以太网列车骨干网初运行研究及实现
2022-10-31薛树坤徐燕芬
薛树坤,徐燕芬,赵 婧
(中车青岛四方车辆研究所有限公司 技术中心,山东 青岛 266031)
1 背景介绍
列车网络技术诸如TCN、ARCNET、CANopen 、LonWorks等被广泛应用。其中最常用的是TCN网络,包括绞线式列车总线(WTB)和多功能车辆总线(MVB)。但是随着高速列车传输的多媒体信息、设备诊断信息、视频监控信息数据量越来越大,控制复杂度越来越高,TCN网络存在带宽小、可重构性低、控制与服务隔离等缺点。随着以太网技术不断发展,以太网的通信速度已经从100 Mbps提高到1 000 Mbps以上,可以满足现代高速列车的通信与服务需求;实时以太网还具有高实时性、高可靠性、易组网、易接入等优点,可以更好地支持列车智能化、列车多网融合等业务的发展。2004年以来,国际电工委员会(IEC)相继颁布了IEC 61375-3-4:2014,IEC 61375-2-5:2014,IEC 61375-2-3:2015[1-3]等相关标准,确立了列车以太网技术通信体系的整体架构和通信方式。目前,国外诸如庞巴迪公司、芬兰EKE公司,国内的中国中车股份有限公司等均已实现了列车控制与信息服务均由以太网进行传输,并相继投入实际运营[4-5]。
以太网列车骨干网(ETB)初运行是通过列车骨干网节点(ETBN)实现的关键技术,ETB初运行实现以太网网络初始化,建立列车级以太网拓扑,完成以太网动态配置,分配列车级以太网地址,并建立ETB数据通信。
2 ETB拓扑结构及特点
列车级网络拓扑为线性结构,使用物理链路,例如以太网线缆和连接器,沿着列车将有源网络设备如ETBN、中继器等连接起来,见图1。在这种网络结构中,ETBN发送的数据可以被其他邻居ETBN接收到,其他ETBN基于网络传输协议,根据数据帧的地址信息判断是否需要接收处理,如果需要则处理该消息,不需要则转发到下一个邻居节点。线性拓扑结构的特点是布线容易、方便扩展网络节点[6]。
图1 列车级网络拓扑示意图
列车级以太网通过ETBN与车辆级以太网(ECN)实现数据通信。根据IEC 61375-3-4:2014标准,车辆级以太网可以采用线性拓扑、环形拓扑、梯形拓扑等,实现消息数据、过程数据等数据传输[3]。列车级链路采用双线型结构,数据传输能力加倍,增加了冗余性。ETBN在这种拓扑中要求支持链路聚合、旁路中继等功能[1]。
3 列车拓扑发现协议
ETB的初运行通过列车拓扑发现协议(TTDP)实现。ETBN通过执行TTDP协议,发现邻居节点,实时更新网络拓扑信息。ETB初运行发生于列车初上电、列车重联或解编、中间位置非冗余节点丢失等情况。
3.1 数据帧
TTDP定义了2种专用的以太网帧[1]。
(1) TTDP HELLO帧。该报文仅用于相邻设备间进行传输,目的MAC地址固定为01-80-C2-00-00-0E,用于节点间交换机箱和端口信息。该报文在ETB端口上周期性发送。根据发送时序,TTDP HELLO报文定义了2个发送周期:正常模式下的慢发送周期,慢周期设置为100 ms;快速模式下快发送周期,快周期设置为15 ms。
(2) TTDP TOPO帧。主要携带了列车级拓扑信息和车辆级拓扑信息2个关键字段,目的MAC地址为01-80-C2-00-00-10,该报文在整个列车级网络ETB中传输,所有ETBN共享列车级网络拓扑信息。该报文在ETB端口周期性发送,周期为100 ms。该报文用于建立物理拓扑和逻辑拓扑。
3.2 初运行过程
