展 鑫，孫 穎

（1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京中關(guān)村軌道交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100070）

根據(jù)EN 50159標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全相關(guān)系統(tǒng)參考模型的描述，列控系統(tǒng)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)是一種基于開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)的安全通信系統(tǒng)。目前車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信協(xié)議主要采用基于鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications-Railway，GSM-R）網(wǎng)絡(luò)的電路交換方式，歐標(biāo)Subset-037協(xié)議V3.2.0版本發(fā)布后，增加了GSM-R分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)。在下一代鐵路列控系統(tǒng)中，車(chē)-地通信數(shù)據(jù)較之前更為豐富多樣，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃砸蟾?，延時(shí)要求更低，5G-R（5G for Railways）將替代現(xiàn)有的GSM-R作為車(chē)-地通信系統(tǒng)。為驗(yàn)證車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信接口間傳輸信息的正確性和一致性，確保無(wú)線(xiàn)通信的安全可靠，本文針對(duì)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)協(xié)議內(nèi)容和測(cè)試方法展開(kāi)研究，提出一種車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信協(xié)議測(cè)試方法，并采用該方法對(duì)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)協(xié)議進(jìn)行測(cè)試。

1 車(chē)-地通信系統(tǒng)

高速鐵路通信系統(tǒng)根據(jù)高速鐵路運(yùn)輸和信息化的需求設(shè)置，在物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層提供綜合業(yè)務(wù)的接入、交換和傳輸服務(wù)。高速鐵路的通信系統(tǒng)是鐵路通信網(wǎng)的一部分，與既有鐵路通信網(wǎng)互聯(lián)互通。

GSM-R是在GSM公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)平臺(tái)上增加鐵路運(yùn)輸專(zhuān)用調(diào)度通信功能，專(zhuān)門(mén)為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專(zhuān)用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。

目前高速鐵路車(chē)-地通信系統(tǒng)就是基于GSM-R的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)，通過(guò)GSM-R無(wú)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)車(chē)-地之間的連續(xù)、雙向信息傳輸，實(shí)現(xiàn)基于無(wú)線(xiàn)通信的列車(chē)運(yùn)行控制。

2 車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信協(xié)議

歐標(biāo)Subset-037協(xié)議約束車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)，將車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)劃分為安全相關(guān)的安全功能模塊(Safe Functional Module，SFM)和非安全相關(guān)的通信功能模塊(Communication Functional Module，CFM)兩部分。車(chē)-地?zé)o線(xiàn)安全通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車(chē)-地?zé)o線(xiàn)安全通信協(xié)議分層結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical structure of secure track-train radio communication protocol

2.1 SFM協(xié)議棧

SFM協(xié)議棧提供安全服務(wù)，確保進(jìn)/出安全功能模塊的數(shù)據(jù)流傳輸完整性和數(shù)據(jù)真實(shí)性，報(bào)告安全層中發(fā)生的錯(cuò)誤并從下層傳輸錯(cuò)誤指示。在SFM協(xié)議棧中，安全實(shí)體與對(duì)等安全服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)安全服務(wù)原語(yǔ)(SaSAP)與其用戶(hù)進(jìn)行通信。對(duì)等安全實(shí)體支持通過(guò)安全協(xié)議數(shù)據(jù)單元(SaPDU)進(jìn)行安全連接交換。這些協(xié)議交換使用傳輸層的服務(wù)(TS)，通過(guò)一個(gè)傳輸服務(wù)接入點(diǎn)(TSAP)進(jìn)行連接，即安全實(shí)體扮演用戶(hù)的角色，SaPDU的交換為邏輯視圖。正常服務(wù)原語(yǔ)傳輸正常數(shù)據(jù)，HP原語(yǔ)傳輸HP數(shù)據(jù)。SFM協(xié)議棧主要實(shí)現(xiàn)車(chē)-地建立安全連接期間的安全數(shù)據(jù)傳輸，保證車(chē)-地交互數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性。

2.2 CFM協(xié)議棧

CFM協(xié)議棧提供通信服務(wù)，目前主要基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的電路交換或基于GSM-R分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)來(lái)承載通信業(yè)務(wù)。

