包正堂

（中國(guó)鐵路通信信號(hào)股份有限公司 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）

GSM-R 作為鐵路專網(wǎng)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，已在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用，是高速鐵路CTCS-3 級(jí)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：列控系統(tǒng)）的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。隨著鐵路行車調(diào)度和列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)（簡(jiǎn)稱：列控業(yè)務(wù)）的不斷擴(kuò)展，GSM-R 窄帶網(wǎng)絡(luò)在容量和性能方面已難以滿足日益豐富的運(yùn)營(yíng)需求。

GPRS 在GSM-R 上疊加新的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)服務(wù)，與既有網(wǎng)絡(luò)相比，GPRS 在通信速率、實(shí)時(shí)性、連接管理上具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，歐洲鐵路ETCS 系統(tǒng)基線三subset-037 歐洲無(wú)線電系統(tǒng)功能接口規(guī)范涵蓋了GPRS 通信要求[2]。我國(guó)高速鐵路ATO 系統(tǒng)已將GPRS 應(yīng)用于車載ATO 與臨時(shí)限速服務(wù)器（TSRS，Temporary Speed Reduction Server）的通信[3]。中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱：國(guó)鐵集團(tuán)）正在推進(jìn)的CTCS-4 級(jí)列控系統(tǒng)預(yù)研方案中，將GPRS 用于車地之間、列首與安全列尾之間的通信[4]。GPRS 引入不但可實(shí)現(xiàn)鐵路裝備技術(shù)向分組通信的過(guò)渡，為今后鐵路專用網(wǎng)向4G/5G 演進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

列控業(yè)務(wù)使用GPRS 主要是傳輸安全相關(guān)數(shù)據(jù)，安全相關(guān)信息的交互必須遵循安全通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在研究基于GPRS 的列控業(yè)務(wù)通信技術(shù)的過(guò)程中，考慮到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的巨大成本、地域性和復(fù)雜性，應(yīng)以列控系統(tǒng)車載設(shè)備（簡(jiǎn)稱：車載設(shè)備）的分組交換通信技術(shù)研究為先導(dǎo)，在不修改原有應(yīng)用軟件及安全機(jī)制的前提下，逐步實(shí)現(xiàn)列控業(yè)務(wù)向GPRS 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫遷移。

本文基于GPRS 分組域車地通信規(guī)范，研究設(shè)計(jì)車載設(shè)備分組交換通信軟件，選用開(kāi)源lwIP 作為TCP/IP 協(xié)議棧，將車載設(shè)備通信業(yè)務(wù)接入GPRS 分組域，以提升車載設(shè)備通信能力，滿足鐵路日益增加的數(shù)字化和智能化業(yè)務(wù)需求。

1 GPRS 分組域車地通信

1.1 分組域通信簡(jiǎn)介

歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)（CENELEC）鐵路安全通信標(biāo)準(zhǔn)EN 50159 定義了開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)下安全相關(guān)系統(tǒng)通信傳輸?shù)膮⒖技軜?gòu)[5-6]，包括安全相關(guān)傳輸系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)。

基于此標(biāo)準(zhǔn)，列控系統(tǒng)相關(guān)接口規(guī)范中定義了提供安全相關(guān)傳輸系統(tǒng)功能的安全功能模塊（SFM，Safe Functional Module）和提供通信系統(tǒng)功能的通信功能模塊（CFM，Communication Functional Module）。SFM 提供安全相關(guān)傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)安全連接生命周期管理和安全數(shù)據(jù)交互，與具體通信網(wǎng)絡(luò)制式無(wú)關(guān)；CFM 對(duì)接開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)提供的通信服務(wù)，是車載設(shè)備適配和實(shí)現(xiàn)分組交換通信的關(guān)鍵模塊。

1.2 CFM 功能

CFM 對(duì)等實(shí)體之間通過(guò)GSM-R/GPRS 開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)或封閉網(wǎng)絡(luò)通信，是車地通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組成部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備與地面設(shè)備之間的電路交換及分組交換通信。為兼容多種通信制式，ETCS 在CFM中增加了傳輸制式配置功能，支持GSM-R 電路交換與GPRS 分組交換之間的動(dòng)態(tài)切換。此功能與CFM分組交換通信無(wú)關(guān)，且國(guó)內(nèi)無(wú)該需求，本文暫不涉及。

