城際鐵路信號系統通信控制服務器(CCS)的ISDN服務器設計

鄭長宗 管偉軍 徐登科 楊霓霏

CCS(通信控制服務器)，是城際鐵路信號系統中地面中心控制設備的重要組成部分，完成車-地通信、運行計劃傳輸和車-地屏蔽門聯控功能。CCS與車載ATP的通信遵從subset037規定，在應用數據的傳輸需要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服務器實現。ISDN服務器維護車-地之間數據鏈路層、網絡層、傳輸層的連接建立、數據傳輸和連接釋放。本文重點討論ISDN服務器的設計。

1 硬件結構設計

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服務器的硬件結構與軟件設計。為保證ISDN通信卡的可靠性，ISDN服務器的硬件平臺采用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服務器與CCS及MSC的外部接口如圖1所示。

ISDN服務器與CCS的連接采用以太網，具體接口對象是CBCI計算機連接到CCS通信前置機。以太網協議采用UDP協議，安全協議采用CCS內部通信安全協議。為保證連接的可靠性，連接方式采用雙網冗余且交叉的方式。

圖1 CCS-ISDN服務器與MSC的接口圖

ISDN服務器與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，終端設備)口連接到 MSC上。信令規程采用DSS1信令方式，速率采用基群速率ISDN(PRI)服務。

2 軟件結構設計

2.1 ISDN服務器協議層次

subset037中描述了車-地通過開放式無線網絡進行安全通信協議棧的整體層次結構，如圖2所示。

圖2 車-地無線安全通信協議層次

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

SFM體現在圖2中的接口7。CFM包括OSI參考模型第4層 (傳輸層)、第3層 (網絡層)和第2層 (數據鏈路層)，體現在圖中的接口6。為方便實現各層次的軟件接口，在硬件設計上對安全通信的協議棧按SFM與CFM的界限進行劃分:把SFM設計在CCS的安全通信平臺上，CFM的3個層次及物理層整體設計在ISDN服務器上。

2.2 ISDN軟件結構

ISDN服務器軟件設計在CBCI計算機之上，如圖3所示。應用程序應設計成3個模塊:SFM、SFM-CCS接口、SFM-MSC接口，包含傳輸層、網絡層、數據鏈路層，同時應具備與上層CCS通信前置機及SFM的接口，與下層CAPI的D/B信道接口。

軟件設計運行的基礎環境應具備Windows-CE操作系統及PrimuX卡的驅動程序。其中，操作系統提供了應用程序的運行平臺，及與CCS通信前置機通信的以太網驅動程序，PrimuX卡的驅動程序提供了應用程序與物理層的D/B信道適配的CAPI協議接口。

因此應用程序設計為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、網絡層NL、數據鏈路層 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協議的D/B信道接口。

CFM-CCS模塊是因ISDN服務器硬件與CCS分離而產生的接口，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章中詳細規定CFM模塊內部各個層次的性能與參數配置。

3 各層次的功能

圖3 ISDN應用軟件層次與接口

1.數據鏈路層，即數據通道，城際鐵路信號系統通信的數據鏈路層采用HDLC協議，主要實現功能:①鏈路管理建立、維持、釋放連接、鏈路標識等功能;②數據傳輸提供數據傳送;③差錯檢測和恢復保證數據傳輸的可靠性，通過檢測和糾正物理層產生的傳送錯誤來實現;④幀同步采用異步平衡模式，對收發順序進行控制，實現通信雙方的同步;⑤高優先級數據傳輸;⑥流量控制。

2.網絡層，主要實現功能:①協調功能，提供B/Bm信道協議棧與信令協議棧之間的同步機制;②分割重組功能，使用CSPDNs的T.70網絡層協議，僅采用T.70包頭，把網絡服務協議單元(Network Service Data Unit，NSDU)拆包成網絡協議數據單元 (Network Protocol Data Unit，NPDU)，NPDU組包成NSDU。

3.傳輸層，主要實現功能:①復用功能，可實現多個傳輸層連接共同使用一個網絡層連接;②優先級處理，車載設備呼叫CCS時應攜帶eMLPP優先級;③釋放網絡連接，當所有的傳輸層連接被釋放后，網絡層連接隨之被釋放，若網絡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，當傳輸業務數據單元 (TSDU)超長，發送方應對TSDU進行拆包處理，接收方收到TPDU后，應能根據包頭重組多個TPDU。

4 各層次連接過程

4.1 連接建立

CCS-ISDN服務器作為DCE端，不主動發起連接請求，連接建立只能由車載ATP作為DTE端發出。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上通過帶有相關參數的T-CONNECT.req原語使用連接服務。TL可以在網絡層(NL)NSAP上通過帶有相關參數的N-CONN.req原語使用連接服務。NL通過物理層D信道向CCS發起連接請求，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，發起DLL連接。CCS-ISDN服務器的DLL在收到ATP的SABME后，通過發送DL-CONN-ind原語給NL請求連接，NL通過發送N-CONN-ind原語給TL請求連接，TL通過發送N-CONN-respt原語給NL同意連接，NL通過發送DL-CONN-respt原語給DLL同意連接，DLL發送UA幀給ATP。

ATP在規定時間內收到CCS的UA幀后，DLL層連接建立。ATP的 DLL給 NL發送 DLCONN.conn-conf原語確定NL連接已建立，NL給TL發送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 數據傳輸

數據傳輸服務在傳輸連接成功建立后提供。通信服務用戶在TSAP上通過帶有相關參數的T-DATA.request原語使用該項服務。CFM提供透明可靠的全雙工用戶數據傳輸，并對其用戶隱藏內部的數據處理細節。發送數據時序:應用數據到達后轉換成T-Data-req原語發往TL，TL分割處理數據后封裝為DT TPDU，以N-Data-req原語發往NL，NL分割處理數據后，以 Dl-Data-req的原語發到DLL，DLL將應用消息封裝為I幀，通過物理層B信道，經由ISDN通信卡GSM-R網絡發往接收方對等層次。時序如圖5所示。接收數據域發送數據時序相反對稱，不再累述。

4.3 連接釋放

圖4 連接建立時序圖

圖5 發起方數據傳輸時序圖

CCS-ISDN服務器作為DCE端，不主動發起連接釋放，連接釋放只能由車載ATP作為DTE端發出。當CCS-ISDN服務器的CFM出現異常拆鏈時，也會主動釋放連接。連接釋放時序應從發起方和應答方兩方面描述。

雙方時序:發起方CFM向應答方發送DR TPDU，通過向TL發送帶有相關參數的T-DISC.req原語實現傳輸連接釋放。應答方TL收到DR TPDU后，回復DC TPDU。發起方TL到該 DC TPDU后釋放連接，并向NL發送 N-Disc-req，NL收到該原語后釋放NL連接，并向DLL發送 DL-Disc-req原語，DLL向應答方發送DISC幀。應答方收到DISC幀后，向發起方發送UA幀，釋放DLL連接，并隨之釋放NL、TL連接。發起方收到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 結論

ISDN服務器在CCS中起到了OSI參考模型傳輸層、網絡層、數據鏈路層作用，及物理層接口作用。ISDN服務器的可靠、穩定運行對城際鐵路的安全可靠運營意義重大。本文設計了一種基于CBCI計算機的ISDN服務器，詳細描述了其硬件結構、軟件結構、軟件層次功能、層次連接過程，為CCS系統的設計與研制提供了準備條件。

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