趙曉東

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073)

CBI與RBC接口規(guī)范中的特殊點(diǎn)解析

趙曉東

(北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100073)

針對(duì)CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備與無(wú)線閉塞中心設(shè)備在接口適配過(guò)程中，針對(duì)接口規(guī)范中幾項(xiàng)具有代表性的問(wèn)題進(jìn)行探討分析，給出相應(yīng)的解析說(shuō)明。

接口規(guī)范；計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖；無(wú)線閉塞中心

1 研究背景

在從CTCS-2(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C2)級(jí)列控系統(tǒng)邁入CTCS-3(以下簡(jiǎn)稱(chēng)C3)級(jí)列控系統(tǒng)時(shí),增加了一種全新的設(shè)備——無(wú)線閉塞中心(RBC), RBC用于實(shí)時(shí)計(jì)算列車(chē)移動(dòng)授權(quán)并通過(guò)無(wú)線指揮行車(chē),其所需基礎(chǔ)線路信號(hào)授權(quán)信息來(lái)自于核心地面信號(hào)控制設(shè)備——計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖(CBI),因此CBIRBC這兩套設(shè)備間接口在C3級(jí)列控系統(tǒng)中起著極其重要的作用。鐵道部為此發(fā)布了兩部暫行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范:《CBI-RBC接口規(guī)范(V1.0)》和《RSSP-II鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議(V1.0)》,這兩部規(guī)范分別從CBI-RBC接口的應(yīng)用協(xié)議和安全協(xié)議兩個(gè)角度制定,本文結(jié)合CBI-RBC接口適配過(guò)程中規(guī)范應(yīng)用方面的部分問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 規(guī)范中的部分特殊點(diǎn)解析

1) 通用應(yīng)用層

由于RBC的制式不同,《CBI-RBC接口規(guī)范(V1.0)》中應(yīng)用協(xié)議規(guī)范實(shí)際為兩個(gè)協(xié)議,目前,應(yīng)用協(xié)議一在國(guó)內(nèi)客運(yùn)專(zhuān)線中使用較多,如武廣、京滬、滬寧、滬杭、哈大等高鐵線路均使用此協(xié)議,應(yīng)用協(xié)議二在鄭西、廣深港高鐵線路中使用。從協(xié)議內(nèi)容層面上看,應(yīng)用協(xié)議一與應(yīng)用協(xié)議二看似差別很大,但實(shí)際僅僅是對(duì)線路信息描述方式與格式不同,其所傳達(dá)的本質(zhì)信息是相同的。應(yīng)用協(xié)議一與協(xié)議二相比,其最大的差別是多出一個(gè)協(xié)議層,稱(chēng)為通用應(yīng)用層(GAL層)。GAL層需要將對(duì)象數(shù)據(jù)包(OP)按一定長(zhǎng)度限制分為若干條消息(Message),然后將同一執(zhí)行周期生成的所有消息合成一個(gè)消息組(Batch),如圖1所示。

圖1 GAL層分包示意圖

通用應(yīng)用層在規(guī)范中是明確提出的,但是很多人不理解為什么要在應(yīng)用層之上增加一個(gè)GAL層,也不清楚在具體工程實(shí)施中如何將應(yīng)用層數(shù)據(jù)限制為不超過(guò)480 Byte。

因此有必要在此解釋說(shuō)明一下,由于CBIRBC通信是建立在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上的安全協(xié)議,因此它需要受TCP/IP協(xié)議的制約,IP鏈路層具有最大傳輸單元MTU的限制特性,它限制了數(shù)據(jù)幀的最大長(zhǎng)度,不同的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型都有一個(gè)上限值,局域網(wǎng)的MTU最大限制為1 500 Byte。如果IP層數(shù)據(jù)包傳送的請(qǐng)求長(zhǎng)度超過(guò)了MTU上限,那么IP層就要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片(fragmentation)操作,使每一片的長(zhǎng)度都小于或等于MTU。假設(shè)要傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包,一般IP首部為20 Byte,TCP首部為20 Byte,數(shù)據(jù)的凈荷(payload)部分預(yù)留是1 500-40=1 460 Byte。當(dāng)用戶(hù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于1 460 Byte,IP協(xié)議就會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)分片行為。

