以太列車骨干網在復興號動車組中的應用

羅昭強 尚大為 韓東寧 劉利國

(中車長春軌道客車股份有限公司高速動車組調試車間，130062，長春//第一作者，高級技師)

隨著我國高速鐵路建設的飛速發展，傳統列車控制網絡技術，如列車通信網絡(TCN)、絞線式列車總線(WTB)、多功能車輛總線(MVB)、控制器局域網(CAN)等都已無法滿足高速列車日益發展的需求，為此，迫切需要開發新型的列車控制網絡技術。以太列車骨干網(ethernet train backbone, ETB)技術的誕生，可以滿足高速列車網絡控制技術的需求。

1 以太列車骨干網構架

以太網是當今現有局域網普遍采用的通信網絡。以太網局域內所有計算機被連接在一條同軸電纜上，具有沖突檢測的載波感應多處訪問方法，采用競爭機制和總線拓撲結構。以太網由共享傳輸媒體，如雙絞線電纜或同軸電纜和多端口集線器、網橋或交換機構成。采用現代工業以太網替代傳統的TCN等網絡來組成列車網絡和車輛網絡，具有通信速率高、實時性強、互操作性好等優點，徹底解決了TCN等網絡存在的帶寬窄、速率低、互操作性差等缺點。以太列車骨干網構架見圖1。

圖1 以太列車骨干網構架

以太列車骨干網即列車以太骨干網絡，是由國際電工委員會標準IEC 61375-2-5 《Electronic railway equipment--Train communication network (TCN)--Part 2-5: Ethernet train backbone》規定的一種基于以太網技術的列車級通信網絡。該標準同時規定了列車不同種類網絡系統的互用性和開放性。 ETB技術基于TCP/IP協議中ISO-OSI模型的1～4層技術和IEEE 802.3以太網技術，規定了列車以太骨干網絡傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層，以及網絡通信的服務質量、數據結構和冗余定義等。列車通信網絡最終由一條列車以太骨干網絡連接起來，其穩定性和安全性直接決定了列車是否能夠正常運行。

在列車上,ETB使用物理線路將有源網絡設備，如ETBN(以太列車骨干網節點)、中繼器等連接在一起，并使用無源部件作為以太網的線纜和連接器。列車上的ETB被分為3個區域，分別為車輛內部有源(TBN)/無源部件、連接同一編組車輛的無源部件、連接編組間無源部件(手動/自動車鉤)。ETB規定車輛內部連接、同一編組車輛間連接、編組間連接都需要使用CAT5e線纜和M12D Coded連接器作為有源設備的連接器，采用全雙工模式，物理層之間的連接方式采用交叉的連接方式，使用以太網供電。

2 復興號動車組網絡拓撲結構

復興號動車組為8 輛編組，采用4動4拖編組方式，每4輛車為1個牽引單元,具體編組為：Tc+M+Tp+M+M+Tp+M+Tc。動車組網絡控制系統(見圖2)的列車總線采用WTB，車輛總線采用MVB,同時布設以太網，用于列車監控、軟件上傳和數據的下載解析(見圖3)。

圖2 動車組控制系統網絡拓撲結構

圖3 動車組以太網拓撲結構

每輛車上裝有以太網交換機(見圖4)，通過車輛之間的貫通線纜把車輛連成一個整體，實現子系統通過以太網接口與車輛以太網的連接，進行以太網數據交換。利用筆記本電腦，通過RJ45/M12線纜，可以連接車輛上任意一臺以太網主機，實時對車上帶有MVB總線的設備實現數據的下載、傳輸、監控及上傳，對車輛子系統進行實時監控和查詢。

2.1 子系統組網設置正確性檢查

車輛的各個設備，在整個通信網絡層面相當于各個子系統，都有自己的IP地址和MAC地址。IP地址是車輛設備唯一的動態地址，通過SoftPerfect Network Scanner軟件進行掃描測試，可將整列車所有MVB連接設備的IP地址都掃描出來。例如，IP地址為10.1.1.202，代表此設備已經連入了以太網，可以通過以太網進行監控和傳輸。

