基于通信的列車控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與解析軟件的設(shè)計與實現(xiàn)*

白廣爭 李 亮 白廣良

(1.中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所，100081，北京；2. 中國石油遼河油田興隆臺采油廠，124011，盤錦 //第一作者，助理研究員)

CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)包括CBI(計算機聯(lián)鎖)、ATS(列車自動監(jiān)控)、VOBC(車載控制器)、ZC(區(qū)域控制器)和DCS(數(shù)據(jù)通信)等子系統(tǒng)[1]。各子系統(tǒng)之間實時進行各種控制信息及反饋信息的交互，各子系統(tǒng)內(nèi)部實時完成自身邏輯功能運算。為了深入分析各子系統(tǒng)自身邏輯運算的準確性及系統(tǒng)間信息交互的可靠性，從系統(tǒng)的角度而言，需要開發(fā)一套對整個CBTC系統(tǒng)進行實時數(shù)據(jù)抓包并根據(jù)接口協(xié)議進行解析的軟件，為工程測試人員提供參考。

文獻[2]是在Wireshark的基礎(chǔ)上通過腳本嵌入二次開發(fā)實現(xiàn)的應(yīng)用協(xié)議解析。本文所介紹的軟件，其開發(fā)基于C# 語言，包含了數(shù)據(jù)抓包解包的過程。本文描述了解決軟件開發(fā)過程中出現(xiàn)的一些關(guān)鍵問題的思路。軟件主要完成局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)抓包、接口解析配置文件設(shè)計與讀取、數(shù)據(jù)記錄與歷史查詢、界面顯示等功能。

1 數(shù)據(jù)抓包

CBTC系統(tǒng)一般采用交換機組建局域網(wǎng)。為了實現(xiàn)抓取流經(jīng)交換機的所有數(shù)據(jù)，需要做兩方面的工作：一是設(shè)計數(shù)據(jù)抓包機制，二是對交換機進行端口鏡像配置。

1.1 數(shù)據(jù)抓包機制

在硬件方面，網(wǎng)卡的工作模式分為廣播模式、多播傳送、直接模式和混雜模式等。默認情況下，網(wǎng)卡只接收廣播幀和發(fā)至本終端的幀[3]。只有采用混雜模式，網(wǎng)卡才能接收局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有發(fā)送至本終端的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)監(jiān)視捕獲網(wǎng)絡(luò)信息的目的。在軟件方面，通過調(diào)用Sharpcap應(yīng)用類庫進行底層網(wǎng)卡的操作。CBTC系統(tǒng)采用A、B雙網(wǎng)組建局域網(wǎng)，分別由兩臺交換機管理。因此，在同一終端上，可采用兩個網(wǎng)卡分別抓取兩臺交換機上的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)抓包機制如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)抓包機制

為了避免多個線程同時操作某一塊內(nèi)存，引起并發(fā)性問題，需要在數(shù)據(jù)存入緩存的過程中設(shè)置互斥鎖?；コ怄i的原理為：當(dāng)線程n需要操作某一被鎖定的內(nèi)存時，必須首先獲取鎖，然后才能進行該內(nèi)存操作；當(dāng)線程n正在操作某一內(nèi)存時，該內(nèi)存則被置于鎖定狀態(tài)，其他線程不能再對其進行操作；當(dāng)線程n操作某一內(nèi)存結(jié)束后，需要釋放鎖，從而允許其他線程進行相關(guān)操作。

1.2 交換機端口鏡像配置

由于交換機不會把收到的每個數(shù)據(jù)信息都以廣播的方式發(fā)送到其他所有端口，而是根據(jù)MAC地址表進行智能轉(zhuǎn)發(fā)。因此，經(jīng)過1.1節(jié)的配置仍無法實現(xiàn)在一個端口上抓取局域網(wǎng)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)。通過端口鏡像配置方法，能夠?qū)⒍鄠€端口的數(shù)據(jù)流鏡像到同一個端口上，這樣，局域網(wǎng)數(shù)據(jù)抓包條件就能從物理上得到保證。

為了完成端口鏡像配置，首先，交換機需具有網(wǎng)絡(luò)管理功能；其次，由于不同型號交換機的配置命令不同，因此對不同的交換機采用與其相應(yīng)的配置命令進行配置。

2 數(shù)據(jù)包解析

對于從交換機上獲得的數(shù)據(jù)包，需要獲取應(yīng)用層數(shù)據(jù)，并根據(jù)接口協(xié)議進行解包，從而提供給測試人員進行驗證。本軟件的數(shù)據(jù)包解析由XML配置文件和文件讀取程序(解包程序)兩個模塊完成。

