城际铁路信号系统通信控制服务器(CCS)的ISDN服务器设计

郑长宗 管伟军 徐登科 杨霓霏

CCS(通信控制服务器)，是城际铁路信号系统中地面中心控制设备的重要组成部分，完成车-地通信、运行计划传输和车-地屏蔽门联控功能。CCS与车载ATP的通信遵从subset037规定，在应用数据的传输需要2个功能模块，即安全功能模块(SFM)和通信功能模块 (CFM)，其中CCS端的CFM由ISDN服务器实现。ISDN服务器维护车-地之间数据链路层、网络层、传输层的连接建立、数据传输和连接释放。本文重点讨论ISDN服务器的设计。

1 硬件结构设计

ISDN通信功能的硬件以插卡形式存在，有PCI-E与CBCI 2种插卡形式。下面以CBCI插卡:德国Gerdes CORP公司的PrimuX为例，说明ISDN服务器的硬件结构与软件设计。为保证ISDN通信卡的可靠性，ISDN服务器的硬件平台采用2块ISND卡互为冷备通道，分别安装在CBCI机笼的2套计算机上。ISDN服务器与CCS及MSC的外部接口如图1所示。

ISDN服务器与CCS的连接采用以太网，具体接口对象是CBCI计算机连接到CCS通信前置机。以太网协议采用UDP协议，安全协议采用CCS内部通信安全协议。为保证连接的可靠性，连接方式采用双网冗余且交叉的方式。

图1 CCS-ISDN服务器与MSC的接口图

ISDN服务器与MSC(Mobil Station Center，移动基站中心)的连接采用ISDN PRI接口 (2Mb/s同轴电缆)，具体接口对象是 PrimuX卡的 TE(Terminal Equipment，终端设备)口连接到 MSC上。信令规程采用DSS1信令方式，速率采用基群速率ISDN(PRI)服务。

2 软件结构设计

2.1 ISDN服务器协议层次

subset037中描述了车-地通过开放式无线网络进行安全通信协议栈的整体层次结构，如图2所示。

图2 车-地无线安全通信协议层次

图2中最底层的接口1、接口2是GSM-R网络与无线通信系统之间的接口。接口3、接口4为层间服务接口，接口3为安全应用 (如ATP/ATC)与SFM(即图3中安全层)之间的服务接口，接口4为非安全应用或维护应用与CFM之间的服务接口。接口6、接口7为逻辑对等实体间的协议接口。接口8为应用对等实体间的接口，即CCS与ATP应用接口协议中规定的接口。

SFM体现在图2中的接口7。CFM包括OSI参考模型第4层 (传输层)、第3层 (网络层)和第2层 (数据链路层)，体现在图中的接口6。为方便实现各层次的软件接口，在硬件设计上对安全通信的协议栈按SFM与CFM的界限进行划分:把SFM设计在CCS的安全通信平台上，CFM的3个层次及物理层整体设计在ISDN服务器上。

2.2 ISDN软件结构

ISDN服务器软件设计在CBCI计算机之上，如图3所示。应用程序应设计成3个模块:SFM、SFM-CCS接口、SFM-MSC接口，包含传输层、网络层、数据链路层，同时应具备与上层CCS通信前置机及SFM的接口，与下层CAPI的D/B信道接口。

软件设计运行的基础环境应具备Windows-CE操作系统及PrimuX卡的驱动程序。其中，操作系统提供了应用程序的运行平台，及与CCS通信前置机通信的以太网驱动程序，PrimuX卡的驱动程序提供了应用程序与物理层的D/B信道适配的CAPI协议接口。

因此应用程序设计为3个部分:CFM模块、CFM-CCS模块、CFM-MSC模块，如图3所示。其中，CFM模块包含传输层TL、网络层NL、数据链路层 DLL;CFM-CCS模块包含与 SFM接口、与CCS通信前置机接口;CFM-MSC模块包含与CAPI协议的D/B信道接口。

CFM-CCS模块是因ISDN服务器硬件与CCS分离而产生的接口，由CCS厂商自行定义，CFM-MSC模块由CAPI提供接口支持，功能完备。subset037第8章中详细规定CFM模块内部各个层次的性能与参数配置。

3 各层次的功能

图3 ISDN应用软件层次与接口

1.数据链路层，即数据通道，城际铁路信号系统通信的数据链路层采用HDLC协议，主要实现功能:①链路管理建立、维持、释放连接、链路标识等功能;②数据传输提供数据传送;③差错检测和恢复保证数据传输的可靠性，通过检测和纠正物理层产生的传送错误来实现;④帧同步采用异步平衡模式，对收发顺序进行控制，实现通信双方的同步;⑤高优先级数据传输;⑥流量控制。

2.网络层，主要实现功能:①协调功能，提供B/Bm信道协议栈与信令协议栈之间的同步机制;②分割重组功能，使用CSPDNs的T.70网络层协议，仅采用T.70包头，把网络服务协议单元(Network Service Data Unit，NSDU)拆包成网络协议数据单元 (Network Protocol Data Unit，NPDU)，NPDU组包成NSDU。

