彭云龍　盧京廷　王學(xué)勤　張帆

摘要：傳統(tǒng)列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）難以滿足未來列車通信網(wǎng)絡(luò)高帶寬、實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸需求，于是人們將以太網(wǎng)技術(shù)引進(jìn)到列車通信網(wǎng)絡(luò)中。列車通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)總體上可以歸類為實(shí)時(shí)性要求較高的控制數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)量較大的多媒體數(shù)據(jù)。在兩種數(shù)據(jù)的混合傳輸過程中，如果有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳送大量的多媒體數(shù)據(jù)，就會(huì)產(chǎn)生突發(fā)流量，由于現(xiàn)有的交換芯片緩存容量是共享式的，且容量有限，如果不加以處理，可能會(huì)使重要數(shù)據(jù)產(chǎn)生延遲甚至丟失。因此，該文提出了一種基于國際TCN標(biāo)準(zhǔn)的具有網(wǎng)關(guān)能力的工業(yè)級(jí)三層實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。該方案的核心思想是通過在傳統(tǒng)交換機(jī)中增加FPGA和SDRAM存儲(chǔ)器來提高交換機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力和緩存空間。新的設(shè)計(jì)方案在提升網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時(shí)，還保證了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性，能夠滿足基于以太網(wǎng)的TCN網(wǎng)絡(luò)的需求。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；TCN；ECN；突發(fā)流量；實(shí)時(shí)性

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）20-0037-02

1 背景介紹

近年來，隨著高速鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，列車內(nèi)系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性日益增長(zhǎng)，列車的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)越來越強(qiáng)，控制列車所需傳輸?shù)男畔⒁苍絹碓蕉?，需要的網(wǎng)絡(luò)帶寬隨之不斷增長(zhǎng)。同時(shí)，隨著移動(dòng)通信設(shè)備的爆發(fā)式增長(zhǎng)，乘客和運(yùn)營商對(duì)網(wǎng)絡(luò)接入的需求也不斷提高，因此列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）還要傳輸大量的用戶數(shù)據(jù)，在增加了視頻播放和視頻監(jiān)控系統(tǒng)后，所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬更是急劇增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)無法支持如此巨大的數(shù)據(jù)量。

另一方面，以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)使其在因特網(wǎng)中廣泛采用，把以太網(wǎng)引入到列車通信網(wǎng)中成為列車通信網(wǎng)的研究重點(diǎn)之一?，F(xiàn)在列車上的以太網(wǎng)僅僅負(fù)責(zé)乘客信息系統(tǒng)和音、視頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，與列車的控制管理系統(tǒng)（TCMS）沒有聯(lián)系，是獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

與傳統(tǒng)列車通信網(wǎng)絡(luò)相比，基于以太網(wǎng)的列車通信網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）傳輸速率高：以太網(wǎng)的傳輸速率可以達(dá)到1000Mbps，甚至lOGbps，對(duì)于列車通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來說已經(jīng)完全滿足。

2）組網(wǎng)靈活：以太網(wǎng)支持多種物理傳輸介質(zhì)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)組建靈活簡(jiǎn)單，易于管理。

3）易于擴(kuò)展：以太網(wǎng)有著廣泛的應(yīng)用，易于與其他設(shè)備進(jìn)行連接，使得網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展變得簡(jiǎn)單。

4）價(jià)格優(yōu)勢(shì)：以太網(wǎng)經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)已擁有了諸多設(shè)備制造商，是目前應(yīng)用最廣的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其硬件價(jià)格與TCN設(shè)備相比具有巨大優(yōu)勢(shì)。

5）體積小、易集成：以太網(wǎng)的集成度與日俱增，更有利于列車通信網(wǎng)絡(luò)中減小和精簡(jiǎn)控制單元體積。

6）接入能力強(qiáng)：以太網(wǎng)能夠方便的接入地面的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而達(dá)成信息共享，為地面控制中心提供列車運(yùn)行中的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

7）發(fā)展?jié)摿Υ螅阂蕴W(wǎng)發(fā)展迅速，具有更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展空間。

國際電工委員會(huì)（IEC）起草了以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEC61375-3-4、IEC61375-2-5，旨在推動(dòng)以太網(wǎng)技術(shù)在列車網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的全面發(fā)展。IEC61375-2-5中提出了以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng)（ETB，Ethernet Train Backbone），用交換式以太網(wǎng)來代替原TCN中的WTB總線。在IEC61375-3-4中提出了以太網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)（ECN， Ethernet Consist Networks）代替原TCN中的車輛總線。由此可見IEC正在把基于以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)作為下一代列車通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

