以太網列車骨干網初運行研究及實現

薛樹坤，徐燕芬，趙 婧

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術中心，山東 青島 266031)

1 背景介紹

列車網絡技術諸如TCN、ARCNET、CANopen 、LonWorks等被廣泛應用。其中最常用的是TCN網絡，包括絞線式列車總線(WTB)和多功能車輛總線(MVB)。但是隨著高速列車傳輸的多媒體信息、設備診斷信息、視頻監控信息數據量越來越大，控制復雜度越來越高，TCN網絡存在帶寬小、可重構性低、控制與服務隔離等缺點。隨著以太網技術不斷發展，以太網的通信速度已經從100 Mbps提高到1 000 Mbps以上，可以滿足現代高速列車的通信與服務需求；實時以太網還具有高實時性、高可靠性、易組網、易接入等優點，可以更好地支持列車智能化、列車多網融合等業務的發展。2004年以來，國際電工委員會(IEC)相繼頒布了IEC 61375-3-4：2014，IEC 61375-2-5：2014，IEC 61375-2-3：2015[1-3]等相關標準，確立了列車以太網技術通信體系的整體架構和通信方式。目前，國外諸如龐巴迪公司、芬蘭EKE公司，國內的中國中車股份有限公司等均已實現了列車控制與信息服務均由以太網進行傳輸，并相繼投入實際運營[4-5]。

以太網列車骨干網(ETB)初運行是通過列車骨干網節點(ETBN)實現的關鍵技術，ETB初運行實現以太網網絡初始化，建立列車級以太網拓撲，完成以太網動態配置，分配列車級以太網地址，并建立ETB數據通信。

2 ETB拓撲結構及特點

列車級網絡拓撲為線性結構，使用物理鏈路,例如以太網線纜和連接器，沿著列車將有源網絡設備如ETBN、中繼器等連接起來，見圖1。在這種網絡結構中，ETBN發送的數據可以被其他鄰居ETBN接收到，其他ETBN基于網絡傳輸協議，根據數據幀的地址信息判斷是否需要接收處理，如果需要則處理該消息，不需要則轉發到下一個鄰居節點。線性拓撲結構的特點是布線容易、方便擴展網絡節點[6]。

圖1 列車級網絡拓撲示意圖

列車級以太網通過ETBN與車輛級以太網(ECN)實現數據通信。根據IEC 61375-3-4：2014標準，車輛級以太網可以采用線性拓撲、環形拓撲、梯形拓撲等，實現消息數據、過程數據等數據傳輸[3]。列車級鏈路采用雙線型結構，數據傳輸能力加倍，增加了冗余性。ETBN在這種拓撲中要求支持鏈路聚合、旁路中繼等功能[1]。

3 列車拓撲發現協議

ETB的初運行通過列車拓撲發現協議(TTDP)實現。ETBN通過執行TTDP協議，發現鄰居節點，實時更新網絡拓撲信息。ETB初運行發生于列車初上電、列車重聯或解編、中間位置非冗余節點丟失等情況。

3.1 數據幀

TTDP定義了2種專用的以太網幀[1]。

(1) TTDP HELLO幀。該報文僅用于相鄰設備間進行傳輸，目的MAC地址固定為01-80-C2-00-00-0E，用于節點間交換機箱和端口信息。該報文在ETB端口上周期性發送。根據發送時序，TTDP HELLO報文定義了2個發送周期：正常模式下的慢發送周期，慢周期設置為100 ms；快速模式下快發送周期，快周期設置為15 ms。

(2) TTDP TOPO幀。主要攜帶了列車級拓撲信息和車輛級拓撲信息2個關鍵字段，目的MAC地址為01-80-C2-00-00-10，該報文在整個列車級網絡ETB中傳輸，所有ETBN共享列車級網絡拓撲信息。該報文在ETB端口周期性發送，周期為100 ms。該報文用于建立物理拓撲和邏輯拓撲。