CFM協(xié)議棧的核心功能層包含傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層及物理適配層。傳輸層承載CFM數(shù)據(jù)傳輸，將應(yīng)用數(shù)據(jù)拆包/組包，通過(guò)優(yōu)先級(jí)功能、尋址功能、數(shù)據(jù)的分割重組功能，以及基于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的多路復(fù)用功能等，實(shí)現(xiàn)傳輸連接的建立。網(wǎng)絡(luò)層主要是對(duì)來(lái)自上層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，并對(duì)來(lái)自下層的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。網(wǎng)絡(luò)層支持上層在同一網(wǎng)絡(luò)層上的多路復(fù)用，從而實(shí)現(xiàn)D信道和B信道的協(xié)調(diào)以及對(duì)傳輸層信息包TPDU的拆包組包處理。數(shù)據(jù)鏈路層遵循HDLC標(biāo)準(zhǔn)，可通過(guò)分幀發(fā)送實(shí)現(xiàn)包括對(duì)等雙方數(shù)據(jù)鏈路連接的建立、維護(hù)、釋放，具備數(shù)據(jù)傳輸、鏈路重置、鏈路連接重傳、查詢(xún)、CRC校驗(yàn)等功能。CFM協(xié)議棧的物理適配層根據(jù)底層掛載設(shè)備不同，分為車(chē)載和地面兩種物理層控制模塊。在車(chē)載側(cè)，CFM通過(guò)ModemHandler與MT進(jìn)行通信交互。在地面RBC側(cè)，CFM通過(guò)Capi接口與ISDN網(wǎng)卡進(jìn)行通信交互。

在CFM協(xié)議棧中，如果一個(gè)CFM用戶(hù)實(shí)體(例如車(chē)載ATP安全層實(shí)體)想要建立一個(gè)與其他CFM用戶(hù)實(shí)體的連接，則應(yīng)提供尋址被呼叫的CFM用戶(hù)(例如ETCS_ID類(lèi)型和ETCS_ID)和應(yīng)用類(lèi)型的信息，地址信息將被映射為CFM建立連接所要求的格式和結(jié)構(gòu)。主叫TS用戶(hù)實(shí)體從應(yīng)用層獲得被叫傳輸?shù)刂?ETCS_ID類(lèi)型和ETCS_ID)。地址信息由安全層傳至CFM。CFM協(xié)議棧地址信息映射如圖2所示。

圖2 CFM協(xié)議棧地址信息映射Fig.2 Mapping of address information of CFM protocol stack

3 車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信協(xié)議測(cè)試方法

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信SFM協(xié)議棧和CFM協(xié)議棧的測(cè)試，首先針對(duì)協(xié)議棧特征，假設(shè)對(duì)包含n個(gè)對(duì)等層的待測(cè)協(xié)議棧A進(jìn)行測(cè)試。具體方法是利用待測(cè)協(xié)議棧A的拷貝或仿真建立與待測(cè)協(xié)議棧A通信的仿真協(xié)議棧B，利用仿真協(xié)議棧B與待測(cè)協(xié)議棧A進(jìn)行對(duì)等層數(shù)據(jù)交互，測(cè)試相同對(duì)等層邏輯是否正確，從而實(shí)現(xiàn)完整測(cè)試。此外，未測(cè)試待測(cè)協(xié)議棧A各層對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)的處理邏輯，還需要考慮從待測(cè)協(xié)議棧A最高對(duì)等層的數(shù)據(jù)注入，協(xié)議棧測(cè)試原理如圖3所示。

圖3 協(xié)議棧測(cè)試原理Fig.3 Testing principles of protocol stack

上述為理想情況，而車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信SFM協(xié)議棧和CFM協(xié)議棧是依托于具體設(shè)備運(yùn)行的，實(shí)際測(cè)試過(guò)程可能需要從設(shè)備提供的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的注入。以車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)中的車(chē)載側(cè)為例，SFM協(xié)議棧依托于車(chē)載ATP主控板，CFM協(xié)議棧依托于RCC板，電臺(tái)MT通過(guò)無(wú)線(xiàn)接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)與地面設(shè)備通信。主控板、RCC板通過(guò)機(jī)籠的SBP總線(xiàn)通信，RCC和電臺(tái)MT通過(guò)IGSM-R定義的接口通信。RCC根據(jù)IGSM-R接口協(xié)議與電臺(tái)通信。因此需要引入該接口對(duì)應(yīng)的協(xié)議棧C以及協(xié)議棧C的仿真協(xié)議棧D來(lái)輔助數(shù)據(jù)注入。作為仿真協(xié)議棧B和D，支持拆解至用戶(hù)關(guān)注的對(duì)等層來(lái)與待測(cè)協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，該過(guò)程示意如圖4所示。

