基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)的列車以太網(wǎng)通信技術(shù)研究

張 旭，馬 可

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；3 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094）

在列車以太網(wǎng)通信技術(shù)中，數(shù)據(jù)通信的實時性保障有3 種，一是修改CSMA/CD 協(xié)議，如RTCSMA/CD 協(xié) 議、CSMA/DCR 協(xié)議等［1］，但這樣會在數(shù)據(jù)量過大的時候帶來不確定性和時延；二是保留完整的以太網(wǎng)鏈路層，修改以太網(wǎng)的傳輸層，能夠從軟件層面提升網(wǎng)絡(luò)的實時性，但是沒有解決以太網(wǎng)由硬件帶來的時延和不確定性［2］；三是在MAC 層增加一套控制協(xié)議，這種做法盡管犧牲了以太網(wǎng)的通用性，但是能夠?qū)崿F(xiàn)精確到亞微秒的硬實時數(shù)據(jù)傳輸［3］。

在已上線的動車組列車中，通信協(xié)議保留了以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層，在傳輸層以上增加了TRDP協(xié)議，該協(xié)議由IEC 61375-2-3 定義，利用軟實時的方法提升了網(wǎng)絡(luò)的實時性和確定性，但是沖突檢測和故障重傳等機制帶來的時延和不確定性依舊沒有解決［4］。

時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN）是一套可用于硬實時場合的協(xié)議簇，其前身是2005 年問世的音視頻橋接技術(shù)（Audio Video Bridging，AVB）［5］，擅長傳輸音視頻等大數(shù)據(jù)實時流量。TSN 對以太網(wǎng)進行了擴展，利用優(yōu)先級調(diào)度機制、冗余機制、幀搶占機制等，將實時消息的延遲和抖動控制在最低限度。文中針對基于時間敏感網(wǎng)絡(luò)的列車以太網(wǎng)通信技術(shù)進行了研究。

1 時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)介紹

TSN 協(xié)議主要工作在MAC 層，按照其功能可以分為時鐘同步、低時延、可靠性保證、資源預(yù)留4種［6］。每種功能相關(guān)協(xié)議如圖1 所示。

圖1 時間敏感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇

TSN 通過高精度的時鐘同步、帶寬預(yù)留、流量整形、流量過濾與管理、幀搶占、時間感知調(diào)度、無縫冗余等技術(shù)，使傳統(tǒng)以太網(wǎng)發(fā)展為高確定性、低抖動、低延遲的實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)［7］。

下面將對部分協(xié)議的具體功能做簡單介紹。

1.1 時間敏感網(wǎng)絡(luò)的幀

TSN 是 一 項VLAN 技 術(shù)，工 作 在MAC 層，采用的幀格式是IEEE 802.1Q 的幀格式，包含VLAN Tag 標(biāo)簽［8］，如圖2 所示。進入TSN 網(wǎng)絡(luò)的幀都會被交換機打上VLAN 標(biāo)簽，利用TSN 的機制在網(wǎng)絡(luò)中傳播。幀的Priority 域為3 位，可以分為8 個優(yōu)先級，不同類型的業(yè)務(wù)流量會按照不同的優(yōu)先級緩存進不同的隊列中，依據(jù)調(diào)度策略進行調(diào)度。

圖2 時間敏感網(wǎng)絡(luò)的幀格式

1.2 IEEE 802.1 AS 精確時間同步協(xié)議

IEEE 802.1 AS 協(xié)議衍生自IEEE 1588 定義的精準(zhǔn)時鐘同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）［9］，該協(xié)議規(guī)定，1 個網(wǎng)絡(luò)中只能有1 個主節(jié)點（master），其余的終端（endpoint）全部作為從節(jié)點（slave），而交換機不能作為時鐘節(jié)點，只能作為透明時鐘。

時間同步需要MAC 層的硬件支持，硬件中包含1 個計數(shù)器，當(dāng)一幀發(fā)出的時候，計數(shù)器會記錄此時的時間戳，利用Peer to Peer Delay 計算出傳輸過程的時延，計算過程如圖3 所示。