按照“協(xié)議水平、服務(wù)垂直”的原則，設(shè)計(jì)車載設(shè)備分組交換通信網(wǎng)絡(luò)體系，自上而下劃分為3個(gè)層次：應(yīng)用、SFM 以及CFM；各層之間互為服務(wù)的提供者和使用者，通過(guò)各自定義的服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)來(lái)交互。應(yīng)用負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)交互；SFM 負(fù)責(zé)安全層對(duì)等實(shí)體的安全連接管理及交互，包括消息完整性、校驗(yàn)以及錯(cuò)誤上報(bào)等。CFM 負(fù)責(zé)提供符合ITU-T X.214傳輸層模型的傳輸服務(wù)以及電臺(tái)（MT，Mobile Terminal）交互服務(wù)[2]，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了OSI 開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)傳輸參考模型中的第4 層（即傳輸層）、第3 層（即網(wǎng)絡(luò)層）和第2 層（數(shù)據(jù)鏈路層），具體包括：（1）傳輸層連接的建立和釋放，可靠數(shù)據(jù)的傳輸，透明數(shù)據(jù)傳輸；(2）MT 注冊(cè)及網(wǎng)絡(luò)信息上報(bào)。

為了實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備分組交換通信，還需要具備一些必要條件，如：MT 及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)均需支持GPRS，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需提供專用接入點(diǎn)名稱等。

1.3 分組交換通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)等通信分層結(jié)構(gòu)

在GPRS 分組交換傳輸模式下，車地雙方各通信層劃分為相對(duì)應(yīng)的功能實(shí)體，同一層的實(shí)體稱為對(duì)等實(shí)體。GPRS 分組交換通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)等通信分層結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 GPRS 分組交換通信網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)示意

對(duì)等實(shí)體之間像是在直接通信，無(wú)需關(guān)注具體的數(shù)據(jù)路徑。每一層對(duì)等實(shí)體實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立的功能，層與層之間實(shí)現(xiàn)協(xié)議和服務(wù)的轉(zhuǎn)換，即向上一層提供服務(wù)，向下一層輸出協(xié)議。自上而下的，既有應(yīng)用至安全層無(wú)需修改，新增適配層實(shí)體（ALE，Adapter Layer Entity）用于適配面向字節(jié)流的TCP 傳輸服務(wù)，TCP/IP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，包括傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層，既有物理層不變，既有AT 命令使用分組交換命令集合。

CFM 中每個(gè)物理通道即對(duì)應(yīng)一個(gè)MT。在分組交換傳輸模式下，每個(gè)物理通道支持多個(gè)傳輸連接，而電路交換傳輸模式下該功能是可選的。

1.4 GSM-R/GPRS 車地通信過(guò)程

GSM-R/GPRS 車地通信過(guò)程如圖2 所示。

圖2 GSM-R/GPRS 車地通信過(guò)程示意

（1）當(dāng)車載設(shè)備控制MT 完成GPRS 附著和PDP 上下文激活后，MT 即與對(duì)應(yīng)的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN，Public Data Network）之間建立數(shù)據(jù)承載，獲得PDN 分配的IP 地址，并進(jìn)入數(shù)據(jù)模式[7]。在這一過(guò)程中，車載設(shè)備使用既有電路交換接口IGSM-R與MT 交互，AT 命令使用TS 27.010 協(xié)議的分組交換部分（也稱為IGPRS接口），物理層為RS-422。

（2）MT 進(jìn)入數(shù)據(jù)模式后，CFM 需要借助點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信協(xié)議（PPP，Point-Point Protocol）與MT 通信。PPP 協(xié)議對(duì)應(yīng)于OSI 模型中第2 層，起初作為用戶與互聯(lián)網(wǎng)提供商之間的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，因其簡(jiǎn)單可靠被廣泛采用。PPP 協(xié)議中的各部分先后實(shí)現(xiàn)物理鏈路協(xié)商、鑒權(quán)驗(yàn)證、網(wǎng)絡(luò)地址配置等功能，也稱為PPP 撥號(hào)，是CFM 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。當(dāng)CFM完成PPP 撥號(hào)流程后，雙方隨即建立IP 通信，CFM可借助分配給MT 的IP 地址，嘗試與地面對(duì)等實(shí)體建立傳輸服務(wù)。

CFM 使用TCP 實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，為了實(shí)現(xiàn)與TCP/IP 協(xié)議的映射管理，CFM 提供了ALE，用以實(shí)現(xiàn)安全層與TCP 傳輸層之間的功能適配，具體包括：建立和釋放TCP 連接，安全層與TCP 的數(shù)據(jù)映射，通道狀態(tài)監(jiān)控等。

