基于IPv6的鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)方案研究

李瑋琪，楊家田，孫 強(qiáng)

(1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司合肥電務(wù)段，合肥 230011）

隨著鐵路行業(yè)高速發(fā)展、現(xiàn)代通信及信息技術(shù)不斷提高，鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)作為列車安全、準(zhǔn)時(shí)、高效運(yùn)行的保障，正朝著數(shù)字化、智能化的趨勢(shì)發(fā)展[1]，面臨著更高的要求。鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸?shù)暮诵?，承載著列車、貨運(yùn)、客運(yùn)、供電等調(diào)度的統(tǒng)籌管理任務(wù)[2]，行車相關(guān)調(diào)度人員可以通過鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音溝通和業(yè)務(wù)下發(fā)。國(guó)內(nèi)高鐵運(yùn)行速率和發(fā)車班次的大幅提升，為鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)帶來了大量調(diào)度任務(wù)，推動(dòng)著鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)的升級(jí)，鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)現(xiàn)狀

鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸指揮的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán)）、鐵路局、鐵路車站和站段指揮運(yùn)輸生產(chǎn)聯(lián)絡(luò)用的專用通信系統(tǒng)[3]。鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)作為既有的鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)，由計(jì)劃調(diào)度、列車運(yùn)行調(diào)度、貨運(yùn)調(diào)度、客運(yùn)調(diào)度、供電調(diào)度、機(jī)車調(diào)度、安全監(jiān)控調(diào)度等11個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成[4]。系統(tǒng)組網(wǎng)如圖1所示[5]。

圖1 鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)組網(wǎng)示意Fig.1 Schematic diagram of railway wired dispatching communication system networking

鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)自上而下分為3級(jí)：第一級(jí)為一級(jí)調(diào)度中心，位于國(guó)鐵集團(tuán)，包括數(shù)調(diào)主系統(tǒng)、調(diào)度臺(tái)、調(diào)度分機(jī)和網(wǎng)管終端，用于指揮各鐵路局和專業(yè)運(yùn)輸公司完成運(yùn)輸生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)任務(wù)；第二級(jí)為二級(jí)調(diào)度中心，位于鐵路局調(diào)度所，包括數(shù)調(diào)主系統(tǒng)、調(diào)度臺(tái)、調(diào)度分機(jī)和網(wǎng)管終端，用于指揮鐵路局管內(nèi)運(yùn)輸生產(chǎn)單位完成運(yùn)輸生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)任務(wù)；第三級(jí)為車站（段）內(nèi)調(diào)度中心，包括調(diào)度分系統(tǒng)、調(diào)度分機(jī)和值班臺(tái)，用于指揮本站區(qū)作業(yè)人員完成運(yùn)輸生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)任務(wù)。

隨著通信技術(shù)、視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展，單純的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信已不能滿足鐵路的調(diào)度作業(yè)需求，鐵路調(diào)度對(duì)于可視化的需求越來越大，對(duì)于安全性、可靠性的要求也在不斷增多。作為鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)的升級(jí)，鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)具備語(yǔ)音通信、視頻通信、數(shù)據(jù)通信、可視化位置服務(wù)、多媒體會(huì)議、圖像及語(yǔ)音識(shí)別、與其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)互通等功能，滿足時(shí)代發(fā)展的需求。

2 鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)介紹

鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的承載網(wǎng)，當(dāng)前其設(shè)備使用的IPv4協(xié)議，存在IP地址資源不足、服務(wù)質(zhì)量控制不足的問題，正在逐步向IPv6過渡。順應(yīng)承載網(wǎng)的發(fā)展，鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)直接使用IPv6協(xié)議，給后續(xù)的發(fā)展提供足夠的空間，大大提升了業(yè)務(wù)承載能力。

2.1 鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)部署為國(guó)鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司兩級(jí)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Architecture of railway multimedia dispatching communication system

國(guó)鐵集團(tuán)多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)主要由中心設(shè)備、安全設(shè)備、網(wǎng)管及終端組成，實(shí)現(xiàn)干線多媒體調(diào)度臺(tái)，國(guó)鐵集團(tuán)多媒體話機(jī)、IP話機(jī)等終端的多媒體業(yè)務(wù)功能。

