PPP協(xié)議在ATO系統(tǒng)車載無(wú)線電臺(tái)的應(yīng)用

王 偉，周宇暉，王嘯陽(yáng)

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

ATO系統(tǒng)采用GSM-R/GPRS網(wǎng)絡(luò)作為車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，其車地安全通信協(xié)議采用GPRS分組域數(shù)據(jù)模式。在使用GPRS承載業(yè)務(wù)時(shí)，高速鐵路ATO系統(tǒng)應(yīng)使用PPP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，禁止使用其他協(xié)議。ATO車載設(shè)備通過(guò)GSM-R網(wǎng)絡(luò)與TSRS建立數(shù)據(jù)傳輸通道，用于傳輸車地的列車控制信息。它通過(guò)Igsm-r接口與ATO車載無(wú)線傳輸單元連接，在CTCS-3級(jí)車載列控設(shè)備的基礎(chǔ)上增加適用于GPRS的AT控制指令集，用于控制車載電臺(tái)向GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行附著和去附著、PDP承載上下文激活和去激活、進(jìn)入和離開(kāi)數(shù)據(jù)傳輸態(tài)等。在電臺(tái)進(jìn)入在線數(shù)據(jù)狀態(tài)后，ATO系統(tǒng)與GPRS電臺(tái)使用PPP協(xié)議建立IP數(shù)據(jù)通道，獲取網(wǎng)絡(luò)給GPRS電臺(tái)分配的動(dòng)態(tài)IP地址，與地面RBC建立TCP連接。

2 PPP協(xié)議介紹

PPP是一組協(xié)議的總稱，可以通過(guò)撥號(hào)或?qū)＞€方式在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間建立連接并收發(fā)數(shù)據(jù)。它提供了一種在客戶端和服務(wù)端的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路上封裝協(xié)議報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)方法，支持IP地址的動(dòng)態(tài)分配和管理、同步或異步物理層數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)復(fù)用、鏈路層配置、傳輸質(zhì)量檢測(cè)和糾錯(cuò)，以及多種參數(shù)配置協(xié)商。

PPP協(xié)議在因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中屬于數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在 TCP/IP 協(xié)議集中也是一種用來(lái)協(xié)商通信雙方配置參數(shù)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。主要包括3個(gè)組成部分：將IP數(shù)據(jù)報(bào)文封裝到串行接口或網(wǎng)絡(luò)接口鏈路上的方法、鏈路層控制協(xié)議（Link Control Protocol，LCP）和網(wǎng)絡(luò)層控制協(xié)議（Network Control Protocol，NCP）。其中LCP用于PPP協(xié)議的參數(shù)配置選項(xiàng)，處理不同類型的控制幀，檢測(cè)鏈路狀態(tài)，以及終止鏈路。NCP協(xié)議用于承載應(yīng)用數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)協(xié)商，常用的有提供給TCP/IP網(wǎng)絡(luò)使用的網(wǎng)際協(xié)議控制協(xié)議（Internet Protocol Control Protocol，IPCP），當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的客戶端和服務(wù)端進(jìn)行NCP參數(shù)配置協(xié)商時(shí)，IPCP協(xié)議主要是用來(lái)獲得通信雙方的網(wǎng)絡(luò)層地址。

PPP數(shù)據(jù)幀格式遵循高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（HDLC）族的一般報(bào)文格式。PPP數(shù)據(jù)封裝用于消除上層多種協(xié)議數(shù)據(jù)包的歧義，加入幀頭和幀尾之后成為互相獨(dú)立的串行數(shù)據(jù)幀。在完整的PPP協(xié)議幀中，幀頭由幀起始標(biāo)識(shí)、地址標(biāo)識(shí)、控制標(biāo)識(shí)、協(xié)議域和數(shù)據(jù)域組成，幀尾由校驗(yàn)域、幀結(jié)束標(biāo)識(shí)組成。完整的PPP協(xié)議幀格式如圖1所示。

圖1 PPP協(xié)議幀格式Fig.1 PPP protocol frame format

1) PPP完整幀是以標(biāo)識(shí)字節(jié) 0x7E開(kāi)始和結(jié)束的。

2) 地址字段和控制字段在缺省情況是常數(shù)。

3) 協(xié)議域標(biāo)識(shí)是用來(lái)區(qū)分PPP數(shù)據(jù)幀中信息域所承載的數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容。協(xié)議域標(biāo)識(shí)的填充需要遵循ISO 3309的地址擴(kuò)展機(jī)制規(guī)定。該地址擴(kuò)展機(jī)制規(guī)定協(xié)議域標(biāo)識(shí)填充的內(nèi)容必須為奇數(shù)，即最低字節(jié)的最低位bit為“1”而最高字節(jié)的最低位bit為“0”。協(xié)議域長(zhǎng)度為2 Byte，具體取值如表1所示。