圖4 多協(xié)議棧測(cè)試原理Fig.4 Testing principle of multiple protocol stacks

根據(jù)以上分析，以測(cè)試過(guò)程中RCC板的CFM協(xié)議棧為待測(cè)協(xié)議棧A，主控板SFM協(xié)議棧為其相關(guān)協(xié)議棧C，則對(duì)待測(cè)協(xié)議棧A、相關(guān)協(xié)議棧C設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的仿真協(xié)議棧B和D，車(chē)載RCC板CFM協(xié)議棧測(cè)試原理如圖5所示。由于CFM協(xié)議棧有基于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的電路域CS和基于GSM-R分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)的分組域PS兩種工作模式，對(duì)應(yīng)的物理層AT指令有所區(qū)別。另外，在PS模式下在傳輸層（TCP/IP）之上引入冗余適配層（ALE）進(jìn)行與安全層功能及接口間的適配，實(shí)現(xiàn)安全層使用X.214規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)原語(yǔ)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)模擬的ISO傳輸服務(wù)，并負(fù)責(zé)TCP連接建立、通道監(jiān)控及安全信息包與TCP流轉(zhuǎn)換等功能。

圖5 車(chē)載RCC板CFM協(xié)議棧測(cè)試原理Fig.5 Testing principles of CFM protocol stack of onboard RCC board

主控板側(cè)仿真最高對(duì)等層為傳輸層（TCP），該層輸入數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)為Subset 037規(guī)定的T原語(yǔ)數(shù)據(jù)，主控板側(cè)仿真透?jìng)髟摂?shù)據(jù)。電臺(tái)側(cè)仿真最高對(duì)等層為物理層，該層輸入數(shù)據(jù)和反饋數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)，電臺(tái)側(cè)仿真根據(jù)AT指令控制與RCC建立連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4 車(chē)地設(shè)備無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議測(cè)試實(shí)現(xiàn)

4.1 測(cè)試環(huán)境

為了模擬車(chē)載CFM協(xié)議棧主控板向待測(cè)RCC注入數(shù)據(jù)，接收校驗(yàn)RCC反饋至主控板的數(shù)據(jù)，搭建的測(cè)試環(huán)境是將主控板側(cè)仿真作為服務(wù)端，待測(cè)設(shè)備作為客戶(hù)端。待測(cè)設(shè)備啟動(dòng)后，與測(cè)試環(huán)境主控板側(cè)仿真建立連接，主控板側(cè)仿真根據(jù)腳本模擬主控板側(cè)與RCC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同樣，為了模擬雙電臺(tái)向待測(cè)RCC注入數(shù)據(jù)，接收校驗(yàn)RCC反饋至電臺(tái)的數(shù)據(jù)，測(cè)試環(huán)境通過(guò)兩路RS-422串口與待測(cè)設(shè)備RCC接口板連接，可與待測(cè)RCC交互AT指令、電路域數(shù)據(jù)、分組域數(shù)據(jù)。車(chē)載CFM協(xié)議棧測(cè)試環(huán)境及其連接示意如圖6所示。

圖6 車(chē)載CFM協(xié)議棧測(cè)試環(huán)境連接示意Fig.6 Connections of test environment of CFM protocol stack of onboard equipment

4.2 測(cè)試過(guò)程

對(duì)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信協(xié)議棧功能進(jìn)行驗(yàn)證的測(cè)試屬于黑盒測(cè)試，測(cè)試過(guò)程包括測(cè)試用例的設(shè)計(jì)、測(cè)試腳本的設(shè)計(jì)、測(cè)試執(zhí)行與結(jié)果驗(yàn)證等步驟。測(cè)試簡(jiǎn)要過(guò)程如圖7所示。

圖7 測(cè)試過(guò)程示意Fig.7 Test process

黑盒測(cè)試常用等價(jià)類(lèi)劃分法、邊界值分析法、錯(cuò)誤推測(cè)法、因果圖法等基本方法來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)試用例。以車(chē)載CFM協(xié)議棧為例，測(cè)試用例設(shè)計(jì)內(nèi)容包含主控板側(cè)仿真最高對(duì)等層傳輸層(TCP)和雙電臺(tái)側(cè)仿真AT指令數(shù)據(jù)內(nèi)容。

測(cè)試腳本通常由“任務(wù)”和“狀態(tài)”組成。任務(wù)是一組有序狀態(tài)的集合，一個(gè)腳本可以包含多個(gè)任務(wù)。狀態(tài)是控制測(cè)試邏輯的基本單元，通過(guò)不同狀態(tài)之間的有條件跳轉(zhuǎn)控制與待測(cè)設(shè)備的信息交互流程。狀態(tài)由動(dòng)作和遷移構(gòu)成，其中動(dòng)作表示當(dāng)前狀態(tài)需要進(jìn)行的操作，遷移表示跳轉(zhuǎn)至目標(biāo)狀態(tài)所需的條件。

