謝和歡

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

1 概述

在CTCS-3級列控系統(tǒng)中，包含了ATP、RBC、聯(lián)鎖、TCC、TSR、CTC等大量設備。這些設備之間彼此存在大量接口，設備間的數(shù)據(jù)交換也變得更為復雜和頻繁。為了能從底層監(jiān)測整個CTCS-3系統(tǒng)的運行情況，并在出現(xiàn)故障時，迅速定位故障原因，就需要對CTCS-3系統(tǒng)各設備之間的接口進行綜合監(jiān)測。

CTCS-3列控系統(tǒng)主要設備之間的接口包括ATP Igsm-r接口，RBC PRI接口，RBC與聯(lián)鎖、TSRS的接口，RBC與VIA-CTC服務器的接口，以及TCC與聯(lián)鎖的接口，聯(lián)鎖與CTC的接口，TCC與TSRS的接口等。這些接口中ATP系統(tǒng)的GCD模塊與MT2之間是Igsm-r接口，RBC系統(tǒng)的ISDN服務器與ISDN網(wǎng)絡之間是PRI接口，其他均通過以太網(wǎng)連接。Igsm-r接口、PRI接口的監(jiān)測需要專門的設備。而以太網(wǎng)接口的監(jiān)測采用交換機端口映射的方法就可以實現(xiàn)。

我國目前采用CTCS-3級列控系統(tǒng)的線路越來越多。無論是在線路運行前的測試階段還是線路正式運營后，CTCS-3級列控系統(tǒng)總是難免出現(xiàn)ATP與RBC之間無線故障、地面設備之間網(wǎng)絡故障的情況。因此研究CTCS-3級列控系統(tǒng)接口監(jiān)測的方法具有重要意義。

2 Igsm-r接口監(jiān)測

2.1 Igsm-r接口介紹

Igsm-r接口指的是CTCS-3級列控系統(tǒng)車載設備中TE與MT2之間的接口，如圖1所示。TE與MT2之間通過背部總線相連。其中除了RS-422串口的數(shù)據(jù)收發(fā)線外，還包括握手信號線。

2.2 ATP Igsm-r接口監(jiān)測方法

ATP的GCD模塊與MT2通過TxD+、TxD-、RxD+、RxD- 四根信號線差分傳輸指令、結(jié)果碼和數(shù)據(jù)。其中，指令和結(jié)果碼以ASCII碼傳輸，數(shù)據(jù)以比特流方式透明傳輸。GCD與MT2通過RTS（Request to Send） 、CTS（Clear to Send）、DSR（Data Set Ready）、DTR（Data Terminal Ready）、DCD等硬件握手信號控制數(shù)據(jù)的傳輸時機。RTS/CTS和DTR/DSR一起工作，一個作為輸出信號，另一個作為輸入信號。DTR/DSR用于表示系統(tǒng)通信是否就緒，而RTS/CTS用于控制單個數(shù)據(jù)包的傳輸。

ATP Igsm-r接口監(jiān)測系統(tǒng)需要把這些信號線全部采集。一個基本方法是把這些信號通過RS-232/TTL電平轉(zhuǎn)換芯片先轉(zhuǎn)換為TTL電平，再轉(zhuǎn)換為RS-232信號。監(jiān)測系統(tǒng)通過讀取RS-232串口就可以獲取所有這些信號。同時在設計接口采集板時，還需要防止它對ATP的GCD模塊與MT2之間數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生干擾?？梢钥紤]采用電源模塊隔離和光電耦合隔離技術(shù)相結(jié)合的辦法，來實現(xiàn)這一點。這樣監(jiān)測系統(tǒng)的任何故障和干擾，都不會傳到GCD-MT一側(cè)，從而保障GCD-MT之間正常數(shù)據(jù)的傳輸。

ATP Igsm-r接口數(shù)據(jù)監(jiān)測包括監(jiān)測通信數(shù)據(jù)和握手信號。在ATP與RBC建立起物理連接前，MT處于指令工作狀態(tài)。ATP的GCD模塊通過AT指令查詢MT狀態(tài)，向MT發(fā)出命令，MT則返回相應狀態(tài)和執(zhí)行相關(guān)操作。常用的AT指令包括查詢MT注冊狀態(tài)、查詢無線信號質(zhì)量、設置MT狀態(tài)和撥號等。這些指令都是ASCII碼，可以直接采集并解析。在GCD向MT發(fā)出撥號指令成功后，ATP與RBC建立起物理連接，MT轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)工作狀態(tài)，MT將GCD要求發(fā)送給RBC的任何數(shù)據(jù)通過空中接口發(fā)到GSM-R網(wǎng)絡，再由GSM-R網(wǎng)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給RBC。根據(jù)ATP與RBC的通信協(xié)議，從串口直接監(jiān)測到的底層通信數(shù)據(jù)滿足HDLC協(xié)議的幀。

