張 旭，馬 可

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；3 北京縱橫機(jī)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(shí)時(shí)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(huì)在數(shù)據(jù)量過大的時(shí)候帶來不確定性和時(shí)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(shí)時(shí)性，但是沒有解決以太網(wǎng)由硬件帶來的時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸［3］。

在已上線的動(dòng)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(shí)時(shí)的方法提升了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和確定性，但是沖突檢測(cè)和故障重傳等機(jī)制帶來的時(shí)延和不確定性依舊沒有解決［4］。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Networking，TSN）是一套可用于硬實(shí)時(shí)場(chǎng)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(zhǎng)傳輸音視頻等大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)流量。TSN 對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行了擴(kuò)展，利用優(yōu)先級(jí)調(diào)度機(jī)制、冗余機(jī)制、幀搶占機(jī)制等，將實(shí)時(shí)消息的延遲和抖動(dòng)控制在最低限度。文中針對(duì)基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的列車以太網(wǎng)通信技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 時(shí)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(shí)鐘同步、低時(shí)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(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇

TSN 通過高精度的時(shí)鐘同步、帶寬預(yù)留、流量整形、流量過濾與管理、幀搶占、時(shí)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(dòng)、低延遲的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)［7］。

下面將對(duì)部分協(xié)議的具體功能做簡(jiǎn)單介紹。

1.1 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的幀

TSN 是 一 項(xiàng)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(jìn)入TSN 網(wǎng)絡(luò)的幀都會(huì)被交換機(jī)打上VLAN 標(biāo)簽，利用TSN 的機(jī)制在網(wǎng)絡(luò)中傳播。幀的Priority 域?yàn)? 位，可以分為8 個(gè)優(yōu)先級(jí)，不同類型的業(yè)務(wù)流量會(huì)按照不同的優(yōu)先級(jí)緩存進(jìn)不同的隊(duì)列中，依據(jù)調(diào)度策略進(jìn)行調(diào)度。

圖2 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的幀格式

1.2 IEEE 802.1 AS 精確時(shí)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(shí)鐘同步協(xié)議（Precision Time Protocol，PTP）［9］，該協(xié)議規(guī)定，1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只能有1 個(gè)主節(jié)點(diǎn)（master），其余的終端（endpoint）全部作為從節(jié)點(diǎn)（slave），而交換機(jī)不能作為時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)，只能作為透明時(shí)鐘。

時(shí)間同步需要MAC 層的硬件支持，硬件中包含1 個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)一幀發(fā)出的時(shí)候，計(jì)數(shù)器會(huì)記錄此時(shí)的時(shí)間戳，利用Peer to Peer Delay 計(jì)算出傳輸過程的時(shí)延，計(jì)算過程如圖3 所示。

圖3 gPTP 頻率同步與傳輸時(shí)延測(cè)量

首先要對(duì)二者的時(shí)鐘頻率進(jìn)行同步。主機(jī)（master）會(huì)周期性地在T1發(fā)送Sync 報(bào)文，在接下來的某個(gè)時(shí)刻發(fā)送Follow_up 報(bào)文，其中記載了T1。從機(jī)（slave）能夠按照本地時(shí)鐘測(cè)量出收到Sync 報(bào)文的時(shí)間為T2。下一個(gè)周期，主機(jī)在T3發(fā)送Sync報(bào)文并在下一個(gè)Follow_up 報(bào)文將T3帶給從機(jī)，從機(jī)在T4時(shí)刻收到，此時(shí)就能計(jì)算出主機(jī)的時(shí)鐘頻率的比值R為式（1）：