各鐵路局集團(tuán)公司多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)主要由中心設(shè)備、安全設(shè)備、本地功能單元、遠(yuǎn)端接入模塊、網(wǎng)管和終端組成，實(shí)現(xiàn)鐵路局集團(tuán)公司管內(nèi)多媒體調(diào)度臺(tái)、多媒體話機(jī)、IP話機(jī)、模擬話機(jī)等終端的多媒體業(yè)務(wù)功能。

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)與GSM-R[6]、鐵路5G專網(wǎng)、鐵路有線調(diào)度通信、鐵路地理信息、綜合視頻監(jiān)控等通信系統(tǒng)及相關(guān)專業(yè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)互聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)鐵路多媒體業(yè)務(wù)應(yīng)用的轉(zhuǎn)發(fā)與通信。

2.2 鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的IPv6地址劃分方案

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)使用IPv6協(xié)議，IPv6地址長(zhǎng)128位，分為網(wǎng)絡(luò)前綴、子網(wǎng)ID和主機(jī)ID 3段，如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)前綴共32位，為固定值FD00::/32。子網(wǎng)ID共32位，分為4個(gè)級(jí)別的標(biāo)識(shí)。主機(jī)ID共64位。

圖3 鐵路多媒體調(diào)度系統(tǒng)IPv6地址劃分Fig.3 IPv6 address division of railway multimedia dispatching system

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)IPv6地址中子網(wǎng)ID和主機(jī)ID的劃分方式如下。

1）子網(wǎng)ID中，一級(jí)標(biāo)識(shí)區(qū)分所屬網(wǎng)絡(luò)，鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)屬于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，本級(jí)標(biāo)識(shí)為0101（二進(jìn)制）。

2）子網(wǎng)ID中，二級(jí)標(biāo)識(shí)區(qū)分所屬區(qū)域，如國(guó)鐵集團(tuán)本機(jī)標(biāo)識(shí)為00000000（二進(jìn)制）。

3）子網(wǎng)ID中，三級(jí)標(biāo)識(shí)為00010000-00011111（二進(jìn)制），三級(jí)標(biāo)識(shí)的前4位固定，代表鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)，后4位用來標(biāo)識(shí)業(yè)務(wù)類型，如表1所示。

表1 三級(jí)標(biāo)識(shí)前兩位Tab.1 The first two digits of level 3 identifier

4）子網(wǎng)ID中，三級(jí)標(biāo)識(shí)為000000000000-111111111111（二進(jìn)制），對(duì)于國(guó)鐵集團(tuán)和路局放置的中心設(shè)備和多媒體調(diào)度設(shè)備，該級(jí)標(biāo)識(shí)為000000000000（二進(jìn)制），對(duì)于車站的本地功能單元和多媒體調(diào)度設(shè)備，該級(jí)標(biāo)識(shí)為000000000001-11111111111（二進(jìn)制）。該分配方式可支持每個(gè)路局下最多4 095個(gè)車站，完全滿足當(dāng)前需求。

5）主機(jī)ID用于標(biāo)識(shí)鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)中的設(shè)備，采用手工配置靜態(tài)地址。

3 鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)部署方案

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)是鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)的升級(jí)，在系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，制定兩種方案。方案1是改造鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)的設(shè)備，保留原有的電路交換功能，增加分組交換功能，并根據(jù)業(yè)務(wù)需要新增多媒體調(diào)度臺(tái)。方案2是不考慮鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)，新建鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)，將鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)作為外部系統(tǒng)接入到鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)。

隨著IPv6應(yīng)用范圍的逐步擴(kuò)大，鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的外部系統(tǒng)也正在進(jìn)行從IPv4向IPv6升級(jí)，為適應(yīng)外部系統(tǒng)的發(fā)展，制定與外部系統(tǒng)的互通方案。

3.1 方案1：改造鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)

方案1是改造鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)，使主系統(tǒng)同時(shí)具有電路交換和分組交換的功能，調(diào)度臺(tái)具備2 M、以太網(wǎng)雙接口。原有模擬設(shè)備采用2M電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)交換機(jī)。改造順序如下。

1）改造試點(diǎn)路局

選取特定路局作為試點(diǎn)，升級(jí)數(shù)調(diào)主系統(tǒng)兼容電路交換和分組交換功能，升級(jí)原有的調(diào)度臺(tái)具備以太網(wǎng)接口。

2）改造試點(diǎn)車站

選取部分車站作為試點(diǎn)，升級(jí)數(shù)調(diào)分系統(tǒng)兼容電路交換和分組交換功能，升級(jí)原有的調(diào)度臺(tái)具備以太網(wǎng)接口。