2.3 ATP Igsm-r接口監(jiān)測數(shù)據(jù)解析

ATP與RBC的通信網(wǎng)絡采用分層結(jié)構(gòu)。從上到下包括應用層、安全層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層和物理層。下一層都在上一層數(shù)據(jù)的基礎上加上數(shù)據(jù)包頭（和包尾）。具體數(shù)據(jù)封裝如圖2所示?？梢詤⒖肌禖TCS-3級列控系統(tǒng)無線報文定義及運用原則》、Subset-037協(xié)議和ISO/IEC 13239 Highlevel data link control (HDLC)協(xié)議。根據(jù)這些協(xié)議，便可以將監(jiān)測到的HDLC數(shù)據(jù)幀，除了在本層做包類型、關(guān)鍵域的解析外，還能通過去掉包頭（包尾），得到上一層數(shù)據(jù)，再在上一層數(shù)據(jù)基礎上做解析，并繼續(xù)向上還原，直至最后得到RBC與ATP交互的應用層數(shù)據(jù)，從而完整監(jiān)測RBC與ATP的各層數(shù)據(jù)交換。

2.3.1 鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，B/Bm-通道提供功能的和程序的方式來建立、維持和釋放連接并傳輸數(shù)據(jù)，它將檢測和糾正發(fā)生在物理層的數(shù)據(jù)傳輸錯誤。ATP與RBC通信采用的是滿足HDLC協(xié)議的鏈路層幀。

HDLC幀分為3類：I幀、S幀、U幀。

其中：

I幀：信息幀，用來傳輸普通數(shù)據(jù)，也可以用來執(zhí)行確認I幀；

S幀：管理幀，用來管理數(shù)據(jù)鏈路，例如確認I幀、請求重傳I幀、請求臨時暫停I幀、問詢、錯誤恢復等功能。

U幀：無編號幀，用來傳輸高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，并提供附加的數(shù)據(jù)鏈路控制功能。

2.3.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層比較簡單，是在TPDU的基礎上加上2個字節(jié)的包頭。第一字節(jié)表示除本字節(jié)外，頭部的長度。即1 byte。第二個字節(jié)置為1時，表示后面將有更多的數(shù)據(jù)，因此，對屬于同一個TPDU的NPDU，最后一個M值為0，其他為1。

2.3.3 傳輸層

傳輸層負責完整的安全層報文在ATP與RBC之間傳送。傳輸層只有當網(wǎng)絡連接存在時才建立一個傳輸連接。傳輸層在安全層的基礎上根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同添加一個5到13 byte的包頭。傳輸層PDU主要包括如下類型：CR TPDU連接請求、CC TPDU連接確認、DR TPDU釋放請求、DC TPDU釋放確認、DT TPDU數(shù)據(jù)傳輸、AK TPDU數(shù)據(jù)確認、ER TPDU錯誤報告。

2.3.4 安全層

ATP與RBC之間通過GSM-R網(wǎng)絡通信，而GSM-R是個開放網(wǎng)絡。而ATP與RBC涉及的安全等級非常高，故需要在ATP與RBC的通信網(wǎng)絡中增加安全層。安全層提供安全相關(guān)的傳輸系統(tǒng)功能。主要包括信源鑒定、同等實體鑒定、消息的非法插入、刪除、更改檢查、數(shù)據(jù)完整性檢查和數(shù)據(jù)時效性檢查等。

安全層在應用層數(shù)據(jù)的基礎上增加包頭、消息鑒定代碼（MAC）校驗。包頭為一個字節(jié)，該字節(jié)用于區(qū)分安全PDU類型和方向。安全層PDU主要類型如表1所示。

