時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)及其在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用探討

董 衡，王 嬋

（湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司，湖南 長沙 410005）

0 引言

當(dāng)前，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（time sensitive network,TSN）被普遍認(rèn)為是下一代網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向。目前TSN協(xié)議簇已經(jīng)基本趨于完備，技術(shù)趨于成熟[1]。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的“盡力而為”傳輸，TSN可為網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)傳輸提供確定性的時(shí)延。軌道交通信號(hào)系統(tǒng)需要傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)種類較多，且各業(yè)務(wù)傳輸性能指標(biāo)要求差別較大。面對(duì)這種情況，目前軌道交通信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際項(xiàng)目中通常采用劃分多個(gè)虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network，VLAN)方式來傳輸不同的業(yè)務(wù)，但是這種方法不能滿足一些業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延確定性的要求；若直接采用多張物理網(wǎng)絡(luò)方式分開進(jìn)行傳輸各類不同業(yè)務(wù)，又會(huì)造成項(xiàng)目成本的大幅增加。如果將TSN引入到軌道交通數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中，以解決各類業(yè)務(wù)統(tǒng)一傳輸?shù)膯栴}，則不僅能保證各類業(yè)務(wù)傳輸性能，還將大大降低組網(wǎng)成本。

1 TSN技術(shù)簡介

通用以太網(wǎng)是一種共享介質(zhì)類型的網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)中，不同來源的業(yè)務(wù)流量被傳輸并共享相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備均可隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，而廣播數(shù)據(jù)或視頻等大規(guī)模數(shù)據(jù)的傳輸會(huì)造成數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)間方面既不精準(zhǔn)也不確定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓?？梢姡ㄓ靡蕴W(wǎng)技術(shù)的共享網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)連接方式無法滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性要求。

TSN是一種在傳統(tǒng)以太網(wǎng)上提供確定性信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，其最根本的目標(biāo)在于提供一種方法來確保信息在一個(gè)確定、可預(yù)測(cè)的時(shí)間范圍內(nèi)從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802工作組對(duì)TSN的描述是能夠提供具有有界低延時(shí)、低抖動(dòng)、極低數(shù)據(jù)丟包率的數(shù)據(jù)傳輸能力，因此其主要特性包括[2]：

（1）在運(yùn)行應(yīng)用和控制應(yīng)用的設(shè)備上維持端到端的時(shí)間同步；

（2）通過多種調(diào)度和管理機(jī)制提供有界低延時(shí)，以達(dá)到零丟包率目的；

（3）通過時(shí)間同步和數(shù)據(jù)流調(diào)度機(jī)制減少數(shù)據(jù)傳輸過程的抖動(dòng)；

（4）通過數(shù)據(jù)幀復(fù)制、主從時(shí)間源等機(jī)制提供網(wǎng)絡(luò)的高可用性，同時(shí)TSN支持需求迥異的多種負(fù)載的同時(shí)傳輸；

（5）通過標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)的應(yīng)用，能兼容不同應(yīng)用場(chǎng)景和既有協(xié)議。

TSN技術(shù)不是一個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而是由一簇工作在介質(zhì)訪問控制(medium access control, MAC)層的協(xié)議組成。在這些協(xié)議的支持下，一方面TSN能夠確保交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，另一方面時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流和非時(shí)間敏感數(shù)據(jù)流能夠在同一網(wǎng)絡(luò)中混合傳輸，非關(guān)鍵負(fù)載的并行傳輸不會(huì)影響到關(guān)鍵負(fù)載的傳輸時(shí)延。值得一提的是，TSN使得多個(gè)上層協(xié)議的實(shí)時(shí)負(fù)載能夠在網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)傳輸，網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤能夠被快速分析和修復(fù)。在以太網(wǎng)音視頻橋接技術(shù)(audio video bridging, AVB)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，IEEE隨后研究并發(fā)布了一系列TSN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1所示。

