基于以太网的TCN交换机的研究与实现

彭云龙　卢京廷　王学勤　张帆

摘要：传统列车通信网络（TCN）难以满足未来列车通信网络高带宽、实时性的数据传输需求，于是人们将以太网技术引进到列车通信网络中。列车通信网络中的数据总体上可以归类为实时性要求较高的控制数据和数据量较大的多媒体数据。在两种数据的混合传输过程中，如果有几个节点同时传送大量的多媒体数据，就会产生突发流量，由于现有的交换芯片缓存容量是共享式的，且容量有限，如果不加以处理，可能会使重要数据产生延迟甚至丢失。因此，该文提出了一种基于国际TCN标准的具有网关能力的工业级三层实时以太网交换机设备的设计方案。该方案的核心思想是通过在传统交换机中增加FPGA和SDRAM存储器来提高交换机的实时处理能力和缓存空间。新的设计方案在提升网络带宽的同时，还保证了网络的实时性和可靠性，能够满足基于以太网的TCN网络的需求。

关键词：以太网；TCN；ECN；突发流量；实时性

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）20-0037-02

1 背景介绍

近年来，随着高速铁路技术的不断发展，列车内系统规模和复杂性日益增长，列车的网络控制系统越来越强，控制列车所需传输的信息也越来越多，需要的网络带宽随之不断增长。同时，随着移动通信设备的爆发式增长，乘客和运营商对网络接入的需求也不断提高，因此列车通信网络（TCN）还要传输大量的用户数据，在增加了视频播放和视频监控系统后，所需的网络带宽更是急剧增长，传统的列车通信网络无法支持如此巨大的数据量。

另一方面，以太网的优势使其在因特网中广泛采用，把以太网引入到列车通信网中成为列车通信网的研究重点之一。现在列车上的以太网仅仅负责乘客信息系统和音、视频系统的数据传输，与列车的控制管理系统（TCMS）没有联系，是独立的网络。

与传统列车通信网络相比，基于以太网的列车通信网络具有以下优势：

1）传输速率高：以太网的传输速率可以达到1000Mbps，甚至lOGbps，对于列车通信网络系统来说已经完全满足。

2）组网灵活：以太网支持多种物理传输介质和拓扑结构，其网络组建灵活简单，易于管理。

3）易于扩展：以太网有着广泛的应用，易于与其他设备进行连接，使得网络的扩展变得简单。

4）价格优势：以太网经过半个世纪的发展，现已拥有了诸多设备制造商，是目前应用最广的网络技术，其硬件价格与TCN设备相比具有巨大优势。

5）体积小、易集成：以太网的集成度与日俱增，更有利于列车通信网络中减小和精简控制单元体积。

6）接入能力强：以太网能够方便的接入地面的网络系统，从而达成信息共享，为地面控制中心提供列车运行中的实时状态数据。

7）发展潜力大：以太网发展迅速，具有更长远的发展空间。

国际电工委员会（IEC）起草了以太网标准IEC61375-3-4、IEC61375-2-5，旨在推动以太网技术在列车网络领域的全面发展。IEC61375-2-5中提出了以太网列车骨干网（ETB，Ethernet Train Backbone），用交换式以太网来代替原TCN中的WTB总线。在IEC61375-3-4中提出了以太网组成网络（ECN， Ethernet Consist Networks）代替原TCN中的车辆总线。由此可见IEC正在把基于以太网的列车网络作为下一代列车通信网络的发展方向。

图1 车辆级别ECN网络中的数据类型示意图

然而，如图1所示，在车辆级别的ECN网络中，网络数据除了多媒体数据，还有控制数据等。总体上可以归类为实时性要求较高控制数据的和数据量较大的多媒体数据两种数据类型。在混合传输过程中，如果有几个节点同时传送整幅图片数据或者大量的视频数据，就会在监视器的入端口产生突发流量，由于现有的交换芯片缓存容量是共享式的（所有端口共享一个缓存空间），并且容量有限，如果不加以处理，可能会使重要数据延时甚至丢失。因此，研发出一种能解决在基于以太网的ECN网络中个别节点突发流量导致数据传输延时的方案是必要的。本文研究并设计了一种基于国际TCN标准的具有网关能力的工业级三层实时以太网交换机设备。本设计方案不但可以保证所有车辆级别ECN网络中的控制信号都能在规定的时间内到达，还可以保证当监视器调用或者保存某个视频图像时，图像流畅清晰。

图2 传统交换机设计方式

2 传统的解决方案

基于以太网的TCN具有独自承担列车上所有的信息传输的能力，进一步完全取代现有的网络技术，如WTB、MVB、CAN等。但如何保证控制数据传输的可靠性和实时性仍然是一个目前需要解决的问题。现有方法有：

1）采用全双工交换式以太网：采用全双工交换式以太网技术可以使个端口之间的信息流隔离开，同时使带宽由共享式转变为独占式，从而使以太网的确定性和实时性提高。

2）进一步提升网络通信传输速率：相关实际应用已经表明，对于以太网来说，负载在低于30%以下时，以太网发生碰撞的几率极小。在负载低于10%以下时，该几率更是几乎为零。因此，进一步提升网络的传输速率可以一定程度的提升网络的确定性和实时性。

