以太列车骨干网在复兴号动车组中的应用

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。以太列车骨干网构架见图1。

图1 以太列车骨干网构架

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IEC 61375-2-5 《Electronic railway equipment--Train communication network (TCN)--Part 2-5: Ethernet train backbone》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IEEE 802.3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。

在列车上,ETB使用物理线路将有源网络设备，如ETBN(以太列车骨干网节点)、中继器等连接在一起，并使用无源部件作为以太网的线缆和连接器。列车上的ETB被分为3个区域，分别为车辆内部有源(TBN)/无源部件、连接同一编组车辆的无源部件、连接编组间无源部件(手动/自动车钩)。ETB规定车辆内部连接、同一编组车辆间连接、编组间连接都需要使用CAT5e线缆和M12D Coded连接器作为有源设备的连接器，采用全双工模式，物理层之间的连接方式采用交叉的连接方式，使用以太网供电。

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(见图2)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(见图3)。

图2 动车组控制系统网络拓扑结构

图3 动车组以太网拓扑结构

每辆车上装有以太网交换机(见图4)，通过车辆之间的贯通线缆把车辆连成一个整体，实现子系统通过以太网接口与车辆以太网的连接，进行以太网数据交换。利用笔记本电脑，通过RJ45/M12线缆，可以连接车辆上任意一台以太网主机，实时对车上带有MVB总线的设备实现数据的下载、传输、监控及上传，对车辆子系统进行实时监控和查询。

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SoftPerfect Network Scanner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。

图4 动车组车辆以太网交换机结构

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(universally unique identifier)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“ETBN ID”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(见图5)，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(discarding state)，只有HELLO报文(IEEE 802.3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。

图5 ETBN上的动车组初运行示意图

2.3 ETBNs成员发现

(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TTDP TOPOLOGY帧。在ETB的两个方向上，链路聚合组被用于发送TTDP TOPOLOGY帧。当接收到TTDP TOPOLOGY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)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TTDP HELLO帧)，而TTDP TOPOLOGY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TTDP HELLO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，因此能够对其余的ETBN出现或消失有较快的响应。

(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(见图6)。

(4)ETB分享：ETB线路状态由TTDP TOPOLOGY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TTDP HELLO帧计算出它的线路状态。图7显示出ETBN线路的成员发现过程，它仅适用于使用线路进行静态配置状况。