城際鐵路信號系統(tǒng)通信控制服務(wù)器(CCS)的ISDN服務(wù)器設(shè)計

鄭長宗 管偉軍 徐登科 楊霓霏

CCS(通信控制服務(wù)器)，是城際鐵路信號系統(tǒng)中地面中心控制設(shè)備的重要組成部分，完成車-地通信、運行計劃傳輸和車-地屏蔽門聯(lián)控功能。CCS與車載ATP的通信遵從subset037規(guī)定，在應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸需要2個功能模塊，即安全功能模塊(SFM)和通信功能模塊 (CFM)，其中CCS端的CFM由ISDN服務(wù)器實現(xiàn)。ISDN服務(wù)器維護車-地之間數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層的連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。本文重點討論ISDN服務(wù)器的設(shè)計。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

ISDN通信功能的硬件以插卡形式存在，有PCI-E與CBCI 2種插卡形式。下面以CBCI插卡:德國Gerdes CORP公司的PrimuX為例，說明ISDN服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計。為保證ISDN通信卡的可靠性，ISDN服務(wù)器的硬件平臺采用2塊ISND卡互為冷備通道，分別安裝在CBCI機籠的2套計算機上。ISDN服務(wù)器與CCS及MSC的外部接口如圖1所示。

ISDN服務(wù)器與CCS的連接采用以太網(wǎng)，具體接口對象是CBCI計算機連接到CCS通信前置機。以太網(wǎng)協(xié)議采用UDP協(xié)議，安全協(xié)議采用CCS內(nèi)部通信安全協(xié)議。為保證連接的可靠性，連接方式采用雙網(wǎng)冗余且交叉的方式。

圖1 CCS-ISDN服務(wù)器與MSC的接口圖

ISDN服務(wù)器與MSC(Mobil Station Center，移動基站中心)的連接采用ISDN PRI接口 (2Mb/s同軸電纜)，具體接口對象是 PrimuX卡的 TE(Terminal Equipment，終端設(shè)備)口連接到 MSC上。信令規(guī)程采用DSS1信令方式，速率采用基群速率ISDN(PRI)服務(wù)。

2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 ISDN服務(wù)器協(xié)議層次

subset037中描述了車-地通過開放式無線網(wǎng)絡(luò)進行安全通信協(xié)議棧的整體層次結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 車-地?zé)o線安全通信協(xié)議層次

圖2中最底層的接口1、接口2是GSM-R網(wǎng)絡(luò)與無線通信系統(tǒng)之間的接口。接口3、接口4為層間服務(wù)接口，接口3為安全應(yīng)用 (如ATP/ATC)與SFM(即圖3中安全層)之間的服務(wù)接口，接口4為非安全應(yīng)用或維護應(yīng)用與CFM之間的服務(wù)接口。接口6、接口7為邏輯對等實體間的協(xié)議接口。接口8為應(yīng)用對等實體間的接口，即CCS與ATP應(yīng)用接口協(xié)議中規(guī)定的接口。

SFM體現(xiàn)在圖2中的接口7。CFM包括OSI參考模型第4層 (傳輸層)、第3層 (網(wǎng)絡(luò)層)和第2層 (數(shù)據(jù)鏈路層)，體現(xiàn)在圖中的接口6。為方便實現(xiàn)各層次的軟件接口，在硬件設(shè)計上對安全通信的協(xié)議棧按SFM與CFM的界限進行劃分:把SFM設(shè)計在CCS的安全通信平臺上，CFM的3個層次及物理層整體設(shè)計在ISDN服務(wù)器上。

2.2 ISDN軟件結(jié)構(gòu)

ISDN服務(wù)器軟件設(shè)計在CBCI計算機之上，如圖3所示。應(yīng)用程序應(yīng)設(shè)計成3個模塊:SFM、SFM-CCS接口、SFM-MSC接口，包含傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層，同時應(yīng)具備與上層CCS通信前置機及SFM的接口，與下層CAPI的D/B信道接口。