3.传输层，主要实现功能:①复用功能，可实现多个传输层连接共同使用一个网络层连接;②优先级处理，车载设备呼叫CCS时应携带eMLPP优先级;③释放网络连接，当所有的传输层连接被释放后，网络层连接随之被释放，若网络层连接因异常被释放，也会立即告知传输层，使传输层连接中断;④寻址，传输层在建立连接时，连接双方的CR-TPDU和CC-TPDU携带有地址信息，用于连接双方进行身份识别，防止非法用户接入;⑤拆包/组包，当传输业务数据单元 (TSDU)超长，发送方应对TSDU进行拆包处理，接收方收到TPDU后，应能根据包头重组多个TPDU。

4 各层次连接过程

4.1 连接建立

CCS-ISDN服务器作为DCE端，不主动发起连接请求，连接建立只能由车载ATP作为DTE端发出。传输连接在车载SFM向CFM的传输层(TL)请求连接建立的时候开始。SFM可以在TSAP上通过带有相关参数的T-CONNECT.req原语使用连接服务。TL可以在网络层(NL)NSAP上通过带有相关参数的N-CONN.req原语使用连接服务。NL通过物理层D信道向CCS发起连接请求，在物理层连接建立后，NL通过DL-CONN.req原语请求建立连接。

ATP的DLL通过SABME异步平衡信息帧，发起DLL连接。CCS-ISDN服务器的DLL在收到ATP的SABME后，通过发送DL-CONN-ind原语给NL请求连接，NL通过发送N-CONN-ind原语给TL请求连接，TL通过发送N-CONN-respt原语给NL同意连接，NL通过发送DL-CONN-respt原语给DLL同意连接，DLL发送UA帧给ATP。

ATP在规定时间内收到CCS的UA帧后，DLL层连接建立。ATP的 DLL给 NL发送 DLCONN.conn-conf原语确定NL连接已建立，NL给TL发送N-CONN.conf原语确定TL连接建立。此时通信双方对等连接建立成功。连接建立时序如图4所示。

4.2 数据传输

数据传输服务在传输连接成功建立后提供。通信服务用户在TSAP上通过带有相关参数的T-DATA.request原语使用该项服务。CFM提供透明可靠的全双工用户数据传输，并对其用户隐藏内部的数据处理细节。发送数据时序:应用数据到达后转换成T-Data-req原语发往TL，TL分割处理数据后封装为DT TPDU，以N-Data-req原语发往NL，NL分割处理数据后，以 Dl-Data-req的原语发到DLL，DLL将应用消息封装为I帧，通过物理层B信道，经由ISDN通信卡GSM-R网络发往接收方对等层次。时序如图5所示。接收数据域发送数据时序相反对称，不再累述。

4.3 连接释放

图4 连接建立时序图

图5 发起方数据传输时序图

CCS-ISDN服务器作为DCE端，不主动发起连接释放，连接释放只能由车载ATP作为DTE端发出。当CCS-ISDN服务器的CFM出现异常拆链时，也会主动释放连接。连接释放时序应从发起方和应答方两方面描述。

双方时序:发起方CFM向应答方发送DR TPDU，通过向TL发送带有相关参数的T-DISC.req原语实现传输连接释放。应答方TL收到DR TPDU后，回复DC TPDU。发起方TL到该 DC TPDU后释放连接，并向NL发送 N-Disc-req，NL收到该原语后释放NL连接，并向DLL发送 DL-Disc-req原语，DLL向应答方发送DISC帧。应答方收到DISC帧后，向发起方发送UA帧，释放DLL连接，并随之释放NL、TL连接。发起方收到UA帧后，DLL连接释放，此时连接双方的链路层释放连接。连接释放过程与连接建立过程的前半部分类似，时序图不再累述。

5 结论

ISDN服务器在CCS中起到了OSI参考模型传输层、网络层、数据链路层作用，及物理层接口作用。ISDN服务器的可靠、稳定运行对城际铁路的安全可靠运营意义重大。本文设计了一种基于CBCI计算机的ISDN服务器，详细描述了其硬件结构、软件结构、软件层次功能、层次连接过程，为CCS系统的设计与研制提供了准备条件。

［1］ Subset-037 v2.3.0:ERTMS/ETCS-Class1 Euroradio FIS［S］.ALCATEL，ALSTOM，ANSALDO-SIGNAL，et al.2005:25-82.

［2］ 科技运［2008］168号CTCS-3级列控系统GSM-R网络需求规范(v1.0)［S］.中华人民共和国铁道部运输局.2008.

［3］ RBC与ATP安全通信接口规范(V1，0)［S］.中华人民共和国铁道部运输局.2008.4.

［4］ CTCS-3级列控系统与GSM-R网络接口规范(V1.0)［S］.中华人民共和国铁道部运输局.2008.12.

［5］ ITU-T X.224 Protocol for providing the OSI connectionmode transport service［S］.1993.11.

［6］ ISO/IEC 7776 Description of the X.25 LAPB-compatible DTE data link procedure［S］.1995.07.

［7］ 丁建文，钟章队.基于 GSM-R的CTCS-3级列控系统安全数据传输通信协议栈分析［J］.铁道通信信号.2010(9):8-11.