表1 安全層PDU類型表

MAC是隨消息一同發(fā)送的認證者，保證接收器能夠探測到消息離開發(fā)送機后所發(fā)生的改動，并保證信源的無誤。MAC校驗為8 byte。

2.3.5 應用層

ATP與RBC應用層之間交換的數(shù)據(jù)就是CTCS-3級列控系統(tǒng)無線消息。其中車到地無線消息包括列車位置報告、通信會話開始等。地到車的無線消息包括行車許可、通常消息等。所有這些無線消息都由消息頭、預先確定的變量、預先確定的必選信息包、可選信息包和一些填充比特組成，滿足一定的格式?？梢愿鶕?jù)《CTCS-3級列控系統(tǒng)無線報文定義及運用原則》進行解析。以一個簡單的例子來說：消息包136，即列車位置報告消息包。該消息包含消息標識號、消息長度、車載設備時鐘、車載設備的CTCS標識號等變量。此外還包括信息包0，即位置報告包。位置報告包同樣包括信息包標識碼、信息包位數(shù)、最近相關(guān)應答器組（LRBG）的標識號、最近相關(guān)應答器組與列車估計前端之間的距離、車載設備操作模式等變量。每個變量都有特定的含義、位長。據(jù)此，就能夠解析出一個消息包的全部變量的具體值，從而達到解析應用層消息的目的。

3 RBC PRI接口監(jiān)測

3.1 RBC PRI接口介紹

PRI接口是指CTCS-3級列控系統(tǒng)的地面設備RBC與GSM-R網(wǎng)絡MSC間的基群速率接口，是以E1為物理通道傳輸?shù)臉I(yè)務，也叫30B+D。E1是一個2 M（2048kbit）的物理通道。它有32時隙，0時隙用于同步，16時隙一般作為D信道來傳輸信令，其他用作B信道來傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 RBC PRI接口監(jiān)測方法

PRI接口監(jiān)測的基本方法：將從GSM-R網(wǎng)絡過來的一收一發(fā)兩條同軸電纜經(jīng)阻抗變換后接入三通高阻隔離器。隔離器將一路網(wǎng)絡輸出繼續(xù)送到ISDN服務器，將另一路輸出送到專門的PRI接口采集設備。這樣就能監(jiān)測到PRI接口的信號了。

3.3 RBC PRI接口監(jiān)測數(shù)據(jù)解析

從RBC PRI接口監(jiān)測到的HDLC數(shù)據(jù)幀和從ATP Igsm-r接口監(jiān)測到的數(shù)據(jù)幀是一樣的。因此，除了物理層外，各層的數(shù)據(jù)解析也是一樣的。

4 安全以太網(wǎng)接口監(jiān)測

4.1 安全以太網(wǎng)接口介紹

RBC與聯(lián)鎖、TSR 3個安全設備通過交換機連接成安全以太網(wǎng)進行通信。RBC和TSR之間的安全通信體系結(jié)構(gòu)與RBC和聯(lián)鎖之間的是一樣的。以RBC與聯(lián)鎖的通信為例進行說明。RBC與聯(lián)鎖的安全通信體系結(jié)構(gòu)采用分層模型，如圖3所示。

從圖3可以看出，RBC與聯(lián)鎖的安全通信體系結(jié)構(gòu)的分層包括：應用層、安全層和通信層。其中，應用層之間交換RBC與聯(lián)鎖的應用信息包，包括RBC發(fā)給聯(lián)鎖的列車信息消息和聯(lián)鎖發(fā)給RBC的信號授權(quán)消息。安全層提供安全相關(guān)的功能，主要包括信源鑒定，同等實體鑒定，消息的非法插入、刪除、更改檢查，數(shù)據(jù)完整性檢查，數(shù)據(jù)時效性檢查等。安全層又分為安全應用中間子層（SAI層）和消息檢查安全子層。SAI層主要負責數(shù)據(jù)的時效性（消息的先后順序、消息的延遲、消息的刪除、消息的重復）檢查。消息檢查安全子層則主要負責信源鑒定、消息本身的完整檢查等。通信層負責完整的安全層報文在RBC與聯(lián)鎖系統(tǒng)之間傳送。通信層又分為ALE子層和傳輸子層。ALE層負責安全層和傳輸層的適配，重組嵌入在TCP層連續(xù)字節(jié)流里面的信息包。傳輸層則利用TCP/IP協(xié)議進行具體數(shù)據(jù)包傳送。