2 車載設(shè)備分組交換通信軟件設(shè)計(jì)

2.1 選用開(kāi)源lwIP 作為TCP/IP 協(xié)議棧

分組網(wǎng)絡(luò)采用IP 通信，需引入TCP/IP 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)GPRS 網(wǎng)絡(luò)上的可靠數(shù)據(jù)傳輸。采用成熟免費(fèi)的開(kāi)源嵌入式協(xié)議棧來(lái)開(kāi)發(fā)分組交換通信軟件，可降低開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本，且開(kāi)發(fā)人員能夠完全掌握源碼。表1 列出較為著名開(kāi)源嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧[8-11]。

表1 開(kāi)源嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧

車載設(shè)備一般采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，產(chǎn)品生命周期較長(zhǎng)，開(kāi)源嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧的選擇應(yīng)考慮高可靠、輕量化、易于移植和長(zhǎng)期維護(hù)有保證。

車載設(shè)備分組交換通信與電臺(tái)使用PPP 協(xié)議，考慮到軟件成熟度和穩(wěn)定性，lwIP 是最佳TCP/IP 協(xié)議棧選擇。lwIP 由瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院Adam Dunkels開(kāi)發(fā)，目前源代碼托管在自由軟件基金會(huì)（Free Software Foundation）公共代碼托管和協(xié)作平臺(tái)Savannah 上，最新版本為2.1.3[12]。

2.2 lwIP 移植與配置

2.2.1 lwIP 分層結(jié)構(gòu)

lwIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)潔，可劃分為用戶接口層、系統(tǒng)及內(nèi)核運(yùn)行層、網(wǎng)卡接口層3 部分。lwIP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 lwIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)示意

用戶接口層分為BSD 風(fēng)格接口、順序風(fēng)格接口和原生接口3 類。系統(tǒng)及內(nèi)核運(yùn)行層支持帶操作系統(tǒng)（提供多線程）和不帶操作系統(tǒng)（阻塞讀寫）2 種方式。網(wǎng)卡接口層是lwIP 定義的抽象網(wǎng)卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由開(kāi)發(fā)人員根據(jù)實(shí)際硬件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 lwIP 移植涉及的主要組件及配置

lwIP 的移植與內(nèi)核運(yùn)行方式相關(guān)，本文操作系統(tǒng)模式（即lwIP 定義的OS mode），lwIP 移植涉及的主要組件及配置包括：系統(tǒng)抽象層、定時(shí)器、編譯器及平臺(tái)、臨界區(qū)設(shè)置、用戶配置。

（1）系統(tǒng)抽象層：主要包括信號(hào)量、互斥鎖、郵箱（消息隊(duì)列）、線程創(chuàng)建、同步防護(hù)等；lwIP使用信號(hào)量實(shí)現(xiàn)任務(wù)同步，借助郵箱實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信，通過(guò)共享內(nèi)存完成緩存?zhèn)鬟f；若操作系統(tǒng)支持優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)處理的互斥鎖，無(wú)需使用信號(hào)量模擬（即lwIP 默認(rèn)方式）。

（2）定時(shí)器：向lwIP 內(nèi)核線程運(yùn)行提供一個(gè)定時(shí)器，計(jì)時(shí)單位為ms。

（3）編譯器及平臺(tái)：編譯器主要包括數(shù)據(jù)類型、編譯器內(nèi)存對(duì)齊、基礎(chǔ)庫(kù)依賴、打印及故障處理等。

（4）臨界區(qū)設(shè)置：為了避免任務(wù)間內(nèi)存分配和釋放出現(xiàn)異常，lwIP 要求用戶提供輕量級(jí)快速防護(hù)機(jī)制；對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，可通過(guò)禁用中斷或使用信號(hào)量、互斥鎖實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)設(shè)置。為保證性能，建議優(yōu)先使用后者，避免頻繁的任務(wù)調(diào)度操作造成性能下降。

（5）用戶配置：提供了強(qiáng)大靈活的剪裁與配置宏開(kāi)關(guān)，開(kāi)發(fā)人員可通過(guò)用戶頭文件lwipopts.h 進(jìn)行設(shè)置，按需定義運(yùn)行方式、協(xié)議族配置、網(wǎng)卡配置、內(nèi)存管理等。

2.3 車載設(shè)備分組交換通信軟件架構(gòu)

