基于lwIP 的列車運行控制系統車載設備分組交換通信軟件設計

包正堂

（中國鐵路通信信號股份有限公司 北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070）

GSM-R 作為鐵路專網無線通信標準，已在國內外廣泛應用，是高速鐵路CTCS-3 級列車運行控制系統（簡稱：列控系統）的關鍵技術之一[1]。隨著鐵路行車調度和列車運行控制業務（簡稱：列控業務）的不斷擴展，GSM-R 窄帶網絡在容量和性能方面已難以滿足日益豐富的運營需求。

GPRS 在GSM-R 上疊加新的網絡實體來實現分組數據服務，與既有網絡相比，GPRS 在通信速率、實時性、連接管理上具有明顯優勢。目前，歐洲鐵路ETCS 系統基線三subset-037 歐洲無線電系統功能接口規范涵蓋了GPRS 通信要求[2]。我國高速鐵路ATO 系統已將GPRS 應用于車載ATO 與臨時限速服務器（TSRS，Temporary Speed Reduction Server）的通信[3]。中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）正在推進的CTCS-4 級列控系統預研方案中，將GPRS 用于車地之間、列首與安全列尾之間的通信[4]。GPRS 引入不但可實現鐵路裝備技術向分組通信的過渡，為今后鐵路專用網向4G/5G 演進奠定基礎。

列控業務使用GPRS 主要是傳輸安全相關數據，安全相關信息的交互必須遵循安全通信相關標準。在研究基于GPRS 的列控業務通信技術的過程中，考慮到無線網絡建設的巨大成本、地域性和復雜性，應以列控系統車載設備（簡稱：車載設備）的分組交換通信技術研究為先導，在不修改原有應用軟件及安全機制的前提下，逐步實現列控業務向GPRS 網絡的無縫遷移。

本文基于GPRS 分組域車地通信規范，研究設計車載設備分組交換通信軟件，選用開源lwIP 作為TCP/IP 協議棧，將車載設備通信業務接入GPRS 分組域，以提升車載設備通信能力，滿足鐵路日益增加的數字化和智能化業務需求。

1 GPRS 分組域車地通信

1.1 分組域通信簡介

歐洲電工標準化委員會（CENELEC）鐵路安全通信標準EN 50159 定義了開放網絡下安全相關系統通信傳輸的參考架構[5-6]，包括安全相關傳輸系統、通信系統及開放網絡。

基于此標準，列控系統相關接口規范中定義了提供安全相關傳輸系統功能的安全功能模塊（SFM，Safe Functional Module）和提供通信系統功能的通信功能模塊（CFM，Communication Functional Module）。SFM 提供安全相關傳輸服務，實現安全連接生命周期管理和安全數據交互，與具體通信網絡制式無關；CFM 對接開放式網絡提供的通信服務，是車載設備適配和實現分組交換通信的關鍵模塊。

1.2 CFM 功能

CFM 對等實體之間通過GSM-R/GPRS 開放網絡或封閉網絡通信，是車地通信網絡中的關鍵組成部分，負責實現車載設備與地面設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 分組交換之間的動態切換。此功能與CFM分組交換通信無關，且國內無該需求，本文暫不涉及。

按照“協議水平、服務垂直”的原則，設計車載設備分組交換通信網絡體系，自上而下劃分為3個層次：應用、SFM 以及CFM；各層之間互為服務的提供者和使用者，通過各自定義的服務訪問點來交互。應用負責業務交互；SFM 負責安全層對等實體的安全連接管理及交互，包括消息完整性、校驗以及錯誤上報等。CFM 負責提供符合ITU-T X.214傳輸層模型的傳輸服務以及電臺（MT，Mobile Terminal）交互服務[2]，相當于實現了OSI 開放網絡傳輸參考模型中的第4 層（即傳輸層）、第3 層（即網絡層）和第2 層（數據鏈路層），具體包括：（1）傳輸層連接的建立和釋放，可靠數據的傳輸，透明數據傳輸；(2）MT 注冊及網絡信息上報。

為了實現車載設備分組交換通信，還需要具備一些必要條件，如：MT 及無線網絡均需支持GPRS，無線網絡需提供專用接入點名稱等。

1.3 分組交換通信網絡對等通信分層結構

在GPRS 分組交換傳輸模式下，車地雙方各通信層劃分為相對應的功能實體，同一層的實體稱為對等實體。GPRS 分組交換通信網絡對等通信分層結構如圖1 所示。

圖1 GPRS 分組交換通信網絡分層結構示意

對等實體之間像是在直接通信，無需關注具體的數據路徑。每一層對等實體實現完全獨立的功能，層與層之間實現協議和服務的轉換，即向上一層提供服務，向下一層輸出協議。自上而下的，既有應用至安全層無需修改，新增適配層實體（ALE，Adapter Layer Entity）用于適配面向字節流的TCP 傳輸服務，TCP/IP 協議棧實現可靠傳輸，包括傳輸層、網絡層和數據鏈路層，既有物理層不變，既有AT 命令使用分組交換命令集合。