4.2 基本監(jiān)測原理

交換機的端口鏡像功能可以讓用戶將交換機一個或多個端口的所有數(shù)據(jù)流都復制到某一個鏡像端口。這樣，通過在交換機中設置端口映射，可以將每個RBC與聯(lián)鎖、TSR的通信數(shù)據(jù)都映射到交換機的某一端口，然后將監(jiān)測系統(tǒng)的交換機的一個端口與該端口用網(wǎng)線直接連接。這樣便可以把每個RBC與聯(lián)鎖、TSR的數(shù)據(jù)交換都在監(jiān)測系統(tǒng)的交換機上復制一份副本。在此基礎上，繼續(xù)在監(jiān)測系統(tǒng)的交換機上做二級端口映射。將所有RBC與聯(lián)鎖、TSR數(shù)據(jù)交換副本的端口再映射到一個端口上。這樣監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集服務器通過網(wǎng)卡與該端口相連，便可以監(jiān)測到所有RBC與聯(lián)鎖、TSR的全部數(shù)據(jù)通信。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)解析

通過端口映射直接獲取的RBC與聯(lián)鎖、TSR的接口數(shù)據(jù)是IP包。IP包的包頭有該包的IP源地址和目的地址。通過這兩個地址，可以識別出該IP包是哪個RBC和哪個聯(lián)鎖或TSR系統(tǒng)之間的傳輸?shù)腎P包，并判斷傳輸方向。通過去除IP包頭部，就得到了TCP包。TCP包的包頭有該包的原端口地址和目的端口地址。再去除TCP包頭，就得到了ALE層數(shù)據(jù)包。ALE層數(shù)據(jù)包的包頭是固定的。根據(jù)ALE層數(shù)據(jù)包的包頭結(jié)構(gòu)和各數(shù)據(jù)域定義，就可以很容易地解析出ALE層數(shù)據(jù)包。

ALE層去除包頭后，將得到消息檢查安全子層數(shù)據(jù)包。消息檢查安全子層在SAI層的基礎上增加包頭、MAC校驗。包頭用于區(qū)分安全PDU類型和方向。

消息檢查安全子層去除包頭和MAC校驗后，將得到SAI層數(shù)據(jù)包。SAI層數(shù)據(jù)包包頭的格式根據(jù)SAI層數(shù)據(jù)包類型的不同分為兩種格式。其中一種格式是使用時間戳。另一種格式是用循環(huán)計數(shù)器。根據(jù)SAI層數(shù)據(jù)包包頭的結(jié)構(gòu)，就可以方便地解析出SAI層數(shù)據(jù)包。

SAI層去除包頭后，就得到了RBC與聯(lián)鎖、TSR的應用層數(shù)據(jù)包。

RBC與聯(lián)鎖應用層數(shù)據(jù)包括列車狀態(tài)信息、信號授權(quán)信息和緊急區(qū)域信息。每種信息均有固定的格式，可根據(jù)《RBC-聯(lián)鎖應用層接口規(guī)范》進行解析。

RBC與TSR之間的應用信息包包括TSR執(zhí)行命令、綜合刷新請求、TSR綜合狀態(tài)等，可以根據(jù)《RBC-TSR應用層接口規(guī)范》進行解析。

5 結(jié)束語

本文介紹了CTCS-3級列控系統(tǒng)各設備主要接口的監(jiān)測原理和方法，按照本文構(gòu)造的CTCS-3級列控系統(tǒng)接口監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成，在CTCS-3實驗室和武廣客運專線列車運行控制實驗中都得到了實際應用。監(jiān)測系統(tǒng)能完整無誤地采集到各接口的底層數(shù)據(jù)，并逐層解析，能讓用戶了解CTCS-3級列控系統(tǒng)各接口每一層當前的工作狀態(tài)，為定位列控系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸和安全數(shù)據(jù)通信方面出現(xiàn)的故障和問題的原因發(fā)揮了重要作用。

[1] CTCS-3級列控系統(tǒng)與GSM-R網(wǎng)絡接口規(guī)范（V1.0）[S].

[2] Subset-037 Euroradion FIS (V2.3.0) [S].

[3] ISO/IEC 13239 High-level data link control (HDLC) procedures [S].

[4] [1000002139-BA] GSM-Railway Mobile Termination MT2 User Manual[S].

[5] CTCS-3級列控系統(tǒng)無線報文定義及運用原則（武廣客運專線）（V0.84）[S].

[6] TSRS-CTC接口規(guī)范 報批稿[S].

[7] RBC-聯(lián)鎖應用層接口規(guī)范[S].