王 伟，周宇晖，王啸阳

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

ATO系统采用GSM-R/GPRS网络作为车地无线数据传输平台，其车地安全通信协议采用GPRS分组域数据模式。在使用GPRS承载业务时，高速铁路ATO系统应使用PPP进行数据传输，禁止使用其他协议。ATO车载设备通过GSM-R网络与TSRS建立数据传输通道，用于传输车地的列车控制信息。它通过Igsm-r接口与ATO车载无线传输单元连接，在CTCS-3级车载列控设备的基础上增加适用于GPRS的AT控制指令集，用于控制车载电台向GPRS网络进行附着和去附着、PDP承载上下文激活和去激活、进入和离开数据传输态等。在电台进入在线数据状态后，ATO系统与GPRS电台使用PPP协议建立IP数据通道，获取网络给GPRS电台分配的动态IP地址，与地面RBC建立TCP连接。

2 PPP协议介绍

PPP是一组协议的总称，可以通过拨号或专线方式在两个网络节点之间建立连接并收发数据。它提供了一种在客户端和服务端的点对点链路上封装协议报文的标准方法，支持IP地址的动态分配和管理、同步或异步物理层数据传输、网络层协议数据复用、链路层配置、传输质量检测和纠错，以及多种参数配置协商。

PPP协议在因特网体系结构中属于数据链路层协议，在 TCP/IP 协议集中也是一种用来协商通信双方配置参数的数据链路层协议。主要包括3个组成部分：将IP数据报文封装到串行接口或网络接口链路上的方法、链路层控制协议（Link Control Protocol，LCP）和网络层控制协议（Network Control Protocol，NCP）。其中LCP用于PPP协议的参数配置选项，处理不同类型的控制帧，检测链路状态，以及终止链路。NCP协议用于承载应用数据的网络层参数协商，常用的有提供给TCP/IP网络使用的网际协议控制协议（Internet Protocol Control Protocol，IPCP），当点对点的客户端和服务端进行NCP参数配置协商时，IPCP协议主要是用来获得通信双方的网络层地址。

PPP数据帧格式遵循高级数据链路控制协议（HDLC）族的一般报文格式。PPP数据封装用于消除上层多种协议数据包的歧义，加入帧头和帧尾之后成为互相独立的串行数据帧。在完整的PPP协议帧中，帧头由帧起始标识、地址标识、控制标识、协议域和数据域组成，帧尾由校验域、帧结束标识组成。完整的PPP协议帧格式如图1所示。

图1 PPP协议帧格式Fig.1 PPP protocol frame format

1) PPP完整帧是以标识字节 0x7E开始和结束的。

2) 地址字段和控制字段在缺省情况是常数。

3) 协议域标识是用来区分PPP数据帧中信息域所承载的数据报文内容。协议域标识的填充需要遵循ISO 3309的地址扩展机制规定。该地址扩展机制规定协议域标识填充的内容必须为奇数，即最低字节的最低位bit为“1”而最高字节的最低位bit为“0”。协议域长度为2 Byte，具体取值如表1所示。

4) 信息域数据的最大长度不超过1 500 Byte，其中PPP协议中配置参数选项MRU（Maximum Receive Unit）的缺省值为1 500 Byte。在实际应用中需根据具体情况进行该最大长度选项的协商。

5) 校验域主要用来检测PPP数据帧在链路中传输的正确性。

表1 PPP协议域典型值Tab.1 Typical value of PPP protocol domain

3 PPP链路建立过程

典型的PPP链路建立过程包含创建阶段、认证阶段和网络协商3个阶段。在PPP客户端和服务端链路的配置、验证、维护和去激活过程中，PPP链路需经历如图2所示几个状态。

图2 PPP链路工作状态Fig.2 PPP link working status

链路不可用状态：PPP链路建立过程需要从这个状态开始。

链路建立状态：PPP client端通过发送LCP配置请求报文来配置数据链路，该报文中配置参数不包括网络层协议所需的参数，PPP服务端会对等的发送LCP配置请求报文对客户端进行链路配置。

验证状态：常用认证协议有口令验证协议（PAP）和挑战握手验证协议（CHAP），链路两端设备是否需要进行认证由LCP配置参数决定。如果通信双方需要进行互相验证，需要在链路建立阶段进行认证方式协商。