CFM 中每個物理通道即對應一個MT。在分組交換傳輸模式下，每個物理通道支持多個傳輸連接，而電路交換傳輸模式下該功能是可選的。

1.4 GSM-R/GPRS 車地通信過程

GSM-R/GPRS 車地通信過程如圖2 所示。

圖2 GSM-R/GPRS 車地通信過程示意

（1）當車載設備控制MT 完成GPRS 附著和PDP 上下文激活后，MT 即與對應的公用數據網（PDN，Public Data Network）之間建立數據承載，獲得PDN 分配的IP 地址，并進入數據模式[7]。在這一過程中，車載設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 協議的分組交換部分（也稱為IGPRS接口），物理層為RS-422。

（2）MT 進入數據模式后，CFM 需要借助點對點通信協議（PPP，Point-Point Protocol）與MT 通信。PPP 協議對應于OSI 模型中第2 層，起初作為用戶與互聯網提供商之間的數據鏈路層協議，因其簡單可靠被廣泛采用。PPP 協議中的各部分先后實現物理鏈路協商、鑒權驗證、網絡地址配置等功能，也稱為PPP 撥號，是CFM 實現網絡通信的基礎。當CFM完成PPP 撥號流程后，雙方隨即建立IP 通信，CFM可借助分配給MT 的IP 地址，嘗試與地面對等實體建立傳輸服務。

CFM 使用TCP 實現可靠傳輸，為了實現與TCP/IP 協議的映射管理，CFM 提供了ALE，用以實現安全層與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 的數據映射，通道狀態監控等。

2 車載設備分組交換通信軟件設計

2.1 選用開源lwIP 作為TCP/IP 協議棧

分組網絡采用IP 通信，需引入TCP/IP 協議棧實現GPRS 網絡上的可靠數據傳輸。采用成熟免費的開源嵌入式協議棧來開發分組交換通信軟件，可降低開發和維護成本，且開發人員能夠完全掌握源碼。表1 列出較為著名開源嵌入式TCP/IP 協議棧[8-11]。

表1 開源嵌入式TCP/IP 協議棧

車載設備一般采用嵌入式實時操作系統，產品生命周期較長，開源嵌入式TCP/IP 協議棧的選擇應考慮高可靠、輕量化、易于移植和長期維護有保證。

車載設備分組交換通信與電臺使用PPP 協議，考慮到軟件成熟度和穩定性，lwIP 是最佳TCP/IP 協議棧選擇。lwIP 由瑞士計算機科學院Adam Dunkels開發，目前源代碼托管在自由軟件基金會（Free Software Foundation）公共代碼托管和協作平臺Savannah 上，最新版本為2.1.3[12]。

2.2 lwIP 移植與配置

2.2.1 lwIP 分層結構

lwIP 協議棧結構清晰簡潔，可劃分為用戶接口層、系統及內核運行層、網卡接口層3 部分。lwIP協議棧結構如圖3 所示。

圖3 lwIP 協議棧結構示意

用戶接口層分為BSD 風格接口、順序風格接口和原生接口3 類。系統及內核運行層支持帶操作系統（提供多線程）和不帶操作系統（阻塞讀寫）2 種方式。網卡接口層是lwIP 定義的抽象網卡數據結構，由開發人員根據實際硬件驅動實現。

2.2.2 lwIP 移植涉及的主要組件及配置

lwIP 的移植與內核運行方式相關，本文操作系統模式（即lwIP 定義的OS mode），lwIP 移植涉及的主要組件及配置包括：系統抽象層、定時器、編譯器及平臺、臨界區設置、用戶配置。

（1）系統抽象層：主要包括信號量、互斥鎖、郵箱（消息隊列）、線程創建、同步防護等；lwIP使用信號量實現任務同步，借助郵箱實現任務間通信，通過共享內存完成緩存傳遞；若操作系統支持優先級反轉處理的互斥鎖，無需使用信號量模擬（即lwIP 默認方式）。

（2）定時器：向lwIP 內核線程運行提供一個定時器，計時單位為ms。

（3）編譯器及平臺：編譯器主要包括數據類型、編譯器內存對齊、基礎庫依賴、打印及故障處理等。

（4）臨界區設置：為了避免任務間內存分配和釋放出現異常，lwIP 要求用戶提供輕量級快速防護機制；對于嵌入式系統，可通過禁用中斷或使用信號量、互斥鎖實現臨界區設置。為保證性能，建議優先使用后者，避免頻繁的任務調度操作造成性能下降。