接下來，從機(jī)發(fā)送PDelay_Req 報(bào)文，請(qǐng)求測(cè)量與主機(jī)延遲時(shí)間。該報(bào)文離開從機(jī)的物理層時(shí)，從機(jī)得到本地時(shí)鐘T5。PDelay_Req 報(bào)文到達(dá)主機(jī)物理層時(shí)，主機(jī)得到本地時(shí)鐘T6。主機(jī)隨后生成一 個(gè)PDelay_Resp 報(bào) 文，在T7時(shí) 刻，將T6發(fā) 送 給 從機(jī)，從機(jī)于T8時(shí)刻收到該報(bào)文。隨后，主機(jī)又在某一時(shí)刻生成PDelay_Resp_Follow_Up 報(bào)文，將T7發(fā)送給從機(jī)。這樣一來，從機(jī)就知道了T5-T8的4 個(gè)時(shí)間戳，然后利用式（2）計(jì)算延遲時(shí)間TDelay：

從機(jī)獲取了與主機(jī)的頻率比值R和到主機(jī)的延遲時(shí)間TDelay后，就能夠調(diào)節(jié)時(shí)間的頻率與相位，完成與主機(jī)的時(shí)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(duì)時(shí)延要求很高的數(shù)據(jù)流稱為定時(shí)流量（Scheduled Traffic，ST），這類數(shù)據(jù)流被延遲后可能導(dǎo)致比較嚴(yán)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(duì)實(shí)時(shí)性要求很低，但流量較大，且發(fā)生的時(shí)刻不可預(yù)測(cè)［10］。因此，IEEE 802.1 Qbv引入了門控調(diào)度機(jī)制，每個(gè)發(fā)送端口配置門控列表，根據(jù)門控列表從緩存隊(duì)列中選擇幀進(jìn)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(gè)優(yōu)先級(jí)不同的隊(duì)列，所有隊(duì)列都與一個(gè)時(shí)間敏感的Gate 相關(guān)聯(lián)，當(dāng)Gate 的狀態(tài)為“O（Open）”時(shí)，可以從此隊(duì)列中選擇幀進(jìn)行傳輸；當(dāng)Gate 的狀態(tài)為“C（Close）”時(shí)，不能從此隊(duì)列中選擇幀進(jìn)行傳輸。隊(duì)列狀態(tài)的變化由端口控制器維護(hù)的門控列表決定，門控列表可以按照一定周期、執(zhí)行隊(duì)列狀態(tài)的不同變化組合。其中，BE 流量的優(yōu)先級(jí)為最低。該機(jī)制可以為周期性的ST 流量創(chuàng)建一條獨(dú)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(shí)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(shí)時(shí)性、可靠性和安全性而設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(zhǎng)度小，采用周期性發(fā)送方式；消息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大，帶寬占用大，采用非周期發(fā)送方式，實(shí)時(shí)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(jìn)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(jìn)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(huì)完成通信，并將收到的數(shù)據(jù)匯報(bào)給應(yīng)用層。

TRDP 層會(huì)使用通信標(biāo)識(shí)符（Communication Identifier，ComID）作為協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit，PDU）的標(biāo)識(shí)符，包含在TRDP 報(bào)文頭部中。該標(biāo)識(shí)符和源地址（或者目標(biāo)地址）共同作用，表明了這個(gè)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(shí)時(shí)性要求高的過程數(shù)據(jù)采用UDP 通信，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性措施，依靠軟實(shí)時(shí)來提升網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性，沒有辦法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性、降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延抖動(dòng)。

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(duì)下層的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)功能，上層對(duì)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(jī)，并且在軟件上修改鏈路層協(xié)議，增加時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議，保證兼容性的同時(shí)，又能實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)方案

實(shí)現(xiàn)方案的程序框圖如圖7 所示。

圖7 實(shí)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(gè)，一是保證在確定的時(shí)間收發(fā)數(shù)據(jù)流；二是對(duì)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行流量預(yù)留和調(diào)度，保證其有很低的時(shí)延。這2 個(gè)工作的基礎(chǔ)來自于IEEE 802.1 AS 時(shí)間同步協(xié)議，時(shí)間同步能夠使網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備擁有相同的時(shí)間，這能夠保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)流的操作行為都是時(shí)間可控的，保證隊(duì)列的開閉、流量的控制與整形能夠按照同一周期和時(shí)刻進(jìn)行操作。

