以太列车骨干网在复兴号动车组中的应用

苏铮

摘要：随着我国高速铁路建设的飞速发展，传统列车控制网络技术，如列车通信网络（TCN）、绞线式列车总线（WTB）、多功能车辆总线（MVB）、控制器局域网（CAN）等都已无法满足高速列车日益发展的需求，为此，迫切需要开发新型的列车控制网络技术。以太列车骨干网（ethernettrainbackbone，ETB）技术的诞生，可以满足高速列车网络控制技术的需求。

关键词：以太列车骨干网；复兴号；动车组；应用

1以太列车骨干网构架

以太网是当今现有局域网普遍采用的通信网络。以太网局域内所有计算机被连接在一条同轴电缆上，具有冲突检测的载波感应多处访问方法，采用竞争机制和总线拓扑结构。以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。采用现代工业以太网替代传统的TCN等网络来组成列车网络和车辆网络，具有通信速率高、实时性强、互操作性好等优点，彻底解决了TCN等网络存在的带宽窄、速率低、互操作性差等缺点。

以太列车骨干网即列车以太骨干网络，是由国际电工委员会标准IEC61375-2-5《Electronicrailwayequipment--Traincommunicationnetwork（TCN）--Part2-5：Ethernettrainbackbone》规定的一种基于以太网技术的列车级通信网络。该标准同时规定了列车不同种类网络系统的互用性和开放性。ETB技术基于TCP/IP协议中ISO-OSI模型的1～4层技术和IEEE802.3以太网技术，规定了列车以太骨干网络传输层、网络层、数据链路层和物理层，以及网络通信的服务质量、数据结构和冗余定义等。列车通信网络最终由一条列车以太骨干网络连接起来，其稳定性和安全性直接决定了列车是否能够正常运行。

2复兴号动车组网络拓扑结构

复兴号动车组为8辆编组，采用4动4拖编组方式，每4辆车为1个牵引单元，具体编组为：Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc。动车组网络控制系统的列车总线采用WTB，车辆总线采用MVB，同时布设以太网，用于列车监控、软件上传和数据的下载解析。

2.1子系统组网设置正确性检查

车辆的各个设备，在整个通信网络层面相当于各个子系统，都有自己的IP地址和MAC地址。IP地址是车辆设备唯一的动态地址，通过SoftPerfectNetworkScanner软件进行扫描测试，可将整列车所有MVB连接设备的IP地址都扫描出来。例如，IP地址为10.1.1.202，代表此设备已经连入了以太网，可以通过以太网进行监控和传输。

2.2动车组初运行

动车组初运行时基于一个特殊的协议：列车拓扑发现协议（TTDP）。所有的ETBNs（多个以太列车骨干网节点）都需要执行TTDP。动车组初运行时需要为每一个组成网址节点（子网号）及每一个以太列车骨干网节点配置一个标识号。子网号和列车骨干网节点号用于建立列车IP地址映射、列车路由定义、网络地址转换规则及终端设备命名等。TTDP的主要目标是计算出这些标识符，而为了计算确定这些标识符，TTDP构建了两类拓扑结构，即物理拓扑和逻辑拓扑。（1）物理拓扑：用于生成以太列车骨干网节点的顺序和导向列表；列车物理拓扑在连通性列表中被定义。物理拓扑总是随着连接到以太列车骨干网的节点数目的改变而更新。（2）逻辑拓扑：用于生成列车子网的顺序和导向列表；列车逻辑拓扑在列车网络目录中被定义。逻辑拓扑包含了“子网号”和“以太网列车骨干网节点号”。动车组初运行进程遵循以下规则：（1）具有最低编组UUID（universallyuniqueidentifier）的编组内，以太列车骨干网节点（ETBN）的末端节点，被称为ETBN的顶节点。（2）如果列车只有唯一编组，ETBN的顶节点是静态确定的，顶节点地址“ETBNID”取值为1。（3）ETBNs在ETB参考方向2时升序定义为2，最后一个被确定的ETBN是ETB的底节点。（4）ETB的参考方向总是指向ETBN顶节点。

动车组初运行过程应当在所有ETBN上运行，其过程如下：（1）发现和监视ETB成员的运行状态。发现拓扑过程一直保持激活状态，TOPOLOGY报文从每一个ETBN由多播发送到其他节点，因此，ETBN交换机转发列表要随每一次传输不断更新。（2）与列车应用程序通告并协商拓扑结构。如没有应用程序的确认，则无法添加任何行为。（3）在应用程序确认之后，列车的逻辑拓扑被用来参考以建立列车IP映图和更新网络服务。列车的终端设备（EDs）将被通告最新被认可的拓扑。列车ETB端点的端口被设为阻塞状态（discardingstate），只有HELLO报文（IEEE802.3管理帧）能被发送（使用管理MAC地址），以发现预期的重联。拓扑的稳定性基于循环冗余校验码（CRC）的计算。当所有的CRC（本地的和从其他ETBN接收到的）一致时，所有的ETBN分享相同的拓扑结构。

2.3ETBNs成员发现

2.3.1内部成员发现：

每一个ETBN不断地尝试探测ETB上其他的ETBNs。为了检测其余的ETBNs，每一个ETBN周期性地发送一个数据链路层多播帧去其余的ETBNs。这个帧被命名为TTDPTOPOLOGY帧。在ETB的两个方向上，链路聚合组被用于发送TTDPTOPOLOGY帧。当接收到TTDPTOPOLOGY帧，ETBN应该在交换机转发列表中寻找帧的源MAC地址，用来探测这个帧是来自于目录DIR1还是目录DIR2。当ETBN从未接收到帧，则说明在ETB上ETBN是唯一的，在一个超时后将会声明稳定性。在一个超时后，没有接收到一个特定ETBN的帧，则说明特定的ETBN消失。两种不同的工具用来建立：①连通性列表“连通性矢量”字段；②“ETBN矢量”字段。

2.3.2外部成员探测：

一旦拓扑被列车应用程序认可，“InaugInhibition”标志位是“True”时，列车末端ETB的以太网端口被设置为丢弃状态；只有管理帧（参考它们的目的MAC地址）被允许通过（如TTDPHELLO帧），而TTDPTOPOLOGY帧被禁止。例如，在列车重联/ETB延长时，新的外部ETB成员将由周期性交换的帧检测。这个消息被命名为TTDPHELLO帧。当列车应用程序允许一个新的ETB初运行，新的成员将被添加到ETB拓扑。这个帧相当小，它们会被配置较高的发送频率，因此能夠对其余的ETBN出现或消失有较快的响应。

2.3.3交换机端口状态处理：

根据列车初运行状态和成员探测，处理ETBN交换机端口状态。尤其是描述一个末端节点如何从丢弃状态转换为转发状态。

2.3.4ETB分享：

ETB线路状态由TTDPTOPOLOGY帧发出，被所有的ETBN分享。每一个ETBN根据从它的端口接收到的TTDPHELLO帧计算出它的线路状态。

结论

列车骨干网在复兴号动车组的应用，是高速动车组的一个突破，打破了常规的TCN、WTB、MVB及CAN的构架，使得车辆控制更为方便与快捷，并可以准确、实时地监控列车状态。

参考文献

[1]翟雅萌，刘晓东，田丽，李超.基于以太网的列车骨干网数据传输技术研究[J].工业控制计算机，2017，30（05）：3-5.

[2]李元轩，高枫，孔元，赵红卫.基于以太网的列车骨干网性能研究[J].铁道机车车辆，2015，35（06）：11-14+18.

（作者单位：北京铁路集团天津动车客车段天津动车所）