車載設(shè)備軟件一般可分為主控軟件和通信軟件2 部分。主控軟件執(zhí)行安全應(yīng)用（包含安全層），需運(yùn)行在SIL4 級(jí)硬件上；通信軟件不承擔(dān)安全功能，可以運(yùn)行于SIL0 級(jí)硬件。

為使車載設(shè)備具備分組交換通信能力，需要對(duì)其通信軟件進(jìn)行修改，主要包括CFM 集成lwIP 以實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，新增使用AT 命令分組交換集合等，原有通信軟件的應(yīng)用及電臺(tái)控制功能不變。

車載設(shè)備分組交換通信軟件的主要功能模塊包括：ALE 模塊、lwIP 協(xié)議棧、電臺(tái)控制模塊、串口控制模塊、PPP 網(wǎng)卡適配模塊，軟件架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 車載設(shè)備分組交換通信軟件架構(gòu)

（1）ALE 模塊通過(guò)離散的、非定長(zhǎng)的ALE 數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸[2]。通過(guò)一系列傳輸服務(wù)接入點(diǎn)（TSAP，Transport Service Access Point）向上層用戶（安全層）提供傳輸服務(wù)，通過(guò)T 原語(yǔ)交互。

（2）lwIP 協(xié)議棧具體實(shí)現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議?；?lwIP 用戶接口可實(shí)現(xiàn)一系列TCP 服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)（TCPSAP，TCP Service Access Point），即TCP 服務(wù)原語(yǔ)，通過(guò)這些原語(yǔ)可以向抽象的TCP 服務(wù)用戶（TCP-User），例如ALE 模塊提供傳輸服務(wù)。

（3）串口控制模塊封裝了RS-422 通信驅(qū)動(dòng)，向PPP 網(wǎng)卡適配模塊及電臺(tái)控制模塊提供基礎(chǔ)的串口通信，即IGPRS接口的物理實(shí)現(xiàn)。

（4）電臺(tái)控制模塊通過(guò)串口控制模塊與電臺(tái)進(jìn)行AT 命令交互，并監(jiān)測(cè)電臺(tái)狀態(tài)；當(dāng)電臺(tái)進(jìn)入數(shù)據(jù)模式后，通知應(yīng)用創(chuàng)建PPP 網(wǎng)卡接口，進(jìn)而可與服務(wù)端進(jìn)行IP 通信。

（5）PPP 網(wǎng)卡適配模塊基于lwIP 的PPP 組件和網(wǎng)卡組件，通過(guò)集成串口控制模塊，實(shí)現(xiàn)PPP網(wǎng)卡接口的創(chuàng)建、刪除和操作功能。該模塊創(chuàng)建網(wǎng)卡的個(gè)數(shù)與MT 個(gè)數(shù)相對(duì)應(yīng)。lwIP 中數(shù)據(jù)鏈路層不同協(xié)議組件均可表示為統(tǒng)一的抽象網(wǎng)卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)卡組件來(lái)管理，支持IEEE802.1D bridge，6LoWPAN (RFC 4944)，6LoWPAN over BLE (RFC 7668)，PPP，SLIP -Serial Line Internet Protocol (RFC 1055)，ZEP -ZigBee Encapsulation Protocol 等協(xié)議[11]。

2.4 車載設(shè)備分組交換通信軟件處理流程

車載設(shè)備分組交換通信軟件面向多任務(wù)操作系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)任務(wù)主要包括：應(yīng)用任務(wù)、電臺(tái)控制任務(wù)、PPP 通信任務(wù)、lwIP 內(nèi)核任務(wù)，具體處理流程如圖5 所示。

圖5 車載設(shè)備分組交換通信軟件處理流程

該軟件啟動(dòng)后，先進(jìn)行操作系統(tǒng)及l(fā)wIP 初始化，之后依次創(chuàng)建應(yīng)用任務(wù)和電臺(tái)控制任務(wù)，lwIP 內(nèi)核任務(wù)由lwIP 初始化函數(shù)自動(dòng)創(chuàng)建。

應(yīng)用任務(wù)通過(guò)調(diào)度ALE 模塊實(shí)時(shí)處理安全層T原語(yǔ)。當(dāng)需要建立安全通信時(shí)，先控制電臺(tái)完成PDP 上下文激活，并進(jìn)入數(shù)據(jù)模式；隨后創(chuàng)建PPP通信任務(wù)執(zhí)行鏈路建立；當(dāng)PPP 協(xié)議完成IP 地址協(xié)商后，軟件可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)端建立TCP 連接，進(jìn)行后續(xù)ALE、安全層的對(duì)等通信。