2.1 XML配置文件

通常情況下，隨著工程的深入和細化，一些接口協(xié)議、工程數(shù)據(jù)等都會有所改動，為了降低這種改變對程序開發(fā)的影響，同時也為了提高開發(fā)效率，減少程序開發(fā)工作量，接口協(xié)議及工程數(shù)據(jù)等需要以配置文件的方式提供，以便于后期的維護。本解析軟件采用XML文件對CBTC系統(tǒng)中的接口協(xié)議進行描述。

XML文件格式能跨平臺使用，具有良好的可擴展性，適合面向?qū)ο蟮某绦蜷_發(fā)。XML提供的是樹形層次結(jié)構(gòu)，可以很方便地定位某個功能塊[4]。針對CBTC各子系統(tǒng)接口協(xié)議，本軟件采用5層節(jié)點的XML文件來描述。第1層為標(biāo)志數(shù)據(jù)方向的節(jié)點，如ZC→VOBC等；第2層為標(biāo)志數(shù)據(jù)包類型的節(jié)點，如列車控制信息、列車注冊請求報文等；第3層為普通節(jié)點，如ZC_ID等應(yīng)用層字段含義；第4層為被控節(jié)點，如某號道岔的信息等；第5層為表示被控節(jié)點屬性的子節(jié)點，如道岔定位、反位信息等。

其中，普通節(jié)點又分為非控制類型節(jié)點和控制類型節(jié)點兩類，設(shè)置節(jié)點屬性control來區(qū)分這兩種類型。若control為0，表示該節(jié)點為非控制類型節(jié)點。對于該類節(jié)點，只需獲取其中各屬性的值，如每個字段的長度、字段含義描述等。若control為1，表示該節(jié)點為控制類型節(jié)點。對該類節(jié)點的處理方式是，根據(jù)控制節(jié)點的值對被控節(jié)點進行操作。例如，假設(shè)數(shù)據(jù)包中包含N個道岔信息，則通過道岔控制節(jié)點獲取N值，然后對描述道岔的被控節(jié)點進行N次循環(huán)讀取。XML配置文件整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 XML配置文件結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

采取這種設(shè)計模式能夠?qū)BTC系統(tǒng)的所有接口協(xié)議文件轉(zhuǎn)化為XML配置文件，供解包程序統(tǒng)一調(diào)用。若后期協(xié)議中需要增加新的字段，只需增加新的節(jié)點，文件結(jié)構(gòu)及解包程序均不需改變；若出現(xiàn)新的控制條件或控制類型時，可以通過調(diào)整control的值做進一步擴展。

2.2 解包程序

XML配置文件的解包程序，首先獲取數(shù)據(jù)包的源ID、目的ID和數(shù)據(jù)類型等包頭信息，讀取XML配置文件，并據(jù)此查找與該數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)方向和類型相同的方向節(jié)點和類型節(jié)點。在此基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)包中其他各字段按節(jié)點逐個進行解析。XML配置文件解包程序讀取流程如圖3所示。

圖3 XML配置文件解包程序流程圖

為了提高程序的實時響應(yīng)能力，在抓包過程中，并不對應(yīng)用層數(shù)據(jù)全部進行實時解包，而是只獲取包頭的一些必要信息，如時間、PacketID、數(shù)據(jù)包類型等，并進行數(shù)據(jù)分類存儲，以便于以后的查詢操作。只有在離線情況下，才響應(yīng)測試人員的查詢記錄請求，調(diào)用解包程序?qū)ο鄳?yīng)的數(shù)據(jù)包進行解包處理。

3 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計

為了方便測試，提高軟件的可用性，降低數(shù)據(jù)庫對環(huán)境配置的要求，本項目采用SQLite數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫是一種開源的嵌入式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，與Oracle復(fù)雜的客戶-服務(wù)器模式不同，SQLite整個數(shù)據(jù)庫都在一個單一文件中，可以直接通過程序來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件及表單，并進行相關(guān)的數(shù)據(jù)庫操作。另外，SQLite還具有處理速度快、支持跨平臺、能與多種程序語言相結(jié)合等優(yōu)點。

從網(wǎng)絡(luò)上抓取到的數(shù)據(jù)均需存入數(shù)據(jù)庫，若每獲得一條數(shù)據(jù)即進行一次存儲操作，頻繁連接和斷開數(shù)據(jù)庫比較耗時，存儲速度就無法滿足實時性要求。通常情況下，對于實時數(shù)據(jù)都采取集中式存儲方式。