圖3 gPTP 頻率同步與傳輸時延測量

首先要對二者的時鐘頻率進行同步。主機（master）會周期性地在T1發(fā)送Sync 報文，在接下來的某個時刻發(fā)送Follow_up 報文，其中記載了T1。從機（slave）能夠按照本地時鐘測量出收到Sync 報文的時間為T2。下一個周期，主機在T3發(fā)送Sync報文并在下一個Follow_up 報文將T3帶給從機，從機在T4時刻收到，此時就能計算出主機的時鐘頻率的比值R為式（1）：

接下來，從機發(fā)送PDelay_Req 報文，請求測量與主機延遲時間。該報文離開從機的物理層時，從機得到本地時鐘T5。PDelay_Req 報文到達主機物理層時，主機得到本地時鐘T6。主機隨后生成一 個PDelay_Resp 報 文，在T7時 刻，將T6發(fā) 送 給 從機，從機于T8時刻收到該報文。隨后，主機又在某一時刻生成PDelay_Resp_Follow_Up 報文，將T7發(fā)送給從機。這樣一來，從機就知道了T5-T8的4 個時間戳，然后利用式（2）計算延遲時間TDelay：

從機獲取了與主機的頻率比值R和到主機的延遲時間TDelay后，就能夠調(diào)節(jié)時間的頻率與相位，完成與主機的時間同步。

1.3 IEEE 802.1 Qbv 門控調(diào)度協(xié)議

在IEEE 802.1 Qbv 協(xié)議中，對時延要求很高的數(shù)據(jù)流稱為定時流量（Scheduled Traffic，ST），這類數(shù)據(jù)流被延遲后可能導(dǎo)致比較嚴重的系統(tǒng)故障；其余數(shù)據(jù)流被稱為“盡力而為”流量（Best Effort，BE），這類數(shù)據(jù)對實時性要求很低，但流量較大，且發(fā)生的時刻不可預(yù)測［10］。因此，IEEE 802.1 Qbv引入了門控調(diào)度機制，每個發(fā)送端口配置門控列表，根據(jù)門控列表從緩存隊列中選擇幀進行傳輸，如圖4 所示。

圖4 門控調(diào)度示意圖

流量可按照以太網(wǎng)幀中的Priority 域分為8 個優(yōu)先級不同的隊列，所有隊列都與一個時間敏感的Gate 相關(guān)聯(lián)，當(dāng)Gate 的狀態(tài)為“O（Open）”時，可以從此隊列中選擇幀進行傳輸；當(dāng)Gate 的狀態(tài)為“C（Close）”時，不能從此隊列中選擇幀進行傳輸。隊列狀態(tài)的變化由端口控制器維護的門控列表決定，門控列表可以按照一定周期、執(zhí)行隊列狀態(tài)的不同變化組合。其中，BE 流量的優(yōu)先級為最低。該機制可以為周期性的ST 流量創(chuàng)建一條獨享的無沖突通道，在大量BE 數(shù)據(jù)流的背景下，ST 數(shù)據(jù)流的傳輸時延仍舊可以確定。

2 TRDP 與TSN 融合協(xié)議棧的架構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)的TRDP 協(xié)議

TRDP 協(xié)議棧是為了保證在列車通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有實時性、可靠性和安全性而設(shè)計的，以標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議棧為基礎(chǔ)，采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)硬件以及標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP 協(xié)議，在傳輸層和應(yīng)用層之間添加了TRDP 層［11］，如圖5 所示。

圖5 TRDP 協(xié)議棧

IEC 61375 中規(guī)定，在TRDP 協(xié)議中，列車的實時數(shù)據(jù)主要有2 種，一種為過程數(shù)據(jù)（Process Data）；一種為消息數(shù)據(jù)（Message Data）。過程數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)長度小，采用周期性發(fā)送方式；消息數(shù)據(jù)長度大，帶寬占用大，采用非周期發(fā)送方式，實時性要求低。因此，TRDP 協(xié)議將過程數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)分別進行調(diào)度傳輸。

TRDP 應(yīng)用層由TRDP 層提供過程數(shù)據(jù)與消息數(shù)據(jù)的通信服務(wù)，應(yīng)用層與TRDP 層之間利用服務(wù)原語進行交互，應(yīng)用層只需要提供需要發(fā)送的數(shù)據(jù)并設(shè)置發(fā)送參數(shù)，TRDP 層就會完成通信，并將收到的數(shù)據(jù)匯報給應(yīng)用層。

