PPP協議在ATO系統車載無線電臺的應用

王 偉，周宇暉，王嘯陽

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

ATO系統采用GSM-R/GPRS網絡作為車地無線數據傳輸平臺，其車地安全通信協議采用GPRS分組域數據模式。在使用GPRS承載業務時，高速鐵路ATO系統應使用PPP進行數據傳輸，禁止使用其他協議。ATO車載設備通過GSM-R網絡與TSRS建立數據傳輸通道，用于傳輸車地的列車控制信息。它通過Igsm-r接口與ATO車載無線傳輸單元連接，在CTCS-3級車載列控設備的基礎上增加適用于GPRS的AT控制指令集，用于控制車載電臺向GPRS網絡進行附著和去附著、PDP承載上下文激活和去激活、進入和離開數據傳輸態等。在電臺進入在線數據狀態后，ATO系統與GPRS電臺使用PPP協議建立IP數據通道，獲取網絡給GPRS電臺分配的動態IP地址，與地面RBC建立TCP連接。

2 PPP協議介紹

PPP是一組協議的總稱，可以通過撥號或專線方式在兩個網絡節點之間建立連接并收發數據。它提供了一種在客戶端和服務端的點對點鏈路上封裝協議報文的標準方法，支持IP地址的動態分配和管理、同步或異步物理層數據傳輸、網絡層協議數據復用、鏈路層配置、傳輸質量檢測和糾錯，以及多種參數配置協商。

PPP協議在因特網體系結構中屬于數據鏈路層協議，在 TCP/IP 協議集中也是一種用來協商通信雙方配置參數的數據鏈路層協議。主要包括3個組成部分：將IP數據報文封裝到串行接口或網絡接口鏈路上的方法、鏈路層控制協議（Link Control Protocol，LCP）和網絡層控制協議（Network Control Protocol，NCP）。其中LCP用于PPP協議的參數配置選項，處理不同類型的控制幀，檢測鏈路狀態，以及終止鏈路。NCP協議用于承載應用數據的網絡層參數協商，常用的有提供給TCP/IP網絡使用的網際協議控制協議（Internet Protocol Control Protocol，IPCP），當點對點的客戶端和服務端進行NCP參數配置協商時，IPCP協議主要是用來獲得通信雙方的網絡層地址。

PPP數據幀格式遵循高級數據鏈路控制協議（HDLC）族的一般報文格式。PPP數據封裝用于消除上層多種協議數據包的歧義，加入幀頭和幀尾之后成為互相獨立的串行數據幀。在完整的PPP協議幀中，幀頭由幀起始標識、地址標識、控制標識、協議域和數據域組成，幀尾由校驗域、幀結束標識組成。完整的PPP協議幀格式如圖1所示。

圖1 PPP協議幀格式Fig.1 PPP protocol frame format

1) PPP完整幀是以標識字節 0x7E開始和結束的。

2) 地址字段和控制字段在缺省情況是常數。

3) 協議域標識是用來區分PPP數據幀中信息域所承載的數據報文內容。協議域標識的填充需要遵循ISO 3309的地址擴展機制規定。該地址擴展機制規定協議域標識填充的內容必須為奇數，即最低字節的最低位bit為“1”而最高字節的最低位bit為“0”。協議域長度為2 Byte，具體取值如表1所示。

4) 信息域數據的最大長度不超過1 500 Byte，其中PPP協議中配置參數選項MRU（Maximum Receive Unit）的缺省值為1 500 Byte。在實際應用中需根據具體情況進行該最大長度選項的協商。

5) 校驗域主要用來檢測PPP數據幀在鏈路中傳輸的正確性。

表1 PPP協議域典型值Tab.1 Typical value of PPP protocol domain

3 PPP鏈路建立過程

典型的PPP鏈路建立過程包含創建階段、認證階段和網絡協商3個階段。在PPP客戶端和服務端鏈路的配置、驗證、維護和去激活過程中，PPP鏈路需經歷如圖2所示幾個狀態。

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

鏈路不可用狀態：PPP鏈路建立過程需要從這個狀態開始。

鏈路建立狀態：PPP client端通過發送LCP配置請求報文來配置數據鏈路，該報文中配置參數不包括網絡層協議所需的參數，PPP服務端會對等的發送LCP配置請求報文對客戶端進行鏈路配置。