圖4 動車組車輛以太網交換機結構

2.2 動車組初運行

動車組初運行時基于一個特殊的協議：列車拓撲發現協議(TTDP)。所有的ETBNs(多個以太列車骨干網節點)都需要執行TTDP。動車組初運行時需要為每一個組成網址節點(子網號)及每一個以太列車骨干網節點配置一個標識號。子網號和列車骨干網節點號用于建立列車IP地址映射、列車路由定義、網絡地址轉換規則及終端設備命名等。TTDP的主要目標是計算出這些標識符，而為了計算確定這些標識符，TTDP構建了兩類拓撲結構，即物理拓撲和邏輯拓撲。

(1)物理拓撲：用于生成以太列車骨干網節點的順序和導向列表；列車物理拓撲在連通性列表中被定義。物理拓撲總是隨著連接到以太列車骨干網的節點數目的改變而更新。

(2)邏輯拓撲：用于生成列車子網的順序和導向列表；列車邏輯拓撲在列車網絡目錄中被定義。邏輯拓撲包含了“子網號”和“以太網列車骨干網節點號”。

動車組初運行進程遵循以下規則：

(1) 具有最低編組UUID(universally unique identifier)的編組內，以太列車骨干網節點(ETBN)的末端節點，被稱為ETBN的頂節點。

(2) 如果列車只有唯一編組，ETBN的頂節點是靜態確定的，頂節點地址“ETBN ID”取值為1。

(3) ETBNs在ETB參考方向2時升序定義為2，最后一個被確定的ETBN是ETB的底節點。

(4) ETB的參考方向總是指向ETBN頂節點。

動車組初運行過程應當在所有ETBN上運行(見圖5)，其過程如下：

(1)發現和監視ETB成員的運行狀態。發現拓撲過程一直保持激活狀態，TOPOLOGY報文從每一個ETBN由多播發送到其他節點，因此,ETBN交換機轉發列表要隨每一次傳輸不斷更新。

(2)與列車應用程序通告并協商拓撲結構。如沒有應用程序的確認，則無法添加任何行為。

(3)在應用程序確認之后，列車的邏輯拓撲被用來參考以建立列車IP映圖和更新網絡服務。列車的終端設備(EDs)將被通告最新被認可的拓撲。列車ETB端點的端口被設為阻塞狀態(discarding state)，只有HELLO報文(IEEE 802.3管理幀)能被發送(使用管理MAC地址),以發現預期的重聯。

拓撲的穩定性基于循環冗余校驗碼(CRC)的計算。當所有的CRC(本地的和從其他ETBN接收到的)一致時，所有的ETBN分享相同的拓撲結構。

圖5 ETBN上的動車組初運行示意圖

2.3 ETBNs成員發現

(1)內部成員發現：每一個ETBN不斷地嘗試探測ETB上其他的ETBNs。為了檢測其余的ETBNs，每一個ETBN周期性地發送一個數據鏈路層多播幀去其余的ETBNs。這個幀被命名為TTDP TOPOLOGY幀。在ETB的兩個方向上，鏈路聚合組被用于發送TTDP TOPOLOGY幀。當接收到TTDP TOPOLOGY幀，ETBN應該在交換機轉發列表中尋找幀的源MAC地址，用來探測這個幀是來自于目錄DIR1還是目錄DIR2。當ETBN從未接收到幀，則說明在ETB上ETBN是唯一的，在一個超時后將會聲明穩定性。在一個超時后，沒有接收到一個特定ETBN的幀，則說明特定的ETBN消失。兩種不同的工具用來建立：①連通性列表“連通性矢量”字段；②“ETBN矢量”字段。