3.2 初運行過程

ETB初運行過程見圖2。列車初上電或者重啟時，進入初始化狀態，啟動TTDP進程，配置ETBN交換機端口為轉發狀態，禁止IP轉發，同時禁止ETB與ECN之間的路由轉發。此時開始發送和接收TTDP HELLO幀和TTDP TOPO幀。通過對這些報文的處理，建立物理拓撲和邏輯拓撲，并管理ETB鏈路狀態。物理拓撲包含所有ETBN的物理地址和朝向信息。邏輯拓撲是在物理拓撲基礎上，形成所有編組的有序列表和編組方向。當所有ETBN計算的ETB拓撲計數器一致時，準備初運行并繼續計算物理拓撲和邏輯拓撲。如果ETBN此時未設置禁止初運行標志或節點恢復，進入初運行完成狀態，設置ETB拓撲計數器為當前拓撲有效穩定值，通過邏輯拓撲完成IP映設和服務，包括設置IP地址、子網掩碼、路由等，設置網絡地址轉換(NAT)、域名服務系統(DNS)等，ETB和ECN之間使能路由。物理拓撲和邏輯拓撲的建立算法，TTDP HELLO幀、TTDP TOPO幀處理過程等詳見IEC 61375-2-5：2014相關章節[1]。

圖2 ETB初運行過程

4 ETBN硬件及試驗

ETBN由中央處理單元(CPU)、背板、網絡接口等組成。由于列車工作環境的要求，該產品設計的工作溫度范圍為-40～70 ℃，電源供電電壓在額定電壓的-30%～25%，根據GB/T 24338.4—2018《軌道交通 電磁兼容第 3-2 部分：機車車輛設備》的規定，電源輸入間斷10 ms不引起失效。此外，滿足GB/T 21563—2018《軌道交通 機車車輛設備 沖擊和振動試驗》中規定的振動和抖動要求。ETBN有4個M12-D百兆接口，負責列車級數據接收和轉發[7]。

為驗證ETBN的初運行功能，設計由4個ETBN組成拓撲，其中ETBN1和ETBN2為1個編組且互為冗余，ETBN3和ETBN4為1個編組且互為冗余，分別在4種工況下進行測試，驗證初運行功能、報文發送周期、TTDP HELLO幀和TTDP TOPO幀的內容、初運行時間等[8-9]。

(1) 測試工況1。

測試工況1拓撲見圖3。

圖3 測試工況1拓撲

正常工況下反復上電/重啟，測試初運行功能。測試工況1下ETBN的初運行結果如圖4所示。拓撲中有2個編組，其中ETBN1和ETBN2互為冗余節點，ETBN3和ETBN4互為冗余節點。

圖4 測試工況1下ETBN的初運行結果

(2) 測試工況2。

測試工況2拓撲見圖5。

圖5 測試工況2拓撲

多次重復斷開/連接ETBN1和ETBN2之間的連接線，測試初運行功能。測試工況2下ETBN的初運行結果如圖6所示。在斷開圖5所示位置連接線時，ETBN1標記為紅色，表示在拓撲中丟失，ETBN1成為孤立節點；恢復該連接線時，ETBN1重新加入到拓撲中。

圖6 測試工況2下ETBN的初運行結果

(3) 測試工況3。

測試工況3拓撲見圖7。

圖7 測試工況3拓撲

多次重復斷開/連接ETBN2和ETBN3之間的連接線，測試初運行功能。測試工況3下ETBN的初運行結果見圖8。在斷開圖7所示位置連接線時，拓撲中只有1個編組；恢復該連接線時，拓撲恢復為2個編組。

圖8 測試工況3下ETBN的初運行結果

(4) 測試工況4。

測試工況4拓撲見圖9。

圖9 測試工況4拓撲

多次重復斷開/連接ETBN3和ETBN4之間的連接線，測試初運行功能。測試工況4下ETBN的初運行結果如圖10所示。在斷開圖9中所示位置連接線時，ETBN4標記為紅色，表示該節點在拓撲中丟失，ETBN4成為孤立節點；恢復該連接線時，ETBN4重新加入到拓撲中。

圖10 測試工況4下ETBN的初運行結果

通過抓包軟件分析，ETBN發出的TTDP HELLO幀、TTDP TOPO幀內容符合IEC 61375-2-5：2014標準。TTDP TOPO幀發送周期為100 ms，超時時間為400 ms。TTDP HELLO幀正常模式下發送周期為100 ms。在測試工況3下，恢復連接線時測試ETB拓撲穩定時間小于400 ms，符合TTDP協議的要求。

5 結束語

ETB初運行是列車網絡初始化的關鍵步驟，主要通過TTDP協議完成。ETBN是在列車拓撲發生變化時進行ETB初運行，實現數據轉發、跨編組訪問等功能的關鍵設備[10]。本文對TTDP協議的實現進行了研究，分析了ETB初運行過程及相關算法，簡單介紹了ETBN硬件，通過設計多種測試工況下的試驗，驗證了ETBN的初運行功能。試驗表明該ETBN設備符合IEC 61375系列標準，具有良好的列車級通信功能和性能。