軟件設(shè)計運行的基礎(chǔ)環(huán)境應(yīng)具備Windows-CE操作系統(tǒng)及PrimuX卡的驅(qū)動程序。其中，操作系統(tǒng)提供了應(yīng)用程序的運行平臺，及與CCS通信前置機通信的以太網(wǎng)驅(qū)動程序，PrimuX卡的驅(qū)動程序提供了應(yīng)用程序與物理層的D/B信道適配的CAPI協(xié)議接口。

因此應(yīng)用程序設(shè)計為3個部分:CFM模塊、CFM-CCS模塊、CFM-MSC模塊，如圖3所示。其中，CFM模塊包含傳輸層TL、網(wǎng)絡(luò)層NL、數(shù)據(jù)鏈路層 DLL;CFM-CCS模塊包含與 SFM接口、與CCS通信前置機接口;CFM-MSC模塊包含與CAPI協(xié)議的D/B信道接口。

CFM-CCS模塊是因ISDN服務(wù)器硬件與CCS分離而產(chǎn)生的接口，由CCS廠商自行定義，CFM-MSC模塊由CAPI提供接口支持，功能完備。subset037第8章中詳細規(guī)定CFM模塊內(nèi)部各個層次的性能與參數(shù)配置。

3 各層次的功能

圖3 ISDN應(yīng)用軟件層次與接口

1.數(shù)據(jù)鏈路層，即數(shù)據(jù)通道，城際鐵路信號系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)鏈路層采用HDLC協(xié)議，主要實現(xiàn)功能:①鏈路管理建立、維持、釋放連接、鏈路標(biāo)識等功能;②數(shù)據(jù)傳輸提供數(shù)據(jù)傳送;③差錯檢測和恢復(fù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，通過檢測和糾正物理層產(chǎn)生的傳送錯誤來實現(xiàn);④幀同步采用異步平衡模式，對收發(fā)順序進行控制，實現(xiàn)通信雙方的同步;⑤高優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸;⑥流量控制。

2.網(wǎng)絡(luò)層，主要實現(xiàn)功能:①協(xié)調(diào)功能，提供B/Bm信道協(xié)議棧與信令協(xié)議棧之間的同步機制;②分割重組功能，使用CSPDNs的T.70網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，僅采用T.70包頭，把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議單元(Network Service Data Unit，NSDU)拆包成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元 (Network Protocol Data Unit，NPDU)，NPDU組包成NSDU。

3.傳輸層，主要實現(xiàn)功能:①復(fù)用功能，可實現(xiàn)多個傳輸層連接共同使用一個網(wǎng)絡(luò)層連接;②優(yōu)先級處理，車載設(shè)備呼叫CCS時應(yīng)攜帶eMLPP優(yōu)先級;③釋放網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)所有的傳輸層連接被釋放后，網(wǎng)絡(luò)層連接隨之被釋放，若網(wǎng)絡(luò)層連接因異常被釋放，也會立即告知傳輸層，使傳輸層連接中斷;④尋址，傳輸層在建立連接時，連接雙方的CR-TPDU和CC-TPDU攜帶有地址信息，用于連接雙方進行身份識別，防止非法用戶接入;⑤拆包/組包，當(dāng)傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元 (TSDU)超長，發(fā)送方應(yīng)對TSDU進行拆包處理，接收方收到TPDU后，應(yīng)能根據(jù)包頭重組多個TPDU。

4 各層次連接過程

4.1 連接建立

CCS-ISDN服務(wù)器作為DCE端，不主動發(fā)起連接請求，連接建立只能由車載ATP作為DTE端發(fā)出。傳輸連接在車載SFM向CFM的傳輸層(TL)請求連接建立的時候開始。SFM可以在TSAP上通過帶有相關(guān)參數(shù)的T-CONNECT.req原語使用連接服務(wù)。TL可以在網(wǎng)絡(luò)層(NL)NSAP上通過帶有相關(guān)參數(shù)的N-CONN.req原語使用連接服務(wù)。NL通過物理層D信道向CCS發(fā)起連接請求，在物理層連接建立后，NL通過DL-CONN.req原語請求建立連接。