表1 TSN相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Protocols of TSN

雖然TSN的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)眾多，但是其核心機(jī)制主要由時(shí)鐘同步協(xié)議（IEEE 802.1AS）、基于時(shí)間喚醒機(jī)制隊(duì)列和轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（IEEE 802.1Qbv）、幀搶占策略（IEEE 802.1Qbu/IEEE 802.3br）和網(wǎng)絡(luò)配置（IEEE 802.1 Qcc）構(gòu)成[3]。

2 TSN在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用

TSN不僅可為信息傳輸提供確定的時(shí)延，而且可保證各種總線之間的兼容性和互操作性，因此能很好地實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間實(shí)時(shí)、確定且可靠的數(shù)據(jù)傳輸。最初，人們?yōu)榱藵M足音視頻的傳輸需求，對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行了協(xié)議擴(kuò)充，形成了AVB技術(shù)，為音視頻傳輸提供保障；如今，在AVB的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的TSN技術(shù)，可以滿足工業(yè)制造、汽車行業(yè)等領(lǐng)域?qū)Χ嘣O(shè)備之間數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)囊蟆?/p>

目前TSN協(xié)議簇已基本完備，技術(shù)趨于成熟，主流網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商紛紛進(jìn)入產(chǎn)品或者方案研發(fā)階段[4]。通信設(shè)備制造商，如華為公司、思科公司等，對(duì)TSN極為關(guān)注，均投入了力量并研發(fā)出了TSN交換機(jī)和相應(yīng)的TSN測(cè)試床[5]。另外，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的應(yīng)用廠家也極為關(guān)注TSN技術(shù)，如在汽車行業(yè)，廣汽集團(tuán)正在研發(fā)基于TSN的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)；在制造領(lǐng)域，三菱工廠與摩莎公司合作，開發(fā)了工廠生產(chǎn)線的TSN試驗(yàn)線；在網(wǎng)絡(luò)測(cè)試領(lǐng)域，思博倫通信公司已有支持TSN測(cè)試的成熟設(shè)備；在芯片領(lǐng)域，美國博通公司已有對(duì)TSN支持的芯片，國內(nèi)相關(guān)廠家也在對(duì)TSN芯片進(jìn)行研發(fā)?？梢灶A(yù)見，TSN將成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)之一。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，在有機(jī)器人操作的工廠生產(chǎn)線上，TSN的應(yīng)用能夠極大地提升操作的靈活性。華為公司TSN產(chǎn)品已被應(yīng)用于機(jī)器視覺系統(tǒng)智能制造TSN模擬示范產(chǎn)線，其通過視覺系統(tǒng)與兩個(gè)機(jī)器手臂間的高速協(xié)同進(jìn)行充電寶產(chǎn)品的裝配?？梢?，采用TSN技術(shù)的高速協(xié)同自動(dòng)化可為制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和檢測(cè)提供可靠的技術(shù)方案，以幫助企業(yè)提質(zhì)增效，緩解用工難的問題。另一方面，在2018年的德國漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上，由Avnu聯(lián)盟、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟AII、邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟ECC、華為公司、施耐德電氣公司、國家儀器公司、貝加萊公司、TTTech公司等20余家知名組織和廠商發(fā)布了TSN+OPC UA的智能制造測(cè)試床[6]。測(cè)試床融合了TSN和OPC UA技術(shù)，提高了工業(yè)設(shè)備的通用性。