3 關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)

3.1 串口控制模塊

lwIP 支持PPP 協(xié)議運(yùn)行在以太網(wǎng)（PPPoE，PPP Over Ethernet）和串口（PPPoS，PPP Over Serial）上。當(dāng)啟用PPPoS 時(shí)，與硬件緊密相關(guān)的串口控制需要由用戶來(lái)實(shí)現(xiàn)。lwIP 內(nèi)核頭文件sio.h 提供了一組串口模型（SIO，Serial Input Output）的接口定義，用以支持SLIP、PPP 等運(yùn)行在串口上的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。串口控制模塊的主要接口函數(shù)如表2 所示。

表2 串口控制模塊主要接口函數(shù)

lwIP 的PPPoS 組件提供Raw API 和線程安全PPP API 2 套接口；Raw API 屬于輕量級(jí)設(shè)計(jì)，只能用于無(wú)操作系統(tǒng)的場(chǎng)景，或僅在lwIP 內(nèi)核線程中調(diào)用。列控業(yè)務(wù)屬于多任務(wù)場(chǎng)景，應(yīng)使用線程安全PPP API 來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用操作，其聲明包含在pppapi.h 中。此外，按照l(shuí)wIP 適配要求，用戶應(yīng)實(shí)現(xiàn)PPP 輸入任務(wù)和PPP 輸出接口。

3.2 PPP 網(wǎng)卡適配模塊

PPP 協(xié)議包括鏈路控制協(xié)議（LCP，Link Control Protocol）、鑒權(quán)協(xié)議（AP，Authentication Protocol）、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP，Network Control Protocol）3 部分。其中，NCP 用來(lái)協(xié)商和配置網(wǎng)絡(luò)層；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層采 用IPv4 協(xié)議時(shí)，NCP 為IPCP（Internet Protocol Control Protocol）。當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信會(huì)話結(jié)束或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，NCP 首先釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回IP 地址，接著LCP 釋放數(shù)據(jù)鏈路層和物理層連接。

lwIP 的PPPoS 組件支持Raw API 和線程安全PPP API 2 套接口。Raw API 為輕量級(jí)設(shè)計(jì)，只用于無(wú)操作系統(tǒng)的場(chǎng)景，或在lwIP 內(nèi)核線程中調(diào)用。列控業(yè)務(wù)屬于多任務(wù)場(chǎng)景，使用線程安全PPP API 來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用操作，其聲明包含在pppapi.h 中。此外，需按照規(guī)范要求，實(shí)現(xiàn)PPP 輸入任務(wù)和PPP 輸出接口。

PPP 網(wǎng)卡適配模塊實(shí)現(xiàn)的主要接口函數(shù)如表3所示。該模塊與應(yīng)用通過(guò)預(yù)定義的PPP 網(wǎng)卡描述符ppp_descripror 進(jìn)行交互，每個(gè)PPP 網(wǎng)卡描述符對(duì)應(yīng)獨(dú)立的數(shù)據(jù)輸入任務(wù)。PPP 網(wǎng)卡適配工作流程如圖6所示。

表3 PPP 網(wǎng)卡適配模塊的主要接口函數(shù)

圖6 PPP 網(wǎng)卡適配模塊執(zhí)行流程

當(dāng)上層應(yīng)用收到連接命令時(shí)，控制電臺(tái)進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，再調(diào)用PPP_Open 創(chuàng)建PPP 網(wǎng)卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，依次進(jìn)行LCP 邏輯鏈路協(xié)商、鑒權(quán)認(rèn)證及NCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)商；待NCP 成功完成網(wǎng)絡(luò)層IP 地址協(xié)商，PPP 鏈路處于打開(kāi)狀態(tài)，再繼續(xù)執(zhí)行TCP 連接建立。

當(dāng)上層應(yīng)用收到斷開(kāi)命令時(shí)，斷開(kāi)TCP 連接，再調(diào)用PPP_Terminate 斷開(kāi)PPP 鏈路、刪除任務(wù)并進(jìn)行PPP 網(wǎng)卡資源釋放，最終控制電臺(tái)回到命令模式。

另外，開(kāi)發(fā)人員還要實(shí)現(xiàn)一些必要的回調(diào)函數(shù)，用于內(nèi)核線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、通知PPP 鏈路狀態(tài)改變、網(wǎng)卡狀態(tài)改變等操作。