針對(duì)這一特點(diǎn)可知,當(dāng)傳輸?shù)挠脩?hù)數(shù)據(jù)太長(zhǎng)時(shí)必然被分割成若干片傳送,接收端則需要將所有片聚齊以后才可以接收解析。一旦傳輸過(guò)程中某一分片出現(xiàn)錯(cuò)誤或丟失,則依照TCP/IP協(xié)議,整個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元必須全部重傳,這樣一來(lái)存在兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn):一是大量數(shù)據(jù)重傳可能會(huì)加重網(wǎng)絡(luò)擁堵幾率,另一方面會(huì)加大信息延時(shí)。鐵路信號(hào)控制領(lǐng)域信息的時(shí)效性是很重要的一項(xiàng)指標(biāo),也就是說(shuō),即使重傳成功,數(shù)據(jù)可能已經(jīng)過(guò)時(shí)失效了?？傊?基于TCP/IP構(gòu)建安全通信協(xié)議的要求是避免TCP/IP協(xié)議帶來(lái)的影響,數(shù)據(jù)拆分合并的功能應(yīng)該由應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn),而不要被底層進(jìn)行過(guò)度干預(yù),從而達(dá)到安全可控。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),我們需要為應(yīng)用層預(yù)留出充足的安全層附加信息余量后,限制用戶(hù)數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度,其原理實(shí)質(zhì)是依靠人為的應(yīng)用層分包來(lái)避免IP底層分包動(dòng)作,這樣做的好處就是即使傳輸過(guò)程中丟了一小包,則TCP/IP協(xié)議處理只會(huì)重傳這一小包的內(nèi)容,不至于重傳分組后的其他子包。所以當(dāng)用戶(hù)數(shù)據(jù)超過(guò)此限制時(shí),必須在應(yīng)用層用戶(hù)數(shù)據(jù)交付安全層處理之前預(yù)處理分包,這就需要加入一個(gè)中間子層——GAL層。

按照《RSSP-II鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議(V1.0)》安全協(xié)議來(lái)說(shuō),各協(xié)議層幀頭(包括幀尾)附加長(zhǎng)度為56 Byte,即應(yīng)用層的長(zhǎng)度為不大于1 460-56=1 404 Byte即不會(huì)引起IP分片, 但《RSSP-II鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議(V1.0)》安全協(xié)議規(guī)范為了擴(kuò)展預(yù)留了足夠的幀頭幀尾附加域尺寸,規(guī)定了應(yīng)用數(shù)據(jù)包最長(zhǎng)不超過(guò)1 000 Byte。

在實(shí)際工程使用中,考慮到RBC可能連接無(wú)線廣域網(wǎng),其鏈路MTU最大限制為576 Byte,去掉TCP/IP首部后為536 Byte,因此在使用《RSSP-II鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議(V1.0)》安全協(xié)議去掉各協(xié)議層幀頭(包括幀尾)附加長(zhǎng)度56字節(jié)后,應(yīng)用數(shù)據(jù)最大長(zhǎng)度限制為480 Byte。CBIRBC接口雖不屬于無(wú)線廣域網(wǎng)鏈路,但為了軟件處理一致性,因此應(yīng)用層提交安全層處理之前,統(tǒng)一規(guī)定每包數(shù)據(jù)不超過(guò)480 Byte。

2) “進(jìn)路狀態(tài)”與“降級(jí)狀態(tài)”

接口開(kāi)發(fā)之初,在信號(hào)授權(quán)信息(SA信息)幀中,其中有兩項(xiàng)概念內(nèi)容不容易區(qū)分,即“進(jìn)路狀態(tài)RouteStatus”與“降級(jí)狀態(tài)DegradedStatus”,其中“進(jìn)路狀態(tài)”取值有“降級(jí)”狀態(tài)一項(xiàng),而同時(shí)規(guī)范中說(shuō)明,當(dāng)“進(jìn)路狀態(tài)”為“降級(jí)”狀態(tài)時(shí),將“降級(jí)狀態(tài)”也置為“設(shè)置降級(jí)”,否則為無(wú)降級(jí)。

這個(gè)表述方法給人的直觀感覺(jué)就是“降級(jí)狀態(tài)”中的設(shè)置降級(jí)完全取決于“進(jìn)路狀態(tài)”,也就是說(shuō)“降級(jí)狀態(tài)”看不出任何意義,“進(jìn)路狀態(tài)”已經(jīng)完全涵蓋了它的信息。這樣理解是沒(méi)有錯(cuò)誤的。但問(wèn)題就在于既然“降級(jí)狀態(tài)”字段沒(méi)有用處,為什么SA幀結(jié)構(gòu)中還要單獨(dú)設(shè)“降級(jí)狀態(tài)”一項(xiàng),在此做一下解釋說(shuō)明。