3）改造試點(diǎn)路局剩余車站

當(dāng)試點(diǎn)路局、試點(diǎn)車站通過多媒體調(diào)度功能完整性測(cè)試后，為試點(diǎn)路局剩余車站升級(jí)數(shù)調(diào)分系統(tǒng)和原有的調(diào)度臺(tái)。

4）改造國(guó)鐵集團(tuán)系統(tǒng)

當(dāng)完成試點(diǎn)路局改造之后，升級(jí)國(guó)鐵集團(tuán)數(shù)調(diào)主系統(tǒng)和原有的調(diào)度臺(tái)。

5）改造剩余路局及其車站

升級(jí)剩余路局的數(shù)調(diào)主系統(tǒng)和原有的調(diào)度臺(tái)，升級(jí)剩余車站的數(shù)調(diào)分系統(tǒng)和原有的調(diào)度臺(tái)。

6）改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

改造鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)，需要采用雙平臺(tái)系統(tǒng)的方案。雙平臺(tái)系統(tǒng)包括電路交換核心和軟交換核心，由網(wǎng)管系統(tǒng)統(tǒng)一管理雙平臺(tái)上的業(yè)務(wù)和終端用戶，跨平臺(tái)的專用調(diào)度臺(tái)在兩個(gè)平臺(tái)上具有相同的號(hào)碼，能自動(dòng)選擇呼出路由并能在單平臺(tái)故障時(shí)自動(dòng)切換。系統(tǒng)支持同時(shí)接入5G-R區(qū)段和GSM-R區(qū)段，同樣支持綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、鐵路通信地理信息系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)等的接入，共同完成視頻調(diào)用、列車可視化調(diào)度、災(zāi)害上報(bào)等功能。

改造后的鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 方案1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 System structure diagram of scheme 1

3.2 方案2：新建鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)

方案2是部署支持IPv6的中心設(shè)備、本地功能單元和多媒體調(diào)度設(shè)備，新建鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)，新建順序參考方案1。

由于新建鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)將鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)作為外部系統(tǒng)，所以在部署設(shè)備時(shí)無需考慮鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)，選取支持IP協(xié)議的單核心系統(tǒng)。

單核心系統(tǒng)包括核心交換服務(wù)器、管理服務(wù)器、錄音錄像服務(wù)器、調(diào)度業(yè)務(wù)服務(wù)器、媒體資源服務(wù)器等，支持多媒體調(diào)度臺(tái)、各類SIP終端和綜合接入網(wǎng)關(guān)的直接接入。通過與MCX服務(wù)器的連接完成有線、無線一體化，通過中繼網(wǎng)關(guān)可以和鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)連接，系統(tǒng)還可支持綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、鐵路通信地理信息系統(tǒng)、防災(zāi)系統(tǒng)等的接入，共同完成視頻調(diào)用、列車可視化調(diào)度、災(zāi)害上報(bào)等功能。

改造后的路局系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 方案2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 System structure diagram of scheme 2

兩種方案各有優(yōu)勢(shì)，方案1的優(yōu)勢(shì)是改造范圍小、成本相對(duì)較低，方案2的優(yōu)勢(shì)是系統(tǒng)是全新構(gòu)建，后期改造升級(jí)更為簡(jiǎn)單。綜合考慮方案1和方案2的利弊，為實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、快速改造的目的，選取方案1。

3.3 外部互通方案

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)作為鐵路各類專業(yè)作業(yè)的調(diào)度通信系統(tǒng)，通過借助外部系統(tǒng)可以更好的完成調(diào)度任務(wù)。對(duì)于采用2M接口的外部系統(tǒng)，如鐵路干線調(diào)度通信系統(tǒng)、鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)、GSM-R系統(tǒng)等，使用TDM網(wǎng)關(guān)接入到中心設(shè)備。對(duì)于正在從IPv4向IPv6過渡的外部系統(tǒng)，存在IPv4和IPv6兩種設(shè)備，因此需要考慮外部IPv4設(shè)備與內(nèi)部IPv6設(shè)備的互通問題。IPv4與IPv6的互通技術(shù)主要包括雙棧技術(shù)、隧道技術(shù)，以及網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）技術(shù)。

1）雙棧技術(shù)

