基于lwIP 的列車運行控制系統(tǒng)車載設(shè)備分組交換通信軟件設(shè)計

包正堂

（中國鐵路通信信號股份有限公司 北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

GSM-R 作為鐵路專網(wǎng)無線通信標準，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，是高速鐵路CTCS-3 級列車運行控制系統(tǒng)（簡稱：列控系統(tǒng)）的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。隨著鐵路行車調(diào)度和列車運行控制業(yè)務(wù)（簡稱：列控業(yè)務(wù)）的不斷擴展，GSM-R 窄帶網(wǎng)絡(luò)在容量和性能方面已難以滿足日益豐富的運營需求。

GPRS 在GSM-R 上疊加新的網(wǎng)絡(luò)實體來實現(xiàn)分組數(shù)據(jù)服務(wù)，與既有網(wǎng)絡(luò)相比，GPRS 在通信速率、實時性、連接管理上具有明顯優(yōu)勢。目前，歐洲鐵路ETCS 系統(tǒng)基線三subset-037 歐洲無線電系統(tǒng)功能接口規(guī)范涵蓋了GPRS 通信要求[2]。我國高速鐵路ATO 系統(tǒng)已將GPRS 應(yīng)用于車載ATO 與臨時限速服務(wù)器（TSRS，Temporary Speed Reduction Server）的通信[3]。中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）正在推進的CTCS-4 級列控系統(tǒng)預研方案中，將GPRS 用于車地之間、列首與安全列尾之間的通信[4]。GPRS 引入不但可實現(xiàn)鐵路裝備技術(shù)向分組通信的過