在汽車車載網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，近年來智能交通逐漸走進(jìn)人們的視線，車上部署的攝像頭和傳感器等設(shè)備的數(shù)量越來越多，CAN和Flexray等[7]傳統(tǒng)總線方式已無法滿足日益增加的帶寬需求。而TSN技術(shù)憑借其高靈活性和強(qiáng)拓展性已逐漸成為一個(gè)新的技術(shù)解決方案。將TSN作為通用的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，不僅可以簡化車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時(shí)還可保證時(shí)延和帶寬。目前支持TSN的車載設(shè)備逐漸上市，如Marvell公司推出了一款8端口、高安全性車載千兆網(wǎng)絡(luò)交換芯片，命名型號(hào)為88Q5050，它支持TSN協(xié)議簇中的IEEE 802.1Qav和IEEE 802.1Qbv功能；博通公司也發(fā)布了支持IEEE 802.1AS, IEEE 802.1Qbv, IEEE 802.1Qav和IEEE 802.1Qci等協(xié)議的BMC 5316x系列交換芯片，其目標(biāo)市場(chǎng)是無人車、無人機(jī)和L3級(jí)的無人駕駛系統(tǒng)[8]。

3 TSN在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用探討

隨著城市化發(fā)展進(jìn)程的加快，軌道交通在交通運(yùn)輸領(lǐng)域中的地位日益提升。城市軌道交通通信系統(tǒng)控制著具有運(yùn)營指揮、傳遞信息和服務(wù)乘客等功能的信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，需要具有可靠性、平穩(wěn)性和傳遞內(nèi)容的多樣性[9]。因此合理地規(guī)劃設(shè)計(jì)軌道交通通信系統(tǒng)，不僅能夠滿足正常運(yùn)營需求，還可以降低投入成本。

3.1 軌道交通數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)概述

城市軌道交通基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(communication based train control，CBTC)，其網(wǎng)絡(luò)部分被稱為數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)(data communication subsystem，DCS)[10]，包括地面有線網(wǎng)和車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)（圖1）。DCS網(wǎng)絡(luò)采用冗余雙網(wǎng)（A網(wǎng)和B網(wǎng)）設(shè)計(jì)，兩張網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立，互不影響[11]。DCS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要承載綜合業(yè)務(wù)，其中CBTC信息、緊急文本信息及視頻監(jiān)控信息等直接影響城市軌道交通運(yùn)營安全，因此對(duì)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性有很高的要求，且視頻監(jiān)控信息還要求滿足一定的傳輸帶寬[12]。

圖1 DCS網(wǎng)絡(luò)綜合承載結(jié)構(gòu)Fig.1 Synthetic carrying structure of DCS network

針對(duì)CBTC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳輸業(yè)務(wù)種類較多且各業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸性能要求不同的問題，目前業(yè)界普遍采用A/B雙網(wǎng)冗余架構(gòu)，其中A網(wǎng)單獨(dú)用于CBTC業(yè)務(wù)的承載，B網(wǎng)用于CBTC業(yè)務(wù)的備份并傳輸語音、CCTV等其他業(yè)務(wù)。DCS系統(tǒng)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)及需求如表2所示[13]?？梢钥闯觯珼CS系統(tǒng)需要傳輸?shù)男畔⒎N類較多。為了保證信息傳輸?shù)男Ч?，各類信息不在同一張網(wǎng)絡(luò)中傳輸，因而網(wǎng)絡(luò)建造成本較高。

表2 軌道交通通信需求Tab.2 Communication demand of rail transit

3.2 軌道交通網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)想

TSN最關(guān)鍵的目的在于“同一”網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，即周期性地控制通信需求和使非周期的數(shù)據(jù)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸。網(wǎng)絡(luò)所承載業(yè)務(wù)中的CBTC信息、緊急文本信息、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和所需的帶寬各不相同，因此可以在有線網(wǎng)中采用TSN，給網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)業(yè)務(wù)規(guī)劃固定的傳輸時(shí)隙。具體而言，基于時(shí)分多址的思想，在循環(huán)周期內(nèi)根據(jù)各業(yè)務(wù)帶寬劃分指定時(shí)隙給對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)（圖2），其中t1～t4的大小根據(jù)業(yè)務(wù)帶寬而指定。如此規(guī)劃后，不僅各個(gè)業(yè)務(wù)的傳輸互不被干擾且時(shí)延可控，同時(shí)可將各業(yè)務(wù)集中在同一物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸，從而有效降低成本。