C3級(jí)列控系統(tǒng)的RBC技術(shù)引進(jìn)于歐洲的ETCS-2列控技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)E2)。在原始的E2技術(shù)中存在“聯(lián)合縮短移動(dòng)授權(quán)”的功能,該功能可以大大縮減聯(lián)鎖系統(tǒng)的解鎖時(shí)間,進(jìn)而提高系統(tǒng)的執(zhí)行效率。具體來(lái)講,該功能是指CBI在進(jìn)路降級(jí)(即對(duì)已給出信號(hào)授權(quán)的進(jìn)路取消或人解)時(shí)需要征得RBC的許可,方可執(zhí)行降級(jí)動(dòng)作,完成進(jìn)路解鎖。因此,比如值班員取消或人解進(jìn)路時(shí),CBI先會(huì)將“降級(jí)狀態(tài)”一項(xiàng)置為“設(shè)置降級(jí)”,以表示向RBC提交降級(jí)申請(qǐng),假如該進(jìn)路SA已經(jīng)被RBC分配給列車(chē),則RBC還會(huì)將CBI降級(jí)請(qǐng)求轉(zhuǎn)給列車(chē),在確定列車(chē)可以在解鎖進(jìn)路信號(hào)機(jī)前停車(chē)后, RBC會(huì)告知CBI準(zhǔn)予降級(jí);否則,列車(chē)仍有可能闖入需要解鎖的進(jìn)路,所以RBC不予降級(jí)。綜上, CBI提出申請(qǐng),并經(jīng)RBC許可后方可將進(jìn)路狀態(tài)置為“降級(jí)”狀態(tài)。

在E2技術(shù)引進(jìn)時(shí),由于我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)膹?fù)雜性,要求C3制式線路要后備兼容C2甚至C0技術(shù),對(duì)CBI子系統(tǒng)的功能獨(dú)立性要求非常高,盡可能的不用其他子系統(tǒng)的功能去約束國(guó)內(nèi)成熟的CBI控制技術(shù),因此目前CBI不使用RBC的任何應(yīng)用信息,在CBI進(jìn)行取消進(jìn)路等操作時(shí),不會(huì)等待RBC回應(yīng),直接將“進(jìn)路狀態(tài)”與“降級(jí)狀態(tài)”置為“降級(jí)”。但協(xié)議為了保留其成熟格式以及預(yù)留日后技術(shù)的更新擴(kuò)展,在信息幀中還是做了保留。

3) 保護(hù)區(qū)段狀態(tài)

“保護(hù)區(qū)段狀態(tài)”在幀結(jié)構(gòu)中的位置是替代了E2規(guī)范中“危險(xiǎn)點(diǎn)(danger point)”字段,用于股道長(zhǎng)度較短導(dǎo)致列車(chē)無(wú)法全部進(jìn)入股道的場(chǎng)合。在我國(guó)C3級(jí)列控系統(tǒng)中,“危險(xiǎn)點(diǎn)”的概念尚無(wú)實(shí)際意義,因此將其替換為“保護(hù)區(qū)段狀態(tài)”,但對(duì)RBC、CBI來(lái)說(shuō),“保護(hù)區(qū)段”設(shè)置原則、使用規(guī)則等相關(guān)細(xì)則尚未制定,所以目前僅作為預(yù)留功能在幀結(jié)構(gòu)中保留其位置,實(shí)際工程中暫不啟用。

4)主備系網(wǎng)絡(luò)發(fā)送問(wèn)題

對(duì)于二乘二取二系統(tǒng)平臺(tái)來(lái)說(shuō),分主備二重系,在《CBI-RBC接口規(guī)范(V1.0)》中4.1.1.6條規(guī)定:“CBI主備系均向RBC發(fā)送應(yīng)用層消息,RBC僅主系向CBI發(fā)送應(yīng)用層消息?！贬槍?duì)該條款的疑問(wèn),筆者認(rèn)為該條款表述不準(zhǔn)確。

實(shí)際情況是目前國(guó)內(nèi)所有客專(zhuān)線路中不管哪種平臺(tái)制式的RBC、CBI,接口中通信雙方均為僅主系發(fā)送應(yīng)用層消息,主備系均接收對(duì)方應(yīng)用層信息。

對(duì)于此條款形成的原因,有其特殊背景,在使用從龐巴迪引進(jìn)的RBC平臺(tái)中發(fā)現(xiàn),雖然開(kāi)發(fā)引進(jìn)之初規(guī)定僅主系發(fā)送應(yīng)用層消息,但后來(lái)發(fā)現(xiàn)RBC平臺(tái)的雙系以太網(wǎng)通道均有應(yīng)用層信息送出,看似RBC主備系均向CBI發(fā)送應(yīng)用層信息,然而實(shí)際情況是,RBC主系為了最大限度實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì),不僅使用自身的網(wǎng)絡(luò)通道,也使用了備系的網(wǎng)絡(luò)通道,即發(fā)送時(shí)看似備系通道發(fā)出來(lái)的數(shù)據(jù),實(shí)質(zhì)是主系生成的數(shù)據(jù)經(jīng)由備系通道也送出去,并非備系生成的數(shù)據(jù)發(fā)送了出去。同理,在接收方面, RBC主系也會(huì)同時(shí)利用備系通道收回?cái)?shù)據(jù),即使主系與某個(gè)設(shè)備的雙通道均中斷,仍可以利用備系通道收到對(duì)方主系信息。