TRDP 層會使用通信標(biāo)識符（Communication Identifier，ComID）作為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）的標(biāo)識符，包含在TRDP 報文頭部中。該標(biāo)識符和源地址（或者目標(biāo)地址）共同作用，表明了這個數(shù)據(jù)流的唯一身份。

TRDP 層需要傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層提供Socket 服務(wù)。TRDP 使用的Socket 分為TCP 和UDP 這2 種，實時性要求高的過程數(shù)據(jù)采用UDP 通信，實時性要求低的消息數(shù)據(jù)采用TCP/UDP 通信。TRDP 的Socket 通信與傳統(tǒng)TCP/UDP 基本一致。

2.2 TRDP 協(xié)議與TSN 協(xié)議的融合

TRDP 協(xié)議僅在上層采用實時性措施，依靠軟實時來提升網(wǎng)絡(luò)實時性，沒有辦法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性、降低網(wǎng)絡(luò)時延抖動。

為了兼容標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議棧，TRDP 層提供了數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)接口。該協(xié)議棧的每一層都通過對下層的調(diào)用來實現(xiàn)功能，上層對下層完全透明。因此可以采用專門的以太網(wǎng)硬件，包括以太網(wǎng)卡和交換機，并且在軟件上修改鏈路層協(xié)議，增加時間敏感網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議，保證兼容性的同時，又能實現(xiàn)很強的實時性和確定性。

形成的新協(xié)議棧如圖6 所示。

圖6 融合了TSN 協(xié)議之后的協(xié)議棧

3 實現(xiàn)方案

實現(xiàn)方案的程序框圖如圖7 所示。

圖7 實現(xiàn)方案的程序框圖

TSN 協(xié)議工作在數(shù)據(jù)鏈路層中，在協(xié)議棧中的主要目的有2 個，一是保證在確定的時間收發(fā)數(shù)據(jù)流；二是對過程數(shù)據(jù)進行流量預(yù)留和調(diào)度，保證其有很低的時延。這2 個工作的基礎(chǔ)來自于IEEE 802.1 AS 時間同步協(xié)議，時間同步能夠使網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備擁有相同的時間，這能夠保證各個節(jié)點對數(shù)據(jù)流的操作行為都是時間可控的，保證隊列的開閉、流量的控制與整形能夠按照同一周期和時刻進行操作。

網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點時間同步完成之后，IEEE 802.1 Qbv 協(xié)議支持依靠門控列表，按照不同的時間周期將不同類別的流量緩存進特定的隊列，再執(zhí)行發(fā)送或者接收。此時，可以依據(jù)ComID 和源地址（或目標(biāo)地址）的不同，將過程數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)幀標(biāo)識為ST 流量，緩存進ST 隊列，該隊列擁有最高優(yōu)先級；將消息數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)幀標(biāo)識為最低優(yōu)先級的BE 流量，緩存進BE 隊列，依靠門控列表來決定傳輸?shù)臅r機，如圖8 所示。

圖8 ST 流量和BE 流量的門控調(diào)度

當(dāng)硬件時鐘提供的時鐘信號到達靜態(tài)調(diào)度表周期的開始時刻，各個節(jié)點的發(fā)送端和接收端的門控列表開始工作，提取這一時間段要開放的隊列，該隊列中的過程數(shù)據(jù)從發(fā)送端的緩存中讀取出來，立刻發(fā)送到接收端。若此時有消息數(shù)據(jù)發(fā)送至交換機中，該交換機中的門控列表中尚未到達消息數(shù)據(jù)的發(fā)送時間，則該流量會被緩存在交換機中，等待下次發(fā)送，如圖9 所示。

圖9 過程數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳送

交換機1 和交換機2 同時開啟ST 隊列的門，因此終端1 可以將過程數(shù)據(jù)暢通地發(fā)送至終端2，而終端3 的消息數(shù)據(jù)則會被緩存在交換機1 的緩存中，等待下次發(fā)送。

靜態(tài)調(diào)度表會在下一條門控指令執(zhí)行之前，關(guān)閉所有隊列，防止未傳輸完畢的數(shù)據(jù)流影響即將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流而發(fā)生阻塞。下一條門控指令執(zhí)行時，將會有其他隊列開始傳送，因此，每個周期的時間中，在傳輸過程數(shù)據(jù)時，總能保證傳輸路徑上沒有沖突且時延能被確定。