圖1 車輛級(jí)別ECN網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)類型示意圖

然而，如圖1所示，在車輛級(jí)別的ECN網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)除了多媒體數(shù)據(jù)，還有控制數(shù)據(jù)等?？傮w上可以歸類為實(shí)時(shí)性要求較高控制數(shù)據(jù)的和數(shù)據(jù)量較大的多媒體數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)類型。在混合傳輸過程中，如果有幾個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳送整幅圖片數(shù)據(jù)或者大量的視頻數(shù)據(jù)，就會(huì)在監(jiān)視器的入端口產(chǎn)生突發(fā)流量，由于現(xiàn)有的交換芯片緩存容量是共享式的（所有端口共享一個(gè)緩存空間），并且容量有限，如果不加以處理，可能會(huì)使重要數(shù)據(jù)延時(shí)甚至丟失。因此，研發(fā)出一種能解決在基于以太網(wǎng)的ECN網(wǎng)絡(luò)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)突發(fā)流量導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的方案是必要的。本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于國際TCN標(biāo)準(zhǔn)的具有網(wǎng)關(guān)能力的工業(yè)級(jí)三層實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備。本設(shè)計(jì)方案不但可以保證所有車輛級(jí)別ECN網(wǎng)絡(luò)中的控制信號(hào)都能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)，還可以保證當(dāng)監(jiān)視器調(diào)用或者保存某個(gè)視頻圖像時(shí)，圖像流暢清晰。

圖2 傳統(tǒng)交換機(jī)設(shè)計(jì)方式

2 傳統(tǒng)的解決方案

基于以太網(wǎng)的TCN具有獨(dú)自承擔(dān)列車上所有的信息傳輸?shù)哪芰?，進(jìn)一步完全取代現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如WTB、MVB、CAN等。但如何保證控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性仍然是一個(gè)目前需要解決的問題?，F(xiàn)有方法有：

1）采用全雙工交換式以太網(wǎng)：采用全雙工交換式以太網(wǎng)技術(shù)可以使個(gè)端口之間的信息流隔離開，同時(shí)使帶寬由共享式轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)占式，從而使以太網(wǎng)的確定性和實(shí)時(shí)性提高。

2）進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)通信傳輸速率：相關(guān)實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)表明，對(duì)于以太網(wǎng)來說，負(fù)載在低于30%以下時(shí)，以太網(wǎng)發(fā)生碰撞的幾率極小。在負(fù)載低于10%以下時(shí)，該幾率更是幾乎為零。因此，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率可以一定程度的提升網(wǎng)絡(luò)的確定性和實(shí)時(shí)性。

3）建立實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議：主要有三個(gè)方面。①在TCP/UDP/IP的上層建立實(shí)時(shí)協(xié)議，比如Modbus/TCP、Ethemet/IP，雖然這種方式可達(dá)到軟實(shí)時(shí)，但不能實(shí)現(xiàn)硬實(shí)時(shí)。②使用實(shí)時(shí)協(xié)議取代TCP/IP，比如Ethernet powerlink，以及我國開發(fā)的EPA（Ethemet for plant Automation）。③在使用實(shí)時(shí)協(xié)議取代TCP/IP的同時(shí)，修改以太網(wǎng)控制器所在的數(shù)據(jù)鏈路層，開發(fā)專用的硬件電路，解決實(shí)時(shí)性問題。

本文采用的方案就是在兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)具有網(wǎng)關(guān)能力的工業(yè)級(jí)三層實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)硬件。針對(duì)傳統(tǒng)交換機(jī)（如圖2所示）設(shè)計(jì)方式中因采用的交叉矩陣或共享式存儲(chǔ)器，而帶來的難以管理的延遲、抖動(dòng)和爭(zhēng)用等問題。本文通過在Switch ASIC和千兆上聯(lián)口間增加FPGA和存儲(chǔ)器來提高交換機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力。

圖3 總體設(shè)計(jì)原理框圖

3 本方案實(shí)現(xiàn)方式

本文提出了一種針對(duì)TCN網(wǎng)絡(luò)的具有網(wǎng)關(guān)能力的工業(yè)級(jí)三層實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)的設(shè)計(jì)方案，主要兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議，同時(shí)增加可自由調(diào)度的大容量緩存空間，以及優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略。圖3所示為本方案的總體設(shè)計(jì)原理框圖，方案平臺(tái)為：千兆交換芯片+ FPGA + DDR2 SDRAM。交換芯片選取帶有兩路千兆上聯(lián)口的芯片，其余接口可為百兆接口。FPGA芯片選取Altera 公司的Cyclone II系列，該系列的高端器件集成了千兆以太網(wǎng)IP 硬核，并可以運(yùn)用Altera公司的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟核處理器的開發(fā)。DDR2 SDRAM容量選擇4GB容量的存儲(chǔ)芯片。具體實(shí)現(xiàn)方式如下：

1）首先利用Altera公司的SOPC Builder工具，在FPGA芯片上搭建片上系統(tǒng)SOPC，該片上系統(tǒng)包含一個(gè)處理器，并提供一路DDR2存儲(chǔ)器接口。DDR2 存儲(chǔ)器接口外接4G容量的DDR2 SDRAM，用于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的緩存空間。

