面向列車(chē)以太網的FAST-TSN實驗環境（3）SD-ETB網絡志子原理
發布時(shí)間：2019-02-22
電船;SDN基本特點是轉發控制分離和可編程的集中控制。由于列車議西(chē)網絡相對封閉，規模有限，因此十分短慢适合SDN技術的應用。由于列車(chē)網絡在網絡連接、拓撲結構知在和冗餘控制方面具有特殊要求，因此無法将現有SDN解決方案（交換機、控制器(湖作qì)、協議等）直接應用于ETB的組網，必須針對ET站時B的特點提出新的處理機制和協議。本文将基于SDN的E訊美TB網絡簡稱為(wèi)SD-ETB。
一、SD-ETB網絡設計原則
看說
（1）ETB和森子SDN的主要差異
通機 SDN機制無法直接用于ETB組網，主要原因是區木兩種網絡在拓撲依賴、控制方式和交換設備模型方面具有較大讀月(dà)差異，如(rú)下表所示。
表1 ETB和SDN的實現機制比較
|
ETB |
SDN |
| 網絡拓撲 |
線性或環形拓撲 |
網狀或樹狀拓撲 |
| 控制通(tōng)道 |
無獨立控制通(tōng)道 |
依賴專用控制通(tōng)道 |
| 拓撲發現 |
基于廣播（Topology消息）發現拓撲，通(tōng)過比對拓撲目家技錄校(xiào)驗和來維護分布計算結果的一我雨緻性 |
SDN控制器(qì)通(tōng)過發送和接收單播的業日LLDP消息計算網絡拓撲 |
| 接口配置 |
連接ETB子(zǐ)網的多個接口共享一個IP地址 |
每個網絡接口具有獨立的IP地址 |
| 設備IP地址分配 |
初運行時(shí)通(tōng)過分布協議計算出ETBN的IP地址，以上見及連接和CN子(zǐ)網的前綴 |
在SDN網絡初始化之前，管理員需預先配置交換機的IP地址 |
| 轉發表生成 |
通(tōng)過分布協議在初運行時(shí)計算通章得(de)到 |
由控制器(qì)統一下發 |
（2）門唱SD-ETB設計原則
&nbs見但p; 由于ETB和标準SDN網絡具習志有較大(dà)差異，因此SD-ETB的設計必須考慮ETB組網的劇吃基本特點，滿足列車(chē)網絡對動态重構、冗餘控制花章等特殊要求。我們(men)認為(wèi)SD-ETB的的設計原則包括家們以下幾點。
&n花金bsp;一是兼容ETB物理層規範。ETB物理層規範除了定義以太網鍊路的物理業化層規範外（全雙工(gōng)100M以太網），還包括車(ch白草ē)廂之間的物理連接形式。如(rú)果每個ETBN采用SDN山空交換的方式實現，那麼ETB定義的車(chē)廂間走線形紙風式無法支持每個交換設備通(tōng)過專用的控制接師視口與SDN控制器(qì)連接，因此标準的S雜國DN基于LLDP協議的拓撲發現機制無法工(gōng)作，必須提出新事弟的拓撲發現機制。
二黑筆是采用動态的IP地址分配形式。ETB規範的特點就是支持具有不(bù)同電美來源的車(chē)輛（consist）能夠根據需求編組形成新的列路懂車(chē)，因此每個車(chē)輛中網絡設備的IP地址不(bù)離低能預先配置，以防止IP地址沖突。因此ET金就B在初運行時(shí)為(wèi)每個ETBN從雪和車(chē)輛子(zǐ)網（CN）統一分配ID，由這些ID來構成運近爸行時(shí)的IP地址。标準SDN網絡在建立南道門向接口通(tōng)道（如(rú)openflow通(tō話視ng)道）時(shí)首先要求每個交換機都有自己的IP地址，而這頻照個假設在ETB中無法成立。由于SDN網絡中最大(dà)限度減小分布式協議市公的使用，因此标準ETB網絡中基于TTDP協議的全分布式ID分配和IP少報地址生成機制需要被SD-ETB中新的集中控制的IP地址分配機笑員制取代。
三這妹是SD-ETB部署對端系統和應用保持透明。列車(chē西上)網絡上具有大(dà)量的網絡端節點，這些端節點或直黃錢接接在ETB子(zǐ)網上，或接在通(tōng)過ETB子(zǐ)網互聯的各短妹CN子(zǐ)網上。這些端節點上部署各種狀态檢測、車(chē)輛習謝運行控制和多媒體應用。用SD-ETB取代現有ETB隻能定位在讀拍列車(chē)網絡基礎設施升級，必須對端節點及其應用訊新透明，因此SD-ETB在IP地址編碼規則，ARP地址解析、組播通(tōng)信用高，傳輸層協議等方面必須保持與ETB一緻。
&n雨說bsp; 四是SD-ETB具有增強的冗餘街可控制能力。面向環形拓撲，支持拓撲發現及環網工(gōng)作狀态的自動站好監測。當鍊路和交換節點發生故障後，能夠實現ms級的轉發路徑倒換，保證關鍵業船湖務的不(bù)中斷傳輸。特别是SDN控制器(qì)應具備冗餘體站功能，避免SDN集中控制帶來的單點故障。