ETB初运行过程见图2。列车初上电或者重启时,进入初始化状态,启动TTDP进程,配置ETBN交换机端口为转发状态,禁止IP转发,同时禁止ETB与ECN之间的路由转发。此时开始发送和接收TTDP HELLO帧和TTDP TOPO帧。通过对这些报文的处理,建立物理拓扑和逻辑拓扑,并管理ETB链路状态。物理拓扑包含所有ETBN的物理地址和朝向信息。逻辑拓扑是在物理拓扑基础上,形成所有编组的有序列表和编组方向。当所有ETBN计算的ETB拓扑计数器一致时,准备初运行并继续计算物理拓扑和逻辑拓扑。如果ETBN此时未设置禁止初运行标志或节点恢复,进入初运行完成状态,设置ETB拓扑计数器为当前拓扑有效稳定值,通过逻辑拓扑完成IP映设和服务,包括设置IP地址、子网掩码、路由等,设置网络地址转换(NAT)、域名服务系统(DNS)等,ETB和ECN之间使能路由。物理拓扑和逻辑拓扑的建立算法,TTDP HELLO帧、TTDP TOPO帧处理过程等详见IEC 61375-2-5:2014相关章节[1]。
图2 ETB初运行过程
4 ETBN硬件及试验
ETBN由中央处理单元(CPU)、背板、网络接口等组成。由于列车工作环境的要求,该产品设计的工作温度范围为-40~70 ℃,电源供电电压在额定电压的-30%~25%,根据GB/T 24338.4—2018《轨道交通 电磁兼容第 3-2 部分:机车车辆设备》的规定,电源输入间断10 ms不引起失效。此外,满足GB/T 21563—2018《轨道交通 机车车辆设备 冲击和振动试验》中规定的振动和抖动要求。ETBN有4个M12-D百兆接口,负责列车级数据接收和转发[7]。
为验证ETBN的初运行功能,设计由4个ETBN组成拓扑,其中ETBN1和ETBN2为1个编组且互为冗余,ETBN3和ETBN4为1个编组且互为冗余,分别在4种工况下进行测试,验证初运行功能、报文发送周期、TTDP HELLO帧和TTDP TOPO帧的内容、初运行时间等[8-9]。
(1) 测试工况1。
测试工况1拓扑见图3。
图3 测试工况1拓扑
正常工况下反复上电/重启,测试初运行功能。测试工况1下ETBN的初运行结果如图4所示。拓扑中有2个编组,其中ETBN1和ETBN2互为冗余节点,ETBN3和ETBN4互为冗余节点。
图4 测试工况1下ETBN的初运行结果
(2) 测试工况2。
测试工况2拓扑见图5。
图5 测试工况2拓扑
多次重复断开/连接ETBN1和ETBN2之间的连接线,测试初运行功能。测试工况2下ETBN的初运行结果如图6所示。在断开图5所示位置连接线时,ETBN1标记为红色,表示在拓扑中丢失,ETBN1成为孤立节点;恢复该连接线时,ETBN1重新加入到拓扑中。
图6 测试工况2下ETBN的初运行结果
(3) 测试工况3。
测试工况3拓扑见图7。
图7 测试工况3拓扑
多次重复断开/连接ETBN2和ETBN3之间的连接线,测试初运行功能。测试工况3下ETBN的初运行结果见图8。在断开图7所示位置连接线时,拓扑中只有1个编组;恢复该连接线时,拓扑恢复为2个编组。
图8 测试工况3下ETBN的初运行结果
(4) 测试工况4。
测试工况4拓扑见图9。
图9 测试工况4拓扑
多次重复断开/连接ETBN3和ETBN4之间的连接线,测试初运行功能。测试工况4下ETBN的初运行结果如图10所示。在断开图9中所示位置连接线时,ETBN4标记为红色,表示该节点在拓扑中丢失,ETBN4成为孤立节点;恢复该连接线时,ETBN4重新加入到拓扑中。
图10 测试工况4下ETBN的初运行结果
通过抓包软件分析,ETBN发出的TTDP HELLO帧、TTDP TOPO帧内容符合IEC 61375-2-5:2014标准。TTDP TOPO帧发送周期为100 ms,超时时间为400 ms。TTDP HELLO帧正常模式下发送周期为100 ms。在测试工况3下,恢复连接线时测试ETB拓扑稳定时间小于400 ms,符合TTDP协议的要求。
5 结束语
ETB初运行是列车网络初始化的关键步骤,主要通过TTDP协议完成。ETBN是在列车拓扑发生变化时进行ETB初运行,实现数据转发、跨编组访问等功能的关键设备[10]。本文对TTDP协议的实现进行了研究,分析了ETB初运行过程及相关算法,简单介绍了ETBN硬件,通过设计多种测试工况下的试验,验证了ETBN的初运行功能。试验表明该ETBN设备符合IEC 61375系列标准,具有良好的列车级通信功能和性能。