(2)外部成員探測：一旦拓撲被列車應用程序認可，“InaugInhibition”標志位是“True”時，列車末端ETB的以太網端口被設置為丟棄狀態；只有管理幀(參考它們的目的MAC地址)被允許通過(如TTDP HELLO幀)，而TTDP TOPOLOGY幀被禁止。例如，在列車重聯/ETB延長時，新的外部ETB成員將由周期性交換的幀檢測。這個消息被命名為TTDP HELLO幀。當列車應用程序允許一個新的ETB初運行，新的成員將被添加到ETB拓撲。這個幀相當小，它們會被配置較高的發送頻率，因此能夠對其余的ETBN出現或消失有較快的響應。

(3)交換機端口狀態處理：根據列車初運行狀態和成員探測，處理ETBN交換機端口狀態。尤其是描述一個末端節點如何從丟棄狀態轉換為轉發狀態(見圖6)。

(4)ETB分享：ETB線路狀態由TTDP TOPOLOGY幀發出，被所有的ETBN分享。每一個ETBN根據從它的端口接收到的TTDP HELLO幀計算出它的線路狀態。圖7顯示出ETBN線路的成員發現過程，它僅適用于使用線路進行靜態配置狀況。

圖6 交換機端口狀態處理

圖7 ETBNs成員發現過程

3 以太列車骨干網應用

以太列車骨干網可以將構成列車編組中的骨干節點互相連接起來，每一個編組可有0、1或多個列車骨干節點，其組成網可以通過一個或多個骨干網節點連入列車骨干中。列車骨干網節點狀態有以下兩種：

(1)激活的(Active)：這種狀態下，列車骨干網節點可以在組成網和列車骨干網之間傳遞數據包。

(2)未激活的(Passive)：這種狀態下，列車骨干網節點不會在組成網和列車骨干網之間傳遞數據包。

組成網和列車骨干網間的連接應該是冗余的，有以下兩種冗余架構(見圖8)：

(1)組成網冗余：復制一個完整的組成網作為冗余，該冗余組成網的列車骨干網節點是未激活的。

(2)列車骨干網節點冗余：組成網和列車骨干網至少要通過2個列車骨干網節點進行連接，可以將終端設備通過列車骨干節點直接連接到列車骨干網上，也可以將終端設備放到組成網中，之后再連接到骨干網。

圖8 組成網與列車骨干網連接的冗余結構

組成網和列車骨干網的應用可以通過一種網絡技術或多種網絡技術的結合來實現。對于列車骨干網可采用以下技術：

(1) 列車可以使用WTB或者ETB其中的一個。

(2) 列車可以同時使用WTB和ETB，如WTB用于可操作數據，ETB用于多媒體數據。

(3) 列車可以使用多個ETB，如一個ETB用于可操作數據，另一個ETB用于多媒體數據。

(4) 列車在固定的配置(列車組之間無可操作的重聯或解編)情況下，可以忽略列車骨干網,如果列車骨干網使用不同的技術(WTB或ETB)，則需要使用網關進行連接。

對于組成網，可以采用以下技術：

(1) 在一個編組中，可以使用MVB、CAN或ECN(ethernet consist network)等技術。

(2) 如果明確支持上述技術，組成網中MVB、CAN及ECN技術可以聯合使用。在這種情況下，組成網技術間的數據交換以及組成網和列車骨干網之間的數據交換需要特別明確。

(3) 簡單編組不需要組成網，終端設備可以直接連接到列車骨干節點上，或者骨干網節點實現終端設備的功能。

為了提供冗余，數據傳輸媒介應該是雙重的。為了支持動車組初運行，節點應該能夠打斷總線，去接收選擇的數據傳輸方向。為了防止無效或不運行的節點無意識地打斷總線，需要提供一個作用機制。

4 結語

列車骨干網在復興號動車組的應用，是高速動車組的一個突破，打破了常規的TCN、WTB、MVB及CAN的構架，使得車輛控制更為方便與快捷，并可以準確、實時地監控列車狀態。