网络层协议状态：该状态主要是调用链路层建立阶段选定的网络控制层协议。通过PPP客户端和服务端进行多次交互实现动态分配IP地址功能等。

网络终止状态：可以在任何时候终止PPP链路。

3.1 LCP参数协商过程

PPP客户端首先向服务端发送LCP Configure-Request数据报文发起该过程，该报文作为PPP的净数据被封装在PPP数据帧的信息域中，此时PPP数据帧的协议域标识被固定设置为0xC021，在整个链路建立阶段的过程中信息域的数据内容是变化的，LCP数据报文的一般封装方式如图3所示，它包括很多种类型的报文，如表2所示。

图3 LCP报文封装方式Fig.3 LCP packet encapsulation

表2 LCP报文类型Tab.2 LCP message type

图3中代码域标识的长度被固定设置为一个字节，主要是用来标识LCP数据报文的类型。在链路建立阶段过程中，当接收方无法识别接收到的LCP数据报文中代码域时，会向对端发送一个LCP拒绝报文（Code-Reject）。

标识域长度也被固定设置为1Byte，主要是用来匹配配置请求和配置响应报文。在进入LCP链路建立过程时，通信服务端在接收到对端的配置请求（Config-Request）报文后，当能识别该请求配置报文的代码域时，先向客户端回复LCP确认报文（Config-Ack），再向客户端发送配置请求（Config-Request）报文进行双向配置，而这两个配置请求报文的数据域可能是完全一致，区别于它们的标识域不同。通常客户端发送的LCP配置请求报文的ID从0x01开始，当对端接收到该配置请求报文后，无论使用何种类型报文来响应对方，必须要求响应报文中的ID与接收报文中的ID一致。当客户端或服务端收到对方响应报文后，将其与发送报文进行比较来决定下一步的操作。

3.2 NCP参数协商过程

NCP协商的主要功能是协商PPP报文的网络层参数，如获取服务端IP地址和DNS Server IP地址等。NCP协议过程的数据报文在网络层协议阶段进行交互。通过此过程完成所需的配置参数选项协商后，客户端即可在配置好的链路上开始传送网络应用层的数据报文。NCP协议主要包括IPCP协议。IPCP负责在点对点连接的两端配置、使能和去使能IP协议模块。

4 PPP在ATO车载电台中的应用过程

高速铁路ATO系统采用GPRS分组域承载车地无线通信业务，其系统组成如图4所示。

PPP协议在ATO车载设备中的部署如图5所示，其中无线传输单元（RTU）作为client端，无线GPRS数传模块（MT）作为server端。

车载ATO设备中，RTU与MT之间的PPP建链过程如图6所示。RTU通过AT指令控制GPRS电台进行网络附着、设置APN、激活PDP承载上下文等。当GPRS MT通过AT指令向RTU答复“CONNECT”后，RTU开始启动与MT的PPP链路建立过程，通过IPCP流程协商获取网络侧给GPRS MT分配的本地动态IP地址，与地面控制中心建立TCP连接，进入数据传输模式。

在RTU与MT的PPP协 商 过 程 中，作 为PPP协议的一部分，用户认证（CHAP/PAP）应为“null”认证。如表3、4所示，分别对LCP和NCP的配置进行了规定。

图4 ATO系统组成Fig.4 Composition of ATO system

图5 RTU-MT底层接口协议Fig.5 RTU-MT underlying interface protocol

表3 LCP配置选项Tab.3 LCP configuration options

表4 NCP配置选项Tab.4 NCP configuration options

图6 RTU-MT PPP建链关键过程Fig.6 Key process of RTU-MT PPP chain establishment

5 总结展望

本文对PPP协议及其在高速铁路ATO系统车载无线电台中的应用进行了详细介绍。在未来CTCS-3级列控系统车地无线通信向LTE-R/5G-R方向演进时，车载ATO系统的RTU与MT的分组域数据通道仍将继续沿用PPP拨号方式。因此，PPP协议在ATO系统中的应用研究将为下一代CTCS-3级列控系统的发展和演进提供技术参考，在高速铁路车载列控领域具有潜在的应用价值。