4) 信息域數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度不超過(guò)1 500 Byte，其中PPP協(xié)議中配置參數(shù)選項(xiàng)MRU（Maximum Receive Unit）的缺省值為1 500 Byte。在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)具體情況進(jìn)行該最大長(zhǎng)度選項(xiàng)的協(xié)商。

5) 校驗(yàn)域主要用來(lái)檢測(cè)PPP數(shù)據(jù)幀在鏈路中傳輸?shù)恼_性。

表1 PPP協(xié)議域典型值Tab.1 Typical value of PPP protocol domain

3 PPP鏈路建立過(guò)程

典型的PPP鏈路建立過(guò)程包含創(chuàng)建階段、認(rèn)證階段和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商3個(gè)階段。在PPP客戶端和服務(wù)端鏈路的配置、驗(yàn)證、維護(hù)和去激活過(guò)程中，PPP鏈路需經(jīng)歷如圖2所示幾個(gè)狀態(tài)。

圖2 PPP鏈路工作狀態(tài)Fig.2 PPP link working status

鏈路不可用狀態(tài)：PPP鏈路建立過(guò)程需要從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始。

鏈路建立狀態(tài)：PPP client端通過(guò)發(fā)送LCP配置請(qǐng)求報(bào)文來(lái)配置數(shù)據(jù)鏈路，該報(bào)文中配置參數(shù)不包括網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議所需的參數(shù)，PPP服務(wù)端會(huì)對(duì)等的發(fā)送LCP配置請(qǐng)求報(bào)文對(duì)客戶端進(jìn)行鏈路配置。

驗(yàn)證狀態(tài)：常用認(rèn)證協(xié)議有口令驗(yàn)證協(xié)議（PAP）和挑戰(zhàn)握手驗(yàn)證協(xié)議（CHAP），鏈路兩端設(shè)備是否需要進(jìn)行認(rèn)證由LCP配置參數(shù)決定。如果通信雙方需要進(jìn)行互相驗(yàn)證，需要在鏈路建立階段進(jìn)行認(rèn)證方式協(xié)商。

網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議狀態(tài)：該狀態(tài)主要是調(diào)用鏈路層建立階段選定的網(wǎng)絡(luò)控制層協(xié)議。通過(guò)PPP客戶端和服務(wù)端進(jìn)行多次交互實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分配IP地址功能等。

網(wǎng)絡(luò)終止?fàn)顟B(tài)：可以在任何時(shí)候終止PPP鏈路。

3.1 LCP參數(shù)協(xié)商過(guò)程

PPP客戶端首先向服務(wù)端發(fā)送LCP Configure-Request數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)起該過(guò)程，該報(bào)文作為PPP的凈數(shù)據(jù)被封裝在PPP數(shù)據(jù)幀的信息域中，此時(shí)PPP數(shù)據(jù)幀的協(xié)議域標(biāo)識(shí)被固定設(shè)置為0xC021，在整個(gè)鏈路建立階段的過(guò)程中信息域的數(shù)據(jù)內(nèi)容是變化的，LCP數(shù)據(jù)報(bào)文的一般封裝方式如圖3所示，它包括很多種類型的報(bào)文，如表2所示。

圖3 LCP報(bào)文封裝方式Fig.3 LCP packet encapsulation

表2 LCP報(bào)文類型Tab.2 LCP message type

圖3中代碼域標(biāo)識(shí)的長(zhǎng)度被固定設(shè)置為一個(gè)字節(jié)，主要是用來(lái)標(biāo)識(shí)LCP數(shù)據(jù)報(bào)文的類型。在鏈路建立階段過(guò)程中，當(dāng)接收方無(wú)法識(shí)別接收到的LCP數(shù)據(jù)報(bào)文中代碼域時(shí)，會(huì)向?qū)Χ税l(fā)送一個(gè)LCP拒絕報(bào)文（Code-Reject）。