（5）用戶配置：提供了強大靈活的剪裁與配置宏開關，開發人員可通過用戶頭文件lwipopts.h 進行設置，按需定義運行方式、協議族配置、網卡配置、內存管理等。

2.3 車載設備分組交換通信軟件架構

車載設備軟件一般可分為主控軟件和通信軟件2 部分。主控軟件執行安全應用（包含安全層），需運行在SIL4 級硬件上；通信軟件不承擔安全功能，可以運行于SIL0 級硬件。

為使車載設備具備分組交換通信能力，需要對其通信軟件進行修改，主要包括CFM 集成lwIP 以實現可靠傳輸，新增使用AT 命令分組交換集合等，原有通信軟件的應用及電臺控制功能不變。

車載設備分組交換通信軟件的主要功能模塊包括：ALE 模塊、lwIP 協議棧、電臺控制模塊、串口控制模塊、PPP 網卡適配模塊，軟件架構如圖4 所示。

圖4 車載設備分組交換通信軟件架構

（1）ALE 模塊通過離散的、非定長的ALE 數據包，實現端到端的數據傳輸[2]。通過一系列傳輸服務接入點（TSAP，Transport Service Access Point）向上層用戶（安全層）提供傳輸服務，通過T 原語交互。

（2）lwIP 協議棧具體實現了TCP/IP 協議。基于 lwIP 用戶接口可實現一系列TCP 服務訪問點（TCPSAP，TCP Service Access Point），即TCP 服務原語，通過這些原語可以向抽象的TCP 服務用戶（TCP-User），例如ALE 模塊提供傳輸服務。

（3）串口控制模塊封裝了RS-422 通信驅動，向PPP 網卡適配模塊及電臺控制模塊提供基礎的串口通信，即IGPRS接口的物理實現。

（4）電臺控制模塊通過串口控制模塊與電臺進行AT 命令交互，并監測電臺狀態；當電臺進入數據模式后，通知應用創建PPP 網卡接口，進而可與服務端進行IP 通信。

（5）PPP 網卡適配模塊基于lwIP 的PPP 組件和網卡組件，通過集成串口控制模塊，實現PPP網卡接口的創建、刪除和操作功能。該模塊創建網卡的個數與MT 個數相對應。lwIP 中數據鏈路層不同協議組件均可表示為統一的抽象網卡數據結構，由網卡組件來管理，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 等協議[11]。

2.4 車載設備分組交換通信軟件處理流程

車載設備分組交換通信軟件面向多任務操作系統的運行時任務主要包括：應用任務、電臺控制任務、PPP 通信任務、lwIP 內核任務，具體處理流程如圖5 所示。

圖5 車載設備分組交換通信軟件處理流程

該軟件啟動后，先進行操作系統及lwIP 初始化，之后依次創建應用任務和電臺控制任務，lwIP 內核任務由lwIP 初始化函數自動創建。

應用任務通過調度ALE 模塊實時處理安全層T原語。當需要建立安全通信時，先控制電臺完成PDP 上下文激活，并進入數據模式；隨后創建PPP通信任務執行鏈路建立；當PPP 協議完成IP 地址協商后，軟件可通過網絡與服務端建立TCP 連接，進行后續ALE、安全層的對等通信。

3 關鍵組件設計

3.1 串口控制模塊

lwIP 支持PPP 協議運行在以太網（PPPoE，PPP Over Ethernet）和串口（PPPoS，PPP Over Serial）上。當啟用PPPoS 時，與硬件緊密相關的串口控制需要由用戶來實現。lwIP 內核頭文件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 等運行在串口上的數據鏈路層協議。串口控制模塊的主要接口函數如表2 所示。

表2 串口控制模塊主要接口函數

lwIP 的PPPoS 組件提供Raw API 和線程安全PPP API 2 套接口；Raw API 屬于輕量級設計，只能用于無操作系統的場景，或僅在lwIP 內核線程中調用。列控業務屬于多任務場景，應使用線程安全PPP API 來實現應用操作，其聲明包含在pppapi.h 中。此外，按照lwIP 適配要求，用戶應實現PPP 輸入任務和PPP 輸出接口。