3.3 ALE 模塊

ALE 模塊連接既有上層應(yīng)用（安全層等）和TCP/IP 協(xié)議棧，起到承上啟下作用，包括ALE 功能層和ALE 網(wǎng)絡(luò)接口層，其分層結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 ALE 模塊分層結(jié)構(gòu)示意

（1）ALE 功能層實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用（安全層等）要求的T 服務(wù)原語(yǔ)，包括主動(dòng)發(fā)起的命令動(dòng)作和需要上報(bào)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事件。ALE 功能層定義的服務(wù)原語(yǔ)分為連接建立、數(shù)據(jù)傳輸、連接釋放3 類、共8 個(gè)服務(wù)原語(yǔ)，共同完成傳輸服務(wù)。T 服務(wù)原語(yǔ)的報(bào)文結(jié)構(gòu)和傳輸規(guī)則應(yīng)滿足列控系統(tǒng)分組交換通信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，subset-037 歐洲無(wú)線電系統(tǒng)功能接口規(guī)范、高速鐵路ATO 系統(tǒng)與GSM-R 網(wǎng)絡(luò)接口暫行技術(shù)條件等。

（2）ALE 網(wǎng)絡(luò)接口層實(shí)現(xiàn)對(duì)TCP/IP 協(xié)議棧調(diào)用，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并未定義ALE 層如何實(shí)現(xiàn)與TCP 服務(wù)的接口。根據(jù)RFC793[13]，TCP 協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)換的原因可分為用戶調(diào)用（the user calls）、收到報(bào)文段（the incoming segments）和超時(shí)（timeouts）。為了抽象出TCP 服務(wù)原語(yǔ)，對(duì)上述狀態(tài)轉(zhuǎn)換原因進(jìn)行梳理，定義了一組參考的TCP 服務(wù)原語(yǔ)，包括12 種TCP 服務(wù)原語(yǔ)，如表4 所示。

表4 TCP 服務(wù)原語(yǔ)

ALE 網(wǎng)絡(luò)接口層和ALE 功能層的接口設(shè)計(jì)按照依賴倒置原則，共同依賴TCP 服務(wù)原語(yǔ)這一抽象對(duì)象。其中，ALE 網(wǎng)絡(luò)接口層需向ALE 功能層注冊(cè)7個(gè)TCP 服務(wù)原語(yǔ)動(dòng)作回調(diào)函數(shù)，并調(diào)用ALE 功能層的5 個(gè)TCP 服務(wù)原語(yǔ)事件函數(shù)。ALE 模塊做到了傳輸服務(wù)與TCP/IP 協(xié)議棧具體實(shí)現(xiàn)邏輯的隔離。

4 結(jié)束語(yǔ)

符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的車載設(shè)備GPRS 分組交換通信技術(shù)是支撐鐵路自動(dòng)化和智能化的關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)之一。本文提出滿足ETCS 及CTCS 要求的車地?zé)o線分組交換通信軟件設(shè)計(jì)，使用成熟可靠的開(kāi)源lwIP協(xié)議棧承擔(dān)傳輸服務(wù)，可降低軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)成本。該軟件采用分層架構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)，核心組件均面向接口設(shè)計(jì)，ALE 模塊實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用與TCP/IP 協(xié)議棧的隔離，串口控制模塊封裝了硬件驅(qū)動(dòng)，PPP 網(wǎng)卡適配模塊構(gòu)建了lwIP 抽象網(wǎng)卡；在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和列控業(yè)務(wù)要求的同時(shí)，具備良好的可移植性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，便于實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用和性能升級(jí)。既有GSM-R 通信網(wǎng)絡(luò)下的車載設(shè)備僅需對(duì)電路交換通信軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單改造即可實(shí)現(xiàn)升級(jí)。

該通信軟件已移植到自主化ATO、ATP 車載硬件平臺(tái)及國(guó)產(chǎn)化操作系統(tǒng)中，在高速ATO 系統(tǒng)、新型列控系統(tǒng)、市域鐵路列控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及運(yùn)用中取得良好效果。后續(xù)將研究支持多種網(wǎng)絡(luò)制式切換、協(xié)議棧參數(shù)自動(dòng)調(diào)優(yōu)、TCP 冗余通道等技術(shù)方案，以提高列控系統(tǒng)通信可靠性和魯棒性，助力鐵路裝備技術(shù)水平和服務(wù)質(zhì)量持續(xù)提升。