CN112311623A - 应用于列车的时间敏感网络测试平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于列车的TSN测试平台及测试方法，属于列车通信技术领域，测试平台包括：上位机、TSN交换机以及列车终端设备；其中，上位机用于下发测试指令；列车终端设备根据通信优先级分为TSN设备和非TSN设备；TSN交换机将经过的数据流分为实时数据流和尽力而为数据流，分别对数据进行转发；实时数据流即为流过TSN设备的数据流，尽力而为数据流即为流过非TSN设备的数据流；一个TSN交换机与一个或多个列车终端设备连接，完成列车终端设备间的通信功能。该测试平台基于TSN技术，可以验证列车车载网络系统利用TSN技术的关键特性和能力，实现微秒级时延，纳秒级时钟同步；实现高带宽传输，满足大容量数据传输要求。

Description

应用于列车的时间敏感网络测试平台及测试方法

技术领域

本发明涉及列车通信技术领域，特别是涉及应用于列车的时间敏感网络测试平台及测试方法。

背景技术

时间敏感网络(timesensitive network，TSN)最初来源于在视频领域的应用需求，例如高清的数据，要通过网络传输到处理中心，对于带宽的要求显然是很大的，而另一方面，为了最大限度的提供实时性，需要这些图像、音频必须实现高实时的传输与处理。TSN的重点是对当前的二层以太网络进行特性增强，为特定的业务流量提供确定时延的网络传输。

随着技术的发展，TSN技术拓展到了列车通信领域，大家都在积极研究列车TSN控制系统体系架构，构建网络与控制系统模型，以便改善列车通信延时并提高调度能力，并且使TSN在满足未来分布式智慧列车动态编组需求的同时，提高车辆控制系统分布式智能组网的灵活性。

目前，列车以太网通信普遍使用基于TRDP协议栈的UDP或TCP通信，过程数据(实时通信的数据)采用周期性发送方式，不同设备使用不同的组播地址进行数据接收，发送周期由发送设备自身定时实现，一般都是软件定时器，周期不稳，而且不能将周期设定到太小，目前基本周期基本是10ms以上，再小则周期很不稳定，无法满足现场需求。同时，基于传统列车以太网通信，网络拥堵时造成丢包，可靠性较差。为了能够测试基于TSN的列车以太网通信网络的实时性和同步性，亟需一种TSN测试平台。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用于列车的TSN测试平台及其测试方法。该方案以TSN技术为基础，构建了应用于列车的TSN测试平台，实现基于以太网的列车TCMS(列车控制和管理系统，Train Control and Management System)系统与PIS系(乘客信息系统，Passenger Information System)统的通信测试。

本发明提供了以下技术方案：

一种应用于列车的TSN测试平台，包括：上位机、TSN交换机以及列车终端设备；

其中，上位机用于下发测试指令；

列车终端设备根据通信优先级分为TSN设备和非TSN设备；

TSN交换机将经过的数据流分为实时数据流和尽力而为数据流，分别对数据进行转发；实时数据流即为流过TSN设备的数据流，尽力而为数据流即为流过非TSN设备的数据流；

一个TSN交换机与一个或多个列车终端设备连接，完成列车终端设备间的通信功能。

进一步地，所述TSN设备包括：TCMS系统设备。

进一步地，所述非TSN设备包括：PIS系统。

进一步地，所述TSN交换机的数量为两个或两个以上，包括主TSN交换机和从TSN交换机，主TSN交换机与上位机相连接，主TSN交换机接受上位机的指令，并将指令发送给从TSN交换机。

本发明还提供了一种如上述应用于列车的TSN测试平台的实时性测试方法，所述方法包括：

上位机下发实时性测试指令；

TSN交换机将流过各个端口的数据包信息上传给上位机；

上位机通过数据包判断是否为TSN设备的数据流；

上位机根据数据报文的时间戳分别计算TSN设备的通信时延以及非TSN设备的通信时延；

将计算出的TSN设备的通信时延以及非TSN设备的通信时延分别与设定的通信周期比较，计算误差，以确定列车TCMS系统与PIS系统的通信是否符合通信实时性要求。

本发明还提供了一种如上述应用于列车的TSN测试平台的可靠性测试方法，所述方法包括：

上位机下发可靠性测试指令，使TCMS系统和PIS系统均发送大量报文，模拟网络拥堵；

TSN交换机将流过各个端口的数据包信息上传给上位机；

上位机通过数据包判断是否为TSN设备的数据流；

上位机根据数据包分别统计两个系统的丢包情况，以确定列车TCMS系统与PIS系统的通信是否符合可靠性要求。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的应用于列车的TSN测试平台，可以验证列车车载网络系统利用TSN技术的关键特性和能力，实现微秒级时延，纳秒级时钟同步；实现高带宽传输，满足大容量数据传输要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种应用于列车的TSN测试平台的结构框图；

图2为本发明实施例中一种TSN测试平台的实时性测试流程图；

图3为本发明实施例中一种TSN测试平台的可靠性测试流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供了一种应用于列车车载以太网的TSN测试系统及测试方法，以TSN技术为基础，实现基于以太网的列车TCMS系统与PIS系统的通信测试。

参见图1，其示出了本发明实施例中一种应用于列车的TSN测试平台的结构框图。该测试平台包括：包括上位机、TSN交换机以及列车终端设备(ED)。

其中，上位机下发指令，进行测试；

列车终端设备根据通信优先级分为TSN设备和非TSN设备，其中一些终端设备为TSN设备(比如TCMS系统设备)，要求通信实时性高，而另一些终端设备为非TSN设备(比如PIS系统)，要求通信实时性相对较低。TSN以传统以太网为基础，支持关键流量和尽力而为(best-effort，BE)的流量共享同一网络基础设施，同时保证关键流量的传输不受干扰。

TSN交换机将通过的数据流分为实时数据流和尽力而为数据流，分别对数据进行转发。实时数据流即为流过TSN设备的数据流，尽力而为数据流即为流过非TSN设备的数据流。

一个TSN交换机可以与一个或多个ED连接，完成ED间的通信功能。根据列车情况不同，系统中使用的TSN交换机数量不同，可能包含两个或以上个TSN交换机，其中与上位机相连接的TSN交换机为主TSN交换机，其他TSN交换机为从TSN交换机，主TSN交换机接受上位机的指令，并将指令发送给从TSN交换机。TSN交换机根据接受到的指令进行数据转发工作。

TSN具有时间同步的特点，全局时间同步是大多数TSN标准的基础，用于保证数据帧在各个设备中传输时隙的正确匹配，满足通信流的端对端确定性时延和无排队传输。TSN利用IEEE802.1AS在各个时间感知系统之间传递同步消息，提供精确的时间同步。

同时，TSN具有确定性传输的特点，TSN可以保证在最坏情况下的数据传输时延。TSN通过对数据流量的整形、无缝冗余传输、过滤和基于优先级调度等，实现对关键数据的高可靠、低延时、零分组丢失的确定性传输。

基于TSN的上述两个特点，本发明实施例中应用于列车的TSN测试平台通过上位机下发指令，可实现通信实时性测试以及可靠性测试。

下面对基于上述实施例中的应用于列车的TSN测试平台实现的通信实时性测试以及可靠性测试进行具体说明。

(1)、通信实时性测试：

首先，上位机下发实时性测试指令，TSN交换机将各个端口的数据报文的信息上传给上位机，上位机通过数据包判断是否为TSN设备的数据流，再分别分析数据报文的精准时间戳计算得出网络时延，可以明显得看出TSN网络与传统以太网相比的实时性优势。

参见图2，其示出了本发明实施例中的一种基于应用于列车的TSN测试平台的通信实时性测试方法的流程图，该方法包括：

S201、上位机下发实时性测试指令；

S202、TSN交换机将流过各个端口的数据包信息上传给上位机；

S203、上位机通过数据包判断是否为TSN设备的数据流；

S204、上位机根据数据报文的时间戳分别计算TSN设备的通信时延以及非TSN设备的通信时延；

S205、将计算出的TSN设备的通信时延以及非TSN设备的通信时延分别与设定的通信周期比较，计算误差，以确定列车TCMS系统与PIS系统的通信是否符合通信实时性要求。

(2)、可靠性测试：

首先，上位机下发可靠性测试指令，使TCMS系统与PIS系统均发送大量报文，模拟网络拥堵，然后，TSN交换机将各个端口的数据报文的信息上传给上位机，上位机通过数据包判断是否为TSN设备的数据流，再分别统计两个系统的丢包情况，根据丢包情况以及TCMS系统与PIS系统的运行情况可以验证TSN的可靠性优势。

参见图3，其示出了本发明实施例中的一种基于应用于列车的TSN测试平台的可靠性测试方法的流程图，该方法包括：

S301、上位机下发可靠性测试指令，使TCMS系统和PIS系统均发送大量报文，模拟网络拥堵；

S302、TSN交换机将流过各个端口的数据包信息上传给上位机；

S303、上位机通过数据包判断是否为TSN设备的数据流；

S304、上位机根据数据包分别统计两个系统的丢包情况，以确定列车TCMS系统与PIS系统的通信是否符合可靠性要求。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种应用于列车的TSN测试平台，其特征在于，包括：上位机、TSN交换机以及列车终端设备；

其中，上位机用于下发测试指令；

列车终端设备根据通信优先级分为TSN设备和非TSN设备；

TSN交换机将经过的数据流分为实时数据流和尽力而为数据流，分别对数据进行转发；实时数据流即为流过TSN设备的数据流，尽力而为数据流即为流过非TSN设备的数据流；

一个TSN交换机与一个或多个列车终端设备连接，完成列车终端设备间的通信功能。

2.根据权利要求1所述的应用于列车的TSN测试平台，其特征在于，所述TSN设备包括：TCMS系统设备。

3.根据权利要求1所述的应用于列车的TSN测试平台，其特征在于，所述非TSN设备包括：PIS系统。

4.根据权利要求1所述的应用于列车的TSN测试平台，其特征在于，所述TSN交换机的数量为两个或两个以上，包括主TSN交换机和从TSN交换机，主TSN交换机与上位机相连接，主TSN交换机接受上位机的指令，并将指令发送给从TSN交换机。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的应用于列车的TSN测试平台的实时性测试方法，其特征在于，所述方法包括：

上位机下发实时性测试指令；

TSN交换机将流过各个端口的数据包信息上传给上位机；

上位机通过数据包判断是否为TSN设备的数据流；

上位机根据数据报文的时间戳分别计算TSN设备的通信时延以及非TSN设备的通信时延；

将计算出的TSN设备的通信时延以及非TSN设备的通信时延分别与设定的通信周期比较，计算误差，以确定列车TCMS系统与PIS系统的通信是否符合通信实时性要求。

6.一种如权利要求1～4任一项所述的应用于列车的TSN测试平台的可靠性测试方法，其特征在于，所述方法包括：

上位机下发可靠性测试指令，使TCMS系统和PIS系统均发送大量报文，模拟网络拥堵；

TSN交换机将流过各个端口的数据包信息上传给上位机；

上位机通过数据包判断是否为TSN设备的数据流；

上位机根据数据包分别统计两个系统的丢包情况，以确定列车TCMS系统与PIS系统的通信是否符合可靠性要求。

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