ATP的DLL通過SABME異步平衡信息幀，發(fā)起DLL連接。CCS-ISDN服務(wù)器的DLL在收到ATP的SABME后，通過發(fā)送DL-CONN-ind原語給NL請求連接，NL通過發(fā)送N-CONN-ind原語給TL請求連接，TL通過發(fā)送N-CONN-respt原語給NL同意連接，NL通過發(fā)送DL-CONN-respt原語給DLL同意連接，DLL發(fā)送UA幀給ATP。

ATP在規(guī)定時間內(nèi)收到CCS的UA幀后，DLL層連接建立。ATP的 DLL給 NL發(fā)送 DLCONN.conn-conf原語確定NL連接已建立，NL給TL發(fā)送N-CONN.conf原語確定TL連接建立。此時通信雙方對等連接建立成功。連接建立時序如圖4所示。

4.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)在傳輸連接成功建立后提供。通信服務(wù)用戶在TSAP上通過帶有相關(guān)參數(shù)的T-DATA.request原語使用該項服務(wù)。CFM提供透明可靠的全雙工用戶數(shù)據(jù)傳輸，并對其用戶隱藏內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理細節(jié)。發(fā)送數(shù)據(jù)時序:應(yīng)用數(shù)據(jù)到達后轉(zhuǎn)換成T-Data-req原語發(fā)往TL，TL分割處理數(shù)據(jù)后封裝為DT TPDU，以N-Data-req原語發(fā)往NL，NL分割處理數(shù)據(jù)后，以 Dl-Data-req的原語發(fā)到DLL，DLL將應(yīng)用消息封裝為I幀，通過物理層B信道，經(jīng)由ISDN通信卡GSM-R網(wǎng)絡(luò)發(fā)往接收方對等層次。時序如圖5所示。接收數(shù)據(jù)域發(fā)送數(shù)據(jù)時序相反對稱，不再累述。

4.3 連接釋放

圖4 連接建立時序圖

圖5 發(fā)起方數(shù)據(jù)傳輸時序圖

CCS-ISDN服務(wù)器作為DCE端，不主動發(fā)起連接釋放，連接釋放只能由車載ATP作為DTE端發(fā)出。當(dāng)CCS-ISDN服務(wù)器的CFM出現(xiàn)異常拆鏈時，也會主動釋放連接。連接釋放時序應(yīng)從發(fā)起方和應(yīng)答方兩方面描述。

雙方時序:發(fā)起方CFM向應(yīng)答方發(fā)送DR TPDU，通過向TL發(fā)送帶有相關(guān)參數(shù)的T-DISC.req原語實現(xiàn)傳輸連接釋放。應(yīng)答方TL收到DR TPDU后，回復(fù)DC TPDU。發(fā)起方TL到該 DC TPDU后釋放連接，并向NL發(fā)送 N-Disc-req，NL收到該原語后釋放NL連接，并向DLL發(fā)送 DL-Disc-req原語，DLL向應(yīng)答方發(fā)送DISC幀。應(yīng)答方收到DISC幀后，向發(fā)起方發(fā)送UA幀，釋放DLL連接，并隨之釋放NL、TL連接。發(fā)起方收到UA幀后，DLL連接釋放，此時連接雙方的鏈路層釋放連接。連接釋放過程與連接建立過程的前半部分類似，時序圖不再累述。

5 結(jié)論

ISDN服務(wù)器在CCS中起到了OSI參考模型傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層作用，及物理層接口作用。ISDN服務(wù)器的可靠、穩(wěn)定運行對城際鐵路的安全可靠運營意義重大。本文設(shè)計了一種基于CBCI計算機的ISDN服務(wù)器，詳細描述了其硬件結(jié)構(gòu)、軟件結(jié)構(gòu)、軟件層次功能、層次連接過程，為CCS系統(tǒng)的設(shè)計與研制提供了準(zhǔn)備條件。

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