雙棧技術(shù)是使IPv6網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)IPv4棧和一個(gè)IPv6棧[7]，同時(shí)支持IPv4和IPv6協(xié)議。IPv6和IPv4是功能相近的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，兩者都應(yīng)用于相同的物理平臺(tái)，并承載相同的傳輸層協(xié)議，即TCP或UDP。

2）隧道技術(shù)

隧道技術(shù)是必要時(shí)將IPv6數(shù)據(jù)包作為數(shù)據(jù)封裝在IPv4數(shù)據(jù)包里，使IPv6數(shù)據(jù)包能在已有的IPv4基礎(chǔ)設(shè)施（主要是指IPv4路由器）上傳輸?shù)募夹g(shù)[8]。

3）NAT技術(shù)

NAT技術(shù)是將IPv4地址和IPv6地址分別看作內(nèi)部地址和全局地址，或者相反，即在兩種網(wǎng)絡(luò)的邊界，如路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，進(jìn)行兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換及翻譯[9]。

相比雙棧技術(shù)，采用NAT技術(shù)實(shí)現(xiàn)IPv4與IPv6互通的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行IPv4、IPv6節(jié)點(diǎn)的改造，而隧道技術(shù)更適用于多個(gè)孤立IPv6網(wǎng)絡(luò)互通的場(chǎng)景，因此鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)采用NAT技術(shù)實(shí)現(xiàn)IPv4與IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。通過在外部系統(tǒng)接口處部署DNS64和NAT64服務(wù)器，完成IPv4與IPv6之間的地址轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的互通。

4 鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的安全運(yùn)維

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)使用IPv6協(xié)議，形成IPv6網(wǎng)絡(luò)。IPv6網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維有以下3個(gè)要求：快速解決故障、主動(dòng)預(yù)防問題和網(wǎng)絡(luò)日常管理。

可視化IP運(yùn)維技術(shù)是一種自動(dòng)化的智能運(yùn)維技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)高精地圖，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)路況實(shí)時(shí)可視、網(wǎng)絡(luò)擁塞和鏈路狀態(tài)可視、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延拓?fù)淇梢?、網(wǎng)絡(luò)性能可視。它的提出可以解決IPv6網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維中的難題，滿足IPv6網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的3個(gè)要求。將可視化IP運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用在鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)中，可以在多媒體調(diào)度臺(tái)顯示語(yǔ)音、視頻通話質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)路由和網(wǎng)絡(luò)性能可視，更好的排除故障隱患。

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的網(wǎng)管具有配置、性能、故障、安全管理的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)設(shè)備、終端和業(yè)務(wù)的管理，在系統(tǒng)運(yùn)維中起到主要作用。安全設(shè)備提供多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)內(nèi)部、外部網(wǎng)絡(luò)的隔離、網(wǎng)絡(luò)行為分析與攻擊防范、網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)警報(bào)警和審計(jì)、系統(tǒng)安全補(bǔ)丁管理、終端安全管控等功能。

多媒體調(diào)度臺(tái)能夠提供語(yǔ)音、視頻、數(shù)據(jù)等各類通用多媒體調(diào)度通信功能，作為鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的核心終端，為了系統(tǒng)安全，多媒體調(diào)度臺(tái)具有2M和以太網(wǎng)兩個(gè)接口，兩個(gè)接口互為備份。多媒體調(diào)度臺(tái)的2M接口通過遠(yuǎn)端接入模塊與本地功能單元和鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)相連，遠(yuǎn)端接入模塊作為多媒體調(diào)度臺(tái)與外界的隔離，是系統(tǒng)的安全保障。

5 總結(jié)

本文介紹既有鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)——鐵路有線調(diào)度通信系統(tǒng)，為更好的實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)調(diào)度，結(jié)合鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)現(xiàn)狀，制定了基于IPv6的鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的部署方案和互通方案。在系統(tǒng)安全運(yùn)維方面，選用可視化IP運(yùn)維策略，并介紹系統(tǒng)用于運(yùn)維的主要設(shè)備。

鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)具有易于管理、易于擴(kuò)容、高清語(yǔ)音視頻等優(yōu)勢(shì)，IPv6具有更大的地址空間、使用更小的路由表[10]、增加了增強(qiáng)的組播支持以及對(duì)流的控制，具有更高的安全性，IPv6與鐵路多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的結(jié)合是鐵路調(diào)度通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。