網(wǎng)絡(luò)上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)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(shí)間周期將不同類別的流量緩存進(jìn)特定的隊(duì)列，再執(zhí)行發(fā)送或者接收。此時(shí)，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(shí)為ST 流量，緩存進(jìn)ST 隊(duì)列，該隊(duì)列擁有最高優(yōu)先級(jí)；將消息數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)幀標(biāo)識(shí)為最低優(yōu)先級(jí)的BE 流量，緩存進(jìn)BE 隊(duì)列，依靠門控列表來決定傳輸?shù)臅r(shí)機(jī)，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(shí)鐘提供的時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)靜態(tài)調(diào)度表周期的開始時(shí)刻，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端和接收端的門控列表開始工作，提取這一時(shí)間段要開放的隊(duì)列，該隊(duì)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(shí)有消息數(shù)據(jù)發(fā)送至交換機(jī)中，該交換機(jī)中的門控列表中尚未到達(dá)消息數(shù)據(jù)的發(fā)送時(shí)間，則該流量會(huì)被緩存在交換機(jī)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(jī)1 和交換機(jī)2 同時(shí)開啟ST 隊(duì)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(huì)被緩存在交換機(jī)1 的緩存中，等待下次發(fā)送。

靜態(tài)調(diào)度表會(huì)在下一條門控指令執(zhí)行之前，關(guān)閉所有隊(duì)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(shí)，將會(huì)有其他隊(duì)列開始傳送，因此，每個(gè)周期的時(shí)間中，在傳輸過程數(shù)據(jù)時(shí)，總能保證傳輸路徑上沒有沖突且時(shí)延能被確定。

同理，在每個(gè)周期中，終端和交換機(jī)都會(huì)有一部分時(shí)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(shí)延、低抖動(dòng)的條件下完成傳輸。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 時(shí)間同步的驗(yàn)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(jī)和2 臺(tái)具有TSN 功能的交換機(jī)，使用RJ45 線連接成星型網(wǎng)絡(luò)，并在其中1 臺(tái)交換機(jī)上連接網(wǎng)絡(luò)分析儀，如圖11 所示。

在開發(fā)板和PC 機(jī)上運(yùn)行C 語言編寫的gPTP時(shí)鐘同步腳本，可以利用PC 機(jī)看到時(shí)間同步的結(jié)果，如圖12 所示。

圖12 中，“master offset”是從機(jī)時(shí)鐘落后主機(jī)時(shí)鐘的時(shí)間，單位是ns；“freq”是頻率的差值；“path delay”是傳輸時(shí)延，單位是ns?？梢钥闯?，運(yùn)行一段時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，從機(jī)與主機(jī)的時(shí)間偏差大約控制在±1 μs 以內(nèi)，傳輸時(shí)延也是穩(wěn)定的。

圖1 2 開發(fā)板與PC 機(jī)時(shí)間同步結(jié)果

圖1 1 TSN 功能試驗(yàn)設(shè)備

4.2 過程數(shù)據(jù)傳輸性能測(cè)試

將開發(fā)板用網(wǎng)線到PC 機(jī)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(gè)交換機(jī)中注入90% 帶寬的負(fù)載，視為消息數(shù)據(jù)。 執(zhí)行IEEE 802.3 Qbv 腳本，將門控隊(duì)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(yùn)行WireShark 進(jìn)行抓包分析，4 種過程數(shù)據(jù)到達(dá)終端的時(shí)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(cè)試

可以看出，在大量消息數(shù)據(jù)負(fù)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(yàn)，周期最短的牽引、制動(dòng)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(dá)512 ms，因此對(duì)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(shí)延和符合要求的實(shí)時(shí)性。

5 結(jié) 語

對(duì)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)在列車網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，簡(jiǎn)述了時(shí)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(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)的可融合性。提出了時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)與TRDP 協(xié)議的融合方案與工作機(jī)制，并進(jìn)行了評(píng)估與測(cè)試，驗(yàn)證了時(shí)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(yàn)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(shí)延抖動(dòng)控制在±10 ms 以內(nèi)，使列車以太網(wǎng)通信技術(shù)的實(shí)時(shí)性和確定性將會(huì)得到更好的保障。