3）建立实时以太网协议：主要有三个方面。①在TCP/UDP/IP的上层建立实时协议，比如Modbus/TCP、Ethemet/IP，虽然这种方式可达到软实时，但不能实现硬实时。②使用实时协议取代TCP/IP，比如Ethernet powerlink，以及我国开发的EPA（Ethemet for plant Automation）。③在使用实时协议取代TCP/IP的同时，修改以太网控制器所在的数据链路层，开发专用的硬件电路，解决实时性问题。

本文采用的方案就是在兼容传统以太网协议的基础上，研究设计具有网关能力的工业级三层实时以太网交换机硬件。针对传统交换机（如图2所示）设计方式中因采用的交叉矩阵或共享式存储器，而带来的难以管理的延迟、抖动和争用等问题。本文通过在Switch ASIC和千兆上联口间增加FPGA和存储器来提高交换机的实时处理能力。

图3 总体设计原理框图

3 本方案实现方式

本文提出了一种针对TCN网络的具有网关能力的工业级三层实时以太网交换机的设计方案，主要兼容传统以太网协议，同时增加可自由调度的大容量缓存空间，以及优先级调度策略。图3所示为本方案的总体设计原理框图，方案平台为：千兆交换芯片+ FPGA + DDR2 SDRAM。交换芯片选取带有两路千兆上联口的芯片，其余接口可为百兆接口。FPGA芯片选取Altera 公司的Cyclone II系列，该系列的高端器件集成了千兆以太网IP 硬核，并可以运用Altera公司的嵌入式开发系统，实现软核处理器的开发。DDR2 SDRAM容量选择4GB容量的存储芯片。具体实现方式如下：

1）首先利用Altera公司的SOPC Builder工具，在FPGA芯片上搭建片上系统SOPC，该片上系统包含一个处理器，并提供一路DDR2存储器接口。DDR2 存储器接口外接4G容量的DDR2 SDRAM，用于以太网数据的缓存空间。

2）配置FPGA芯片为多通道MAC模式，支持双路千兆以太网端口。并配置千兆以太网为全双工模式，符合1000BASE-X/SGMII标准的接口。交换芯片的千兆接口SGMII/RGMII与FPGA芯片的千兆MAC互连，实现以太网线路数据的互联。网络连接示意图如图4所示。

图4 网络连接示意图

3）DDR2 SDRAM芯片通过FPGA例化的片上系统分配为8个地址空间，分别为queue 0-7（如图5所示）。分别对应数据流的优先级0-7。用以存放不同的以太网数据流。FPGA芯片将千兆MAC端口的收发数据根据数据流的优先级，共分为0-7共8个优先级，优先级为0的队列优先级最高，优先级字段为7的字段优先级最低。

图5 DDR2 SDRAM 存储空间划分

4）从千兆上行口以及本地业务口经过GMAC进入FPGA的不同数据流，根据预先配置好的优先级标志位，由片上处理器控制调度缓存到DDR2 SDRAM的不同存储空间中。例如当FPGA中的片上系统识别到数据流的优先级号码为1，权重配置标志位为20%时，处理器则将数据流1的数据缓存到DDR2 SDRAM的队列queue1中，并将GMAC的整体传输带宽预留20%给数据流1，来实现转发。并优先级排在数据流号码为0的优先级后调度。

4 方案优势

与传统的以太网交换机相比，本方案考虑了ECN网络中通信数据的突发性和实时性问题，具有以下优势：

1）实现大数据的缓存，防止多媒体数据的丢失。在传统以太网架构的ECN网络中，视频数据由于瞬时带宽过大而出现画面延迟或者出现马赛克，本设计能有效解决这一问题。

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2）兼容传统以太网协议，本方案并不需要改变以太网的帧结构，而是在兼容普通以太网协议的基础上，以增加硬缓存的模式，增加容量，保证带宽。

3）实现所有数据的优先级调度，为重要数据留出通道，实现控制数据的实时传送。在ECN网络中，有一些实时性要求较高的控制数据，需要传输准确，准时，因此在本次设计中，考虑在缓存空间设置不同的队列，并根据预先配置的优先级，以及优先级的权重比例，来控制整个数据流量的通道，使重要数据不丢失，低时延，低抖动传输。

4）可以根据实际数据需求实时调度数据缓存，更加有效利用资源。传统先入先出的存储方式会因为通道的限制而出现传输瓶颈，添加优先级调度方式配合权重调度，可以有效的利用原有带宽和缓存，减少不必要的冗余。

5 结束语

针对TCN网络对带宽需求的不断增加，本文分析了基于以太网的TCN的优势和面临的挑战。为了解决传统以太网架构的ECN网络中由于瞬时带宽过大而造成通信延迟的问题，本文提出了一种针对TCN网络的具有网关能力的工业级三层实时以太网交换机的实现方案。通过增加FPGA来提高交换机的实时处理能力，通过添加与FPGA相连的SDRAM存储器来增加可自由调度的大容量缓存空间，以及优先级调度策略。下一步将搭建交换机硬件实物来对本方案的实时性能进行进一步的分析验证。

参考文献：

[1] 邢震，贾步超，穆建成，等.基于交换式以太网的 TCN 设计与实时性能分析[J].铁路计算机应用， 2013（6）： 51-56.

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