因此為了消除歧義,可能原文想表達(dá)成RBC主備系均向CBI發(fā)送應(yīng)用層消息,CBI僅主系向RBC發(fā)送應(yīng)用層消息,結(jié)果由于筆誤造成諸多誤會(huì)。此處筆者只想說(shuō)明一下實(shí)際情況是通信雙方均只有主系發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù),這一點(diǎn)是不容置疑的。

5)EC與TTS

在《RSSP-II鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議(V1.0)》規(guī)范中,描述了兩種時(shí)延防護(hù)手段,即3倍時(shí)間戳(TTS)方式與執(zhí)行周期計(jì)數(shù)(EC)方式。

TTS防護(hù)技術(shù)不需要設(shè)定固定通信周期,通過(guò)時(shí)鐘偏移估算而達(dá)到信息時(shí)效性的判定,適用范圍廣,既可用在非周期性通信的系統(tǒng)上,又可用于周期性通信的系統(tǒng)上。其計(jì)時(shí)分辨率為10 ms,在實(shí)踐中多用于非周期性通信,如事件觸發(fā)式通信時(shí)使用。另外,該技術(shù)方案與IEEE1588的符合性很高,可以看作是IEEE1588在鐵路通信技術(shù)中的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

EC防護(hù)技術(shù)顧名思義是以執(zhí)行周期來(lái)計(jì)數(shù)的,因此其計(jì)數(shù)值非絕對(duì)時(shí)間計(jì)數(shù),是按照通信周期時(shí)長(zhǎng)來(lái)累加的,對(duì)周期性通信的系統(tǒng),執(zhí)行周期計(jì)數(shù)是一種便捷有效的時(shí)延防護(hù)方式。

《RSSP-II鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議(V1.0)》最初源于RBC-RBC之間通信協(xié)議,RBC之間僅存在列車(chē)跨區(qū)切換時(shí)才需要交互信息,所以信息發(fā)送方式采用事件觸發(fā)式,并非周期性交互信息,設(shè)計(jì)TTS防護(hù)技術(shù),即在于不需要設(shè)定固定通信周期,因此在對(duì)信息時(shí)效性的判定上《RSSP-II鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議(V1.0)》提出兩種方式可選,但互相排斥,即不可同時(shí)使用。

3倍時(shí)間戳的計(jì)數(shù)值是以10 ms為精度的,雖然適用范圍廣,但防護(hù)運(yùn)算方式復(fù)雜,對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)特性依賴(lài)性強(qiáng),要求較高。而EC則是按照系統(tǒng)運(yùn)行周期計(jì)數(shù)的,延遲威脅的檢測(cè)通過(guò)對(duì)接收到的消息中的EC計(jì)數(shù)值和本地計(jì)算的EC計(jì)數(shù)期望值進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)。因此在CBI-RBC接口中,由于采用周期性通信方式,故選擇了更加便捷的EC防護(hù)技術(shù)。

有一點(diǎn)特別需要注意的是,規(guī)范中規(guī)定,使用EC后,幀結(jié)構(gòu)中TTS域仍然保留,對(duì)應(yīng)的TTS3個(gè)時(shí)間戳位置均填0。這是對(duì)發(fā)送方規(guī)定的,但不少開(kāi)發(fā)人員對(duì)此誤讀,在接收端對(duì)對(duì)方的此信息域是否為0進(jìn)行校驗(yàn)。如不是,則認(rèn)為是非法數(shù)據(jù)。

實(shí)際上,這是一種誤讀,TTS技術(shù)是防護(hù)時(shí)效性的,既然不使用此技術(shù),則不應(yīng)該對(duì)此域進(jìn)行校驗(yàn),TTS域填0只是覺(jué)得既然保留了位置,就需要有個(gè)值填進(jìn)去,對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō),給出了一個(gè)常規(guī)缺省處理方法,但并不要求接收方檢查此域。實(shí)際上發(fā)送方將此處填寫(xiě)其他任意值,接收方都不能認(rèn)為是非法信息。這在《RSSP-II鐵路信號(hào)安全通信協(xié)議(V1.0)》規(guī)范中是有明確規(guī)定的,只是不容易引起開(kāi)發(fā)人員注意,在此強(qiáng)調(diào)一下。

本文結(jié)合CBI-RBC接口適配工程實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中反映較多的幾項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行分析,希望能與同行共同探討、共同進(jìn)步,如有不當(dāng)之處敬請(qǐng)指正。

In the process of interface adaptation between computer-based interlocking (CBI) equipment and radio block center (RBC) in CTCS-3 System, there are several typical problems in the interface specification. And the paper analyzes and discusses these problems and gives the corresponding explanation.

interface specification; CBI; RBC

10.3969/j.issn.1673-4440.2014.04.031

2014-06-13）