驗證狀態：常用認證協議有口令驗證協議（PAP）和挑戰握手驗證協議（CHAP），鏈路兩端設備是否需要進行認證由LCP配置參數決定。如果通信雙方需要進行互相驗證，需要在鏈路建立階段進行認證方式協商。

網絡層協議狀態：該狀態主要是調用鏈路層建立階段選定的網絡控制層協議。通過PPP客戶端和服務端進行多次交互實現動態分配IP地址功能等。

網絡終止狀態：可以在任何時候終止PPP鏈路。

3.1 LCP參數協商過程

PPP客戶端首先向服務端發送LCP Configure-Request數據報文發起該過程，該報文作為PPP的凈數據被封裝在PPP數據幀的信息域中，此時PPP數據幀的協議域標識被固定設置為0xC021，在整個鏈路建立階段的過程中信息域的數據內容是變化的，LCP數據報文的一般封裝方式如圖3所示，它包括很多種類型的報文，如表2所示。

圖3 LCP報文封裝方式Fig.3 LCP packet encapsulation

表2 LCP報文類型Tab.2 LCP message type

圖3中代碼域標識的長度被固定設置為一個字節，主要是用來標識LCP數據報文的類型。在鏈路建立階段過程中，當接收方無法識別接收到的LCP數據報文中代碼域時，會向對端發送一個LCP拒絕報文（Code-Reject）。

標識域長度也被固定設置為1Byte，主要是用來匹配配置請求和配置響應報文。在進入LCP鏈路建立過程時，通信服務端在接收到對端的配置請求（Config-Request）報文后，當能識別該請求配置報文的代碼域時，先向客戶端回復LCP確認報文（Config-Ack），再向客戶端發送配置請求（Config-Request）報文進行雙向配置，而這兩個配置請求報文的數據域可能是完全一致，區別于它們的標識域不同。通常客戶端發送的LCP配置請求報文的ID從0x01開始，當對端接收到該配置請求報文后，無論使用何種類型報文來響應對方，必須要求響應報文中的ID與接收報文中的ID一致。當客戶端或服務端收到對方響應報文后，將其與發送報文進行比較來決定下一步的操作。

3.2 NCP參數協商過程

NCP協商的主要功能是協商PPP報文的網絡層參數，如獲取服務端IP地址和DNS Server IP地址等。NCP協議過程的數據報文在網絡層協議階段進行交互。通過此過程完成所需的配置參數選項協商后，客戶端即可在配置好的鏈路上開始傳送網絡應用層的數據報文。NCP協議主要包括IPCP協議。IPCP負責在點對點連接的兩端配置、使能和去使能IP協議模塊。

4 PPP在ATO車載電臺中的應用過程

高速鐵路ATO系統采用GPRS分組域承載車地無線通信業務，其系統組成如圖4所示。

PPP協議在ATO車載設備中的部署如圖5所示，其中無線傳輸單元（RTU）作為client端，無線GPRS數傳模塊（MT）作為server端。

車載ATO設備中，RTU與MT之間的PPP建鏈過程如圖6所示。RTU通過AT指令控制GPRS電臺進行網絡附著、設置APN、激活PDP承載上下文等。當GPRS MT通過AT指令向RTU答復“CONNECT”后，RTU開始啟動與MT的PPP鏈路建立過程，通過IPCP流程協商獲取網絡側給GPRS MT分配的本地動態IP地址，與地面控制中心建立TCP連接，進入數據傳輸模式。

在RTU與MT的PPP協 商 過 程 中，作 為PPP協議的一部分，用戶認證（CHAP/PAP）應為“null”認證。如表3、4所示，分別對LCP和NCP的配置進行了規定。

圖4 ATO系統組成Fig.4 Composition of ATO system

圖5 RTU-MT底層接口協議Fig.5 RTU-MT underlying interface protocol

表3 LCP配置選項Tab.3 LCP configuration options

表4 NCP配置選項Tab.4 NCP configuration options

圖6 RTU-MT PPP建鏈關鍵過程Fig.6 Key process of RTU-MT PPP chain establishment

5 總結展望

本文對PPP協議及其在高速鐵路ATO系統車載無線電臺中的應用進行了詳細介紹。在未來CTCS-3級列控系統車地無線通信向LTE-R/5G-R方向演進時，車載ATO系統的RTU與MT的分組域數據通道仍將繼續沿用PPP撥號方式。因此，PPP協議在ATO系統中的應用研究將為下一代CTCS-3級列控系統的發展和演進提供技術參考，在高速鐵路車載列控領域具有潛在的應用價值。