圖2 DCS有線網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙劃分Fig.2 Time slot division of DCS wired network

當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這些性能的前提是網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)和終端設(shè)備均支持TSN協(xié)議。圖3示出一個(gè)TSN網(wǎng)絡(luò)的簡單示意，其中設(shè)備經(jīng)支持TSN協(xié)議的終端（TSN EP）被連接至TSN交換機(jī)，構(gòu)建成了一個(gè)較為完整的網(wǎng)絡(luò)。

圖3 構(gòu)建TSN網(wǎng)絡(luò)示意Fig.3 Schematic diagram of building TSN network

相較于普通網(wǎng)絡(luò)，在TSN網(wǎng)絡(luò)的支持下，系統(tǒng)可確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)或者是控制信息的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確傳輸，有線網(wǎng)的傳輸可以達(dá)到時(shí)延可估計(jì)、傳輸性能穩(wěn)定的效果；同時(shí)可簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)省建設(shè)網(wǎng)絡(luò)成本?？紤]到TSN極有可能成為未來網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，所部署的TSN網(wǎng)絡(luò)也將可能成為未來網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。

3.3 關(guān)鍵問題

TSN技術(shù)的特點(diǎn)是為傳輸提供確定性時(shí)延和對(duì)各種總線之間的兼容性和互操作性，因此其可以很好地實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的實(shí)時(shí)、確定而可靠的數(shù)據(jù)傳輸，能夠滿足眾多行業(yè)的應(yīng)用需求。然而，現(xiàn)階段TSN仍然沒有得到廣泛的應(yīng)用，主要原因在于：一方面，TSN的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議簇中部分協(xié)議依舊處于修訂、更新和評(píng)審狀態(tài)；另一方面，TSN屬于新技術(shù)，需要進(jìn)行市場(chǎng)培育和廣泛宣傳才能逐漸得到推廣。

從網(wǎng)絡(luò)交換端的角度來看，目前市面上的TSN交換機(jī)普遍是原理驗(yàn)證樣機(jī)或者是基于FPGA而開發(fā)的，成熟度較低且成本較高。要研發(fā)出成熟的工業(yè)級(jí)TSN交換芯片及交換機(jī)仍然需要一定的研發(fā)周期。從網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的角度來看，要做到對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)中需要有支持TSN各項(xiàng)協(xié)議的終端器件，因?yàn)橹挥姓麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)均支持TSN相關(guān)協(xié)議，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)才能達(dá)到時(shí)鐘同步效果，網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間才能互相約定數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，做到流量的時(shí)延和抖動(dòng)可控。然而目前各個(gè)廠家主要精力均集中在對(duì)交換芯片和交換機(jī)的研發(fā)，對(duì)支持TSN的終端芯片關(guān)注較少，導(dǎo)致目前組網(wǎng)中終端器件難以支持TSN，進(jìn)而也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一調(diào)度。從應(yīng)用的角度來說，需要將TSN網(wǎng)絡(luò)的搭建和配置做到簡單友好，普通用戶能夠很快入手，才能較為順利地推廣至傳統(tǒng)行業(yè)用戶。

4 結(jié)語

TSN是開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型（OSI）數(shù)據(jù)鏈路層中MAC層的一簇協(xié)議，能很好地兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)能夠給網(wǎng)絡(luò)傳輸提供確定的時(shí)延和低抖動(dòng)，很好地實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的實(shí)時(shí)、確定和可靠數(shù)據(jù)傳輸，滿足未來多個(gè)行業(yè)的多設(shè)備之間數(shù)據(jù)可靠傳輸。然而目前TSN尚未得到廣泛應(yīng)用，在很多方面需要繼續(xù)改進(jìn)甚至是創(chuàng)新，也需要學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的深入合作。隨著各方面技術(shù)的成熟及行業(yè)迫切應(yīng)用需求的增加，相信未來TSN技術(shù)將會(huì)在軌道交通領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。