測(cè)試腳本將細(xì)化測(cè)試用例轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)的編號(hào)、本數(shù)據(jù)發(fā)送或被接收到的時(shí)間、數(shù)據(jù)所在協(xié)議棧層次、協(xié)議數(shù)據(jù)單元的類(lèi)型、具體數(shù)據(jù)單元的子類(lèi)型、數(shù)據(jù)傳輸方向和本消息對(duì)應(yīng)的電臺(tái)名稱(chēng)等，同時(shí)增加校驗(yàn)標(biāo)記，在該字段取值為check時(shí)，即該行數(shù)據(jù)的下一信息幀在收到該行數(shù)據(jù)后才會(huì)發(fā)送。另外測(cè)試腳本應(yīng)能實(shí)現(xiàn)時(shí)間調(diào)整，表示當(dāng)前行數(shù)據(jù)發(fā)送后處理下一行數(shù)據(jù)的延時(shí)。

主控板側(cè)腳本框架主要關(guān)注案例中協(xié)議數(shù)據(jù)單元類(lèi)型字段為“Safety”的數(shù)據(jù)行，根據(jù)此數(shù)據(jù)生成腳本的任務(wù)組、任務(wù)、狀態(tài)、動(dòng)作、遷移元素以及相關(guān)屬性取值。電臺(tái)側(cè)腳本框架主要關(guān)注案例中協(xié)議數(shù)據(jù)單元類(lèi)型字段為“DL”的數(shù)據(jù)行，根據(jù)此數(shù)據(jù)生成腳本的任務(wù)組、任務(wù)、狀態(tài)、動(dòng)作、遷移元素以及相關(guān)屬性取值。

當(dāng)主控板側(cè)和電臺(tái)側(cè)腳本編制完成后，依賴(lài)協(xié)議棧仿真執(zhí)行測(cè)試腳本，根據(jù)生成的測(cè)試日志及記錄判定測(cè)試結(jié)果。

4.3 測(cè)試實(shí)例

以查詢(xún)?cè)试S網(wǎng)絡(luò)功能為實(shí)例：CFM協(xié)議棧在處理允許網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)結(jié)果時(shí)，查詢(xún)到2個(gè)允許網(wǎng)絡(luò)，僅上報(bào)本次查詢(xún)到的2個(gè)允許網(wǎng)絡(luò)。

ATP主控板側(cè)模擬發(fā)送查詢(xún)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求,驗(yàn)證車(chē)載RCC板CFM協(xié)議棧發(fā)送查詢(xún)?cè)试S網(wǎng)絡(luò)“AT＋COPS＝？”的指令。主控板側(cè)腳本編制實(shí)例如圖8所示。

圖8 主控板側(cè)腳本Fig.8 Script at the main control board side

MT模擬回復(fù)AT指令“+COPS”，驗(yàn)證車(chē)載RCC板上報(bào)2個(gè)允許網(wǎng)絡(luò)RAILWAY-CMCC-46020;RAILWAY UNICOM-UNICOM2-46001。MT側(cè)腳本編制實(shí)例如圖9所示。

圖9 電臺(tái)側(cè)腳本Fig.9 Script at the radio side

測(cè)試執(zhí)行后，查看測(cè)試日志和報(bào)告，結(jié)果如圖10所示。CFM協(xié)議棧在處理允許網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)結(jié)果時(shí)查詢(xún)到2個(gè)允許網(wǎng)絡(luò)，僅上報(bào)本次查詢(xún)到的2個(gè)允許網(wǎng)絡(luò)46020和46001，與預(yù)期一致，測(cè)試通過(guò)。

圖10 測(cè)試結(jié)果輸出Fig.10 Output of test results

由此可見(jiàn)，通過(guò)上述方案進(jìn)行測(cè)試環(huán)境構(gòu)建、測(cè)試案例及腳本編制以及測(cè)試執(zhí)行，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SFM協(xié)議棧和CFM協(xié)議棧各層級(jí)之間數(shù)據(jù)注入。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路域或分組域兩種工作模式的測(cè)試，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信協(xié)議的驗(yàn)證。

5 結(jié)論與展望

本文闡述了車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)協(xié)議的內(nèi)容，對(duì)車(chē)載CFM協(xié)議棧測(cè)試原理及簡(jiǎn)要的測(cè)試過(guò)程進(jìn)行論證，已應(yīng)用于歐洲5國(guó)的ETCS-400T車(chē)載CFM協(xié)議棧的測(cè)試實(shí)踐中，對(duì)后續(xù)車(chē)-地?zé)o線(xiàn)通信系統(tǒng)協(xié)議測(cè)試具有指導(dǎo)意義。該測(cè)試方法和過(guò)程也同樣適用于地面RBC側(cè)CFM協(xié)議棧，即針對(duì)ISDN服務(wù)器的車(chē)-地通信交互。對(duì)未來(lái)的5G-R車(chē)-地通信系統(tǒng)，本文未進(jìn)行討論，這部分內(nèi)容將作為日后進(jìn)一步的研究方向，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷積累和完善。