同理，在每個周期中，終端和交換機都會有一部分時間提供給消息數(shù)據(jù)傳輸，傳輸方式跟傳統(tǒng)的以太網(wǎng)沒有任何區(qū)別，如圖10 所示。

圖1 0 消息數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳送

這樣一來，TRDP 中消息數(shù)據(jù)和不同周期的過程數(shù)據(jù)就能在確定性、低時延、低抖動的條件下完成傳輸。

4 試驗驗證

4.1 時間同步的驗證

采用一塊ARM 架構(gòu)的開發(fā)板、搭載Ubuntu 18.04 系統(tǒng)的PC 機和2 臺具有TSN 功能的交換機，使用RJ45 線連接成星型網(wǎng)絡(luò)，并在其中1 臺交換機上連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖11 所示。

在開發(fā)板和PC 機上運行C 語言編寫的gPTP時鐘同步腳本，可以利用PC 機看到時間同步的結(jié)果，如圖12 所示。

圖12 中，“master offset”是從機時鐘落后主機時鐘的時間，單位是ns；“freq”是頻率的差值；“path delay”是傳輸時延，單位是ns。可以看出，運行一段時間達到穩(wěn)態(tài)后，從機與主機的時間偏差大約控制在±1 μs 以內(nèi)，傳輸時延也是穩(wěn)定的。

圖1 2 開發(fā)板與PC 機時間同步結(jié)果

圖1 1 TSN 功能試驗設(shè)備

4.2 過程數(shù)據(jù)傳輸性能測試

將開發(fā)板用網(wǎng)線到PC 機上，在開發(fā)板上生成周期性傳輸?shù)?28 種過程數(shù)據(jù)，ComID 分別為10 000～10 127。其中，ComID 為10 000～10 031 的過程數(shù)據(jù)發(fā)送周期為15 ms，10 032～10 063 的過程數(shù)據(jù)發(fā)送周期為60 ms，10 064～10 095 的過程數(shù)據(jù)發(fā)送周期為100 ms，10 096～10 127 的過程數(shù)據(jù)發(fā)送周期為250 ms。

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀向其中一個交換機中注入90% 帶寬的負載，視為消息數(shù)據(jù)。 執(zhí)行IEEE 802.3 Qbv 腳本，將門控隊列的周期設(shè)置20 ms，在這20 ms 內(nèi)，有15 ms 傳輸過程數(shù)據(jù)，有5 ms 傳輸消息數(shù)據(jù)。

在網(wǎng)絡(luò)分析儀上運行WireShark 進行抓包分析，4 種過程數(shù)據(jù)到達終端的時間周期如圖13所示。

圖1 3 4 種過程數(shù)據(jù)的發(fā)送周期測試

可以看出，在大量消息數(shù)據(jù)負載的情況下，過程數(shù)據(jù)的接收周期與預(yù)設(shè)的發(fā)送周期的誤差在±10 μs 以內(nèi)。在高速列車上，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕?jīng)驗，周期最短的牽引、制動等數(shù)據(jù)的傳送周期在20～32 ms 左右，空調(diào)、照明等數(shù)據(jù)的傳送周期可達512 ms，因此對于不同周期的過程數(shù)據(jù)，TSN 技術(shù)可以保證其擁有確定的時延和符合要求的實時性。

5 結(jié) 語

對時間敏感網(wǎng)絡(luò)在列車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進行了研究，簡述了時間敏感網(wǎng)絡(luò)的部分關(guān)鍵技術(shù)，并分析了TRDP 協(xié)議與時間敏感網(wǎng)絡(luò)的可融合性。提出了時間敏感網(wǎng)絡(luò)與TRDP 協(xié)議的融合方案與工作機制，并進行了評估與測試，驗證了時間敏感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于列車以太網(wǎng)通信的可行性。試驗表明，TSN 協(xié)議的使用，能夠在大量非TRDP 流量的背景下，將TRDP 流量的時延抖動控制在±10 ms 以內(nèi)，使列車以太網(wǎng)通信技術(shù)的實時性和確定性將會得到更好的保障。