本文介紹的軟件設(shè)置了兩個緩存區(qū)，輪流接收抓取的數(shù)據(jù)，并在緩存區(qū)滿時各自進行存儲。緩存區(qū)的大小與抓包速率有關(guān)，若單位時間內(nèi)從局域網(wǎng)上抓到的數(shù)據(jù)包較多，則需要設(shè)計較大的緩存區(qū)。通過顯式啟動事務(wù)的方法將緩存中的數(shù)據(jù)批量插入數(shù)據(jù)庫，能夠大大提高存儲效率。

存儲機制分定量存儲和定時存儲兩種方式。定量存儲是指在程序中開辟固定大小的緩存區(qū)，當(dāng)緩存區(qū)滿時，執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲過程。這種存儲機制便于控制內(nèi)存的合理運用，但存儲周期是不確定的，需要根據(jù)緩存區(qū)大小和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)流量來計算；定時存儲是指每間隔固定的時間進行一次存儲，這種存儲機制在存儲周期上是固定的，但需定義動態(tài)緩存區(qū)，不利于內(nèi)存管理。本文介紹的軟件采用定量存儲的方式。

根據(jù)以上設(shè)計思路，設(shè)存儲周期為T，網(wǎng)絡(luò)抓包速率為v，單個緩沖區(qū)大小為s，則三者滿足如下的關(guān)系：

T=s/v

(1)

設(shè)每次存儲事務(wù)的執(zhí)行時間為t，若要保證有足夠的時間存儲數(shù)據(jù)，則須滿足如下的要求：

t≤T

(2)

存儲速率根據(jù)程序的抓包速率來設(shè)計。存儲速率要略大于抓包速率，這樣既能避免內(nèi)存溢出，又能有效減少資源占用。

根據(jù)式(1)、式(2)的關(guān)系，v、s與t之間的關(guān)系需滿足：

tv

(3)

當(dāng)式(3)的條件滿足時，能有效避免內(nèi)存溢出。同時，若式(3)右端遠大于左端，則會造成內(nèi)存資源的浪費或數(shù)據(jù)庫連接資源的浪費。

為了提高程序的實時性，抓包線程負責(zé)將抓取的數(shù)據(jù)包放入緩存中，并調(diào)用解包頭程序，將更新界面顯示和存儲事務(wù)交由數(shù)據(jù)存儲線程處理。設(shè)置兩個緩存區(qū)進行數(shù)據(jù)的輪流接收與存儲，同一時刻只能由其中一個緩存區(qū)負責(zé)數(shù)據(jù)接收，當(dāng)該緩存區(qū)存滿后才能由另一個緩存區(qū)進行數(shù)據(jù)接收，具體的控制流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)接收及存儲流程圖

4 軟件總體結(jié)構(gòu)及界面

以上描述了軟件所涉及到的主要功能模塊，軟件采用基于Winform的C# 語言編程，整體運作流程如圖5所示。

軟件界面提供實時數(shù)據(jù)抓包顯示，用Listview控件顯示。用戶選擇某一包的數(shù)據(jù)記錄，軟件界面相應(yīng)顯示該數(shù)據(jù)包的解析信息。也可以通過設(shè)置篩選條件進行選擇性顯示。該軟件具有歷史數(shù)據(jù)查詢、Excel導(dǎo)入/導(dǎo)出等功能。

圖5 主程序控制流程圖

通過應(yīng)用驗證，軟件在Intel Core i5-4590四核8 G內(nèi)存的終端上運行，能夠滿足CBTC系統(tǒng)的需求，沒有出現(xiàn)漏包現(xiàn)象，抓包及處理效率能夠跟上系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)包的產(chǎn)生速度。

5 結(jié)語

本文闡述了抓包、存儲及離線解析CBTC系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)的軟件的設(shè)計過程。該軟件的研發(fā)有助于提高CBTC系統(tǒng)接口測試效率，加快問題定位，提高測試質(zhì)量。按照本文介紹的設(shè)計方法開發(fā)的軟件具有擴展性好、開發(fā)效率高、通用性強等特點，這些設(shè)計方法對于其他類似應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)具有一定的借鑒意義。

在此基礎(chǔ)上的進一步研究工作是：通過統(tǒng)計所抓取數(shù)據(jù)包的類型來判斷CBTC系統(tǒng)實時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；通過修改數(shù)據(jù)包內(nèi)容，模擬某一子系統(tǒng)向其他子系統(tǒng)發(fā)送錯誤數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)故障注入等功能。