3.2 PPP 網卡適配模塊

PPP 協議包括鏈路控制協議（LCP，Link Control Protocol）、鑒權協議（AP，Authentication Protocol）、網絡控制協議（NCP，Network Control Protocol）3 部分。其中，NCP 用來協商和配置網絡層；當網絡層采 用IPv4 協議時，NCP 為IPCP（Internet Protocol Control Protocol）。當點對點通信會話結束或出現錯誤時，NCP 首先釋放網絡層連接，收回IP 地址，接著LCP 釋放數據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 為輕量級設計，只用于無操作系統的場景，或在lwIP 內核線程中調用。列控業務屬于多任務場景，使用線程安全PPP API 來實現應用操作，其聲明包含在pppapi.h 中。此外，需按照規范要求，實現PPP 輸入任務和PPP 輸出接口。

PPP 網卡適配模塊實現的主要接口函數如表3所示。該模塊與應用通過預定義的PPP 網卡描述符ppp_descripror 進行交互，每個PPP 網卡描述符對應獨立的數據輸入任務。PPP 網卡適配工作流程如圖6所示。

表3 PPP 網卡適配模塊的主要接口函數

圖6 PPP 網卡適配模塊執行流程

當上層應用收到連接命令時，控制電臺進入數據模式，再調用PPP_Open 創建PPP 網卡數據結構，依次進行LCP 邏輯鏈路協商、鑒權認證及NCP 網絡協議協商；待NCP 成功完成網絡層IP 地址協商，PPP 鏈路處于打開狀態，再繼續執行TCP 連接建立。

當上層應用收到斷開命令時，斷開TCP 連接，再調用PPP_Terminate 斷開PPP 鏈路、刪除任務并進行PPP 網卡資源釋放，最終控制電臺回到命令模式。

另外，開發人員還要實現一些必要的回調函數，用于內核線程實現數據收發、通知PPP 鏈路狀態改變、網卡狀態改變等操作。

3.3 ALE 模塊

ALE 模塊連接既有上層應用（安全層等）和TCP/IP 協議棧，起到承上啟下作用，包括ALE 功能層和ALE 網絡接口層，其分層結構如圖7 所示。

圖7 ALE 模塊分層結構示意

（1）ALE 功能層實現上層應用（安全層等）要求的T 服務原語，包括主動發起的命令動作和需要上報的網絡狀態事件。ALE 功能層定義的服務原語分為連接建立、數據傳輸、連接釋放3 類、共8 個服務原語，共同完成傳輸服務。T 服務原語的報文結構和傳輸規則應滿足列控系統分組交換通信相關標準，subset-037 歐洲無線電系統功能接口規范、高速鐵路ATO 系統與GSM-R 網絡接口暫行技術條件等。

（2）ALE 網絡接口層實現對TCP/IP 協議棧調用，但相關標準并未定義ALE 層如何實現與TCP 服務的接口。根據RFC793[13]，TCP 協議狀態轉換的原因可分為用戶調用（the user calls）、收到報文段（the incoming segments）和超時（timeouts）。為了抽象出TCP 服務原語，對上述狀態轉換原因進行梳理，定義了一組參考的TCP 服務原語，包括12 種TCP 服務原語，如表4 所示。

表4 TCP 服務原語

ALE 網絡接口層和ALE 功能層的接口設計按照依賴倒置原則，共同依賴TCP 服務原語這一抽象對象。其中，ALE 網絡接口層需向ALE 功能層注冊7個TCP 服務原語動作回調函數，并調用ALE 功能層的5 個TCP 服務原語事件函數。ALE 模塊做到了傳輸服務與TCP/IP 協議棧具體實現邏輯的隔離。

4 結束語

符合標準規范的車載設備GPRS 分組交換通信技術是支撐鐵路自動化和智能化的關鍵性基礎技術之一。本文提出滿足ETCS 及CTCS 要求的車地無線分組交換通信軟件設計，使用成熟可靠的開源lwIP協議棧承擔傳輸服務，可降低軟件開發和維護成本。該軟件采用分層架構和模塊化設計，核心組件均面向接口設計，ALE 模塊實現上層應用與TCP/IP 協議棧的隔離，串口控制模塊封裝了硬件驅動，PPP 網卡適配模塊構建了lwIP 抽象網卡；在滿足相關標準和列控業務要求的同時，具備良好的可移植性、可維護性和可擴展性，便于實現跨平臺應用和性能升級。既有GSM-R 通信網絡下的車載設備僅需對電路交換通信軟件進行簡單改造即可實現升級。

該通信軟件已移植到自主化ATO、ATP 車載硬件平臺及國產化操作系統中，在高速ATO 系統、新型列控系統、市域鐵路列控系統的現場試驗及運用中取得良好效果。后續將研究支持多種網絡制式切換、協議棧參數自動調優、TCP 冗余通道等技術方案，以提高列控系統通信可靠性和魯棒性，助力鐵路裝備技術水平和服務質量持續提升。