標(biāo)識(shí)域長(zhǎng)度也被固定設(shè)置為1Byte，主要是用來(lái)匹配配置請(qǐng)求和配置響應(yīng)報(bào)文。在進(jìn)入LCP鏈路建立過(guò)程時(shí)，通信服務(wù)端在接收到對(duì)端的配置請(qǐng)求（Config-Request）報(bào)文后，當(dāng)能識(shí)別該請(qǐng)求配置報(bào)文的代碼域時(shí)，先向客戶端回復(fù)LCP確認(rèn)報(bào)文（Config-Ack），再向客戶端發(fā)送配置請(qǐng)求（Config-Request）報(bào)文進(jìn)行雙向配置，而這兩個(gè)配置請(qǐng)求報(bào)文的數(shù)據(jù)域可能是完全一致，區(qū)別于它們的標(biāo)識(shí)域不同。通?？蛻舳税l(fā)送的LCP配置請(qǐng)求報(bào)文的ID從0x01開(kāi)始，當(dāng)對(duì)端接收到該配置請(qǐng)求報(bào)文后，無(wú)論使用何種類型報(bào)文來(lái)響應(yīng)對(duì)方，必須要求響應(yīng)報(bào)文中的ID與接收?qǐng)?bào)文中的ID一致。當(dāng)客戶端或服務(wù)端收到對(duì)方響應(yīng)報(bào)文后，將其與發(fā)送報(bào)文進(jìn)行比較來(lái)決定下一步的操作。

3.2 NCP參數(shù)協(xié)商過(guò)程

NCP協(xié)商的主要功能是協(xié)商PPP報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)，如獲取服務(wù)端IP地址和DNS Server IP地址等。NCP協(xié)議過(guò)程的數(shù)據(jù)報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議階段進(jìn)行交互。通過(guò)此過(guò)程完成所需的配置參數(shù)選項(xiàng)協(xié)商后，客戶端即可在配置好的鏈路上開(kāi)始傳送網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)報(bào)文。NCP協(xié)議主要包括IPCP協(xié)議。IPCP負(fù)責(zé)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的兩端配置、使能和去使能IP協(xié)議模塊。

4 PPP在ATO車載電臺(tái)中的應(yīng)用過(guò)程

高速鐵路ATO系統(tǒng)采用GPRS分組域承載車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，其系統(tǒng)組成如圖4所示。

PPP協(xié)議在ATO車載設(shè)備中的部署如圖5所示，其中無(wú)線傳輸單元（RTU）作為client端，無(wú)線GPRS數(shù)傳模塊（MT）作為server端。

車載ATO設(shè)備中，RTU與MT之間的PPP建鏈過(guò)程如圖6所示。RTU通過(guò)AT指令控制GPRS電臺(tái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)附著、設(shè)置APN、激活PDP承載上下文等。當(dāng)GPRS MT通過(guò)AT指令向RTU答復(fù)“CONNECT”后，RTU開(kāi)始啟動(dòng)與MT的PPP鏈路建立過(guò)程，通過(guò)IPCP流程協(xié)商獲取網(wǎng)絡(luò)側(cè)給GPRS MT分配的本地動(dòng)態(tài)IP地址，與地面控制中心建立TCP連接，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式。

在RTU與MT的PPP協(xié) 商 過(guò) 程 中，作 為PPP協(xié)議的一部分，用戶認(rèn)證（CHAP/PAP）應(yīng)為“null”認(rèn)證。如表3、4所示，分別對(duì)LCP和NCP的配置進(jìn)行了規(guī)定。

圖4 ATO系統(tǒng)組成Fig.4 Composition of ATO system

圖5 RTU-MT底層接口協(xié)議Fig.5 RTU-MT underlying interface protocol

表3 LCP配置選項(xiàng)Tab.3 LCP configuration options

表4 NCP配置選項(xiàng)Tab.4 NCP configuration options

圖6 RTU-MT PPP建鏈關(guān)鍵過(guò)程Fig.6 Key process of RTU-MT PPP chain establishment

5 總結(jié)展望

本文對(duì)PPP協(xié)議及其在高速鐵路ATO系統(tǒng)車載無(wú)線電臺(tái)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在未來(lái)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)車地?zé)o線通信向LTE-R/5G-R方向演進(jìn)時(shí)，車載ATO系統(tǒng)的RTU與MT的分組域數(shù)據(jù)通道仍將繼續(xù)沿用PPP撥號(hào)方式。因此，PPP協(xié)議在ATO系統(tǒng)中的應(yīng)用研究將為下一代CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)的發(fā)展和演進(jìn)提供技術(shù)參考，在高速鐵路車載列控領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。