。（2）邏輯拓撲：用于生成列車子網的順序和導向列表；列車邏輯拓撲在列車網絡目錄中被定義。邏輯拓撲包含了“子網號”和“以太網列車骨干網節點號”。動車組初運行進程遵循以下規則：（1）具有最低編組UUID（universallyuniqueidentifier）的編組內，以太列車骨干網節點（ETBN）的末端節點，被稱為ETBN的頂節點。（2）如果列車只有唯一編組，ETBN的頂節點是靜態確定的，頂節點地址“ETBNID”取值為1。（3）ETBNs在ETB參考方向2時升序定義為2，最后一個被確定的ETBN是ETB的底節點。（4）ETB的參考方向總是指向ETBN頂節點。

動車組初運行過程應當在所有ETBN上運行，其過程如下：（1）發現和監視ETB成員的運行狀態。發現拓撲過程一直保持激活狀態，TOPOLOGY報文從每一個ETBN由多播發送到其他節點，因此，ETBN交換機轉發列表要隨每一次傳輸不斷更新。（2）與列車應用程序通告并協商拓撲結構。如沒有應用程序的確認，則無法添加任何行為。（3）在應用程序確認之后，列車的邏輯拓撲被用來參考以建立列車IP映圖和更新網絡服務。列車的終端設備（EDs）將被通告最新被認可的拓撲。列車ETB端點的端口被設為阻塞狀態（discardingstate），只有HELLO報文（IEEE802.3管理幀）能被發送（使用管理MAC地址），以發現預期的重聯。拓撲的穩定性基于循環冗余校驗碼（CRC）的計算。當所有的CRC（本地的和從其他ETBN接收到的）一致時，所有的ETBN分享相同的拓撲結構。

2.3ETBNs成員發現

2.3.1內部成員發現：

每一個ETBN不斷地嘗試探測ETB上其他的ETBNs。為了檢測其余的ETBNs，每一個ETBN周期性地發送一個數據鏈路層多播幀去其余的ETBNs。這個幀被命名為TTDPTOPOLOGY幀。在ETB的兩個方向上，鏈路聚合組被用于發送TTDPTOPOLOGY幀。當接收到TTDPTOPOLOGY幀，ETBN應該在交換機轉發列表中尋找幀的源MAC地址，用來探測這個幀是來自于目錄DIR1還是目錄DIR2。當ETBN從未接收到幀，則說明在ETB上ETBN是唯一的，在一個超時后將會聲明穩定性。在一個超時后，沒有接收到一個特定ETBN的幀，則說明特定的ETBN消失。兩種不同的工具用來建立：①連通性列表“連通性矢量”字段；②“ETBN矢量”字段。

2.3.2外部成員探測：

一旦拓撲被列車應用程序認可，“InaugInhibition”標志位是“True”時，列車末端ETB的以太網端口被設置為丟棄狀態；只有管理幀（參考它們的目的MAC地址）被允許通過（如TTDPHELLO幀），而TTDPTOPOLOGY幀被禁止。例如，在列車重聯/ETB延長時，新的外部ETB成員將由周期性交換的幀檢測。這個消息被命名為TTDPHELLO幀。當列車應用程序允許一個新的ETB初運行，新的成員將被添加到ETB拓撲。這個幀相當小，它們會被配置較高的發送頻率，因此能夠對其余的ETBN出現或消失有較快的響應。

2.3.3交換機端口狀態處理：

根據列車初運行狀態和成員探測，處理ETBN交換機端口狀態。尤其是描述一個末端節點如何從丟棄狀態轉換為轉發狀態。

2.3.4ETB分享：

ETB線路狀態由TTDPTOPOLOGY幀發出，被所有的ETBN分享。每一個ETBN根據從它的端口接收到的TTDPHELLO幀計算出它的線路狀態。

結論

列車骨干網在復興號動車組的應用，是高速動車組的一個突破，打破了常規的TCN、WTB、MVB及CAN的構架，使得車輛控制更為方便與快捷，并可以準確、實時地監控列車狀態。

參考文獻

[1]翟雅萌，劉曉東，田麗，李超.基于以太網的列車骨干網數據傳輸技術研究[J].工業控制計算機，2017，30（05）：3-5.

[2]李元軒，高楓，孔元，趙紅衛.基于以太網的列車骨干網性能研究[J].鐵道機車車輛，2015，35（06）：11-14+18.

（作者單位：北京鐵路集團天津動車客車段天津動車所）