2）配置FPGA芯片為多通道MAC模式，支持雙路千兆以太網(wǎng)端口。并配置千兆以太網(wǎng)為全雙工模式，符合1000BASE-X/SGMII標(biāo)準(zhǔn)的接口。交換芯片的千兆接口SGMII/RGMII與FPGA芯片的千兆MAC互連，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)線路數(shù)據(jù)的互聯(lián)。網(wǎng)絡(luò)連接示意圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

3）DDR2 SDRAM芯片通過FPGA例化的片上系統(tǒng)分配為8個(gè)地址空間，分別為queue 0-7（如圖5所示）。分別對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)0-7。用以存放不同的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)流。FPGA芯片將千兆MAC端口的收發(fā)數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)，共分為0-7共8個(gè)優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)為0的隊(duì)列優(yōu)先級(jí)最高，優(yōu)先級(jí)字段為7的字段優(yōu)先級(jí)最低。

圖5 DDR2 SDRAM 存儲(chǔ)空間劃分

4）從千兆上行口以及本地業(yè)務(wù)口經(jīng)過GMAC進(jìn)入FPGA的不同數(shù)據(jù)流，根據(jù)預(yù)先配置好的優(yōu)先級(jí)標(biāo)志位，由片上處理器控制調(diào)度緩存到DDR2 SDRAM的不同存儲(chǔ)空間中。例如當(dāng)FPGA中的片上系統(tǒng)識(shí)別到數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)號(hào)碼為1，權(quán)重配置標(biāo)志位為20%時(shí)，處理器則將數(shù)據(jù)流1的數(shù)據(jù)緩存到DDR2 SDRAM的隊(duì)列queue1中，并將GMAC的整體傳輸帶寬預(yù)留20%給數(shù)據(jù)流1，來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。并優(yōu)先級(jí)排在數(shù)據(jù)流號(hào)碼為0的優(yōu)先級(jí)后調(diào)度。

4 方案優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)交換機(jī)相比，本方案考慮了ECN網(wǎng)絡(luò)中通信數(shù)據(jù)的突發(fā)性和實(shí)時(shí)性問題，具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的緩存，防止多媒體數(shù)據(jù)的丟失。在傳統(tǒng)以太網(wǎng)架構(gòu)的ECN網(wǎng)絡(luò)中，視頻數(shù)據(jù)由于瞬時(shí)帶寬過大而出現(xiàn)畫面延遲或者出現(xiàn)馬賽克，本設(shè)計(jì)能有效解決這一問題。

（下轉(zhuǎn)第40頁）

（上接第38頁）

2）兼容傳統(tǒng)以太網(wǎng)協(xié)議，本方案并不需要改變以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)，而是在兼容普通以太網(wǎng)協(xié)議的基礎(chǔ)上，以增加硬緩存的模式，增加容量，保證帶寬。

3）實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度，為重要數(shù)據(jù)留出通道，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。在ECN網(wǎng)絡(luò)中，有一些實(shí)時(shí)性要求較高的控制數(shù)據(jù)，需要傳輸準(zhǔn)確，準(zhǔn)時(shí)，因此在本次設(shè)計(jì)中，考慮在緩存空間設(shè)置不同的隊(duì)列，并根據(jù)預(yù)先配置的優(yōu)先級(jí)，以及優(yōu)先級(jí)的權(quán)重比例，來控制整個(gè)數(shù)據(jù)流量的通道，使重要數(shù)據(jù)不丟失，低時(shí)延，低抖動(dòng)傳輸。

4）可以根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)度數(shù)據(jù)緩存，更加有效利用資源。傳統(tǒng)先入先出的存儲(chǔ)方式會(huì)因?yàn)橥ǖ赖南拗贫霈F(xiàn)傳輸瓶頸，添加優(yōu)先級(jí)調(diào)度方式配合權(quán)重調(diào)度，可以有效的利用原有帶寬和緩存，減少不必要的冗余。

5 結(jié)束語

針對(duì)TCN網(wǎng)絡(luò)對(duì)帶寬需求的不斷增加，本文分析了基于以太網(wǎng)的TCN的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。為了解決傳統(tǒng)以太網(wǎng)架構(gòu)的ECN網(wǎng)絡(luò)中由于瞬時(shí)帶寬過大而造成通信延遲的問題，本文提出了一種針對(duì)TCN網(wǎng)絡(luò)的具有網(wǎng)關(guān)能力的工業(yè)級(jí)三層實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案。通過增加FPGA來提高交換機(jī)的實(shí)時(shí)處理能力，通過添加與FPGA相連的SDRAM存儲(chǔ)器來增加可自由調(diào)度的大容量緩存空間，以及優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略。下一步將搭建交換機(jī)硬件實(shí)物來對(duì)本方案的實(shí)時(shí)性能進(jìn)行進(jìn)一步的分析驗(yàn)證。

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