&nbs新民p;五是簡化的交換設備（ETBN）實現。SDN将跳紅交換設備的可控制功能（智能）提取到控制器(qì)上實現，每個E媽電TBN隻需支持南向接口協議（如(rú)ope遠東nflow）的配置。因此SD-ETB網絡中的ETBN實現與現有ETBN實現有哥風兩點區别。一是建立明确的Match-action轉發層抽象，為(wèi)控制黑呢器(qì)的編程提供基礎；二是隻支持簡單鐵愛的無狀态的網絡協議，
二、SD-ETB網絡的實現原理
（1）S友女D-ETB的組成
文高; SD-ETB主要由N個環形連接的軟件定煙為義ETBN節點（SD-ETBN）以及兩個以上的SD-ETB控制器(qì慢費)組成，如(rú)圖1所示。每個車(chē)輛中包含1個或多個S裡冷D-ETBN，每個ETBN可能連接1個或多個車(chē)輛綠工網絡（CN）。ETB網絡變成SD-ETB對CN透明。
門門
圖1 SD-ETB子(zǐ)網結構圖
草知
多個SD-這聽ETB網絡控制器(qì)通(tōng)過協商産生一個主SD-ETB控制上現器(qì)，其餘作為(wèi)從SD-ETB控制器(qì校友)。主SD-ETB控制器(qì)負責網絡拓撲發現，IP地址分配，轉發表下短新載和ETB環檢測等功能。每個SD-ETBN設備支持站兒openflow1.3協議，支持SD-ETB控制器(qì)對其進行流表的配置藍煙。
（2）SD-ETB的核心機制
&nbs煙到p; SD-ETB解決方案的主要機制包含4項關鍵的和現處理機制，即環網控制器(qì)選舉RCE問歌（RingController Election算窗）、環網拓撲發現RTD（Ring Topology 外分Discovery），環網狀态遙測RST（Rin弟內g StatusTelemetry）以及環網彈性轉發R司人RF（Ring Resilient Forwarding年喝），如(rú)下表所示。
| 機制 |
功能 |
工(gōng)作原理說(shuō)明 |
| RCE |
在分布在多個車(chē)輛中的SD-ETB控制器(qì)中選舉外吧主控制器(qì) |
（1）初始化時(shí)多個控制器(qì)近多間的連接是不(bù)存在的（環網還不(bù)同光紙），這些控制器(qì)首先通(tōng)過RT謝要D的拓撲發現進行相互發現；
（2）每個車(chē)輛隻能由一個控制器(qì)，選擇具妹答有最小CSTUUID的車(chē)輛包含的控制器(qì)作為(wèi)主控自玩制器(qì)，次小的作為(wèi)從控制器(qì)；
（3）從控制器(qì)檢銀購測主控制器(qì)的狀态，必要時(shí)發起切換。
（4）控制器(qì)切換不(bù)影響ETB船火環的工(gōng)作 |
| RTD |
發現環網中的SD-ETBN設備和拓撲連接關系 |
（1）控制器(qì)通(tōng)過發出RTD消息發起叠代拓撲發現過話輛程；
（2）隻有SD-ETBN設備響應RTD消息（包含自己接口數，睡西MAC地址，所在車(chē)輛CSTUUID等），開報CN設備和ED設備不(bù)響應RTD消息有錢；
（3）控制器(qì)首先通為做(tōng)過packet-out分組向直連的SD-ETBN發現喝送RTD消息，然後根據返回的接口信息，再依次向該設備其他(t呢照ā)接口相連的設備發送RTD消息；
（4）多個控制器(qì)可能同時(shí)厭線基于RTD發起拓撲探測，在拓撲探測過程中相互發現；
（5）SD-ETBN接受具有最小CSTU化一UID的控制器(qì)對自己的地址配置；刀間 |
| RST |
控制器(qì)通(tōng)過RST分組，獲取整個環網上的老相設備狀态； |
（1）主控制器(qì)周期性的向環網發送RST分技老組；
（2）每個SD-ETBN将自己的那草狀态（接收發送時(shí)間戳、輸出隊列長(cháng)度等）填寫輛費到RST中；
（3）RST依次通(tōng)過環上的每個SD-ETBN，又船最終返回控制器(qì)；
（4）如(rú)果控制器(qì)發現RST分組超時(sh我近í)未返回，則啟動RTD機制重新檢測環拓撲狀态； |
| RRF |
環路故障時(shí)不(bù)需控制器(qì)幹預的冗餘路徑自動切換 |
（1）每個SD-ETBN能夠感知環的上下行接能歌口，這兩個接口共用IP地址，連接ED或CN的其他(tā)每個接口有一個IP地短章址；
（2）轉發表中同時(shí)标記轉發路徑和冗餘路徑；關姐
（3）SD-ETBN通(tōng)過檢測接口狀态高會（Up/down）變化和雙向RST分組到長村達情況自主判斷确定冗餘路徑切換的時(shí購開)機 |
&nb街唱sp;我們(men)将基于開(kāi)源的Fl工制oodlight控制器(qì)和openb工分ox-S4平台實現SD-ETB的基本功能，并通(對煙tōng)過擴展openbox-S4中的FAST流水線将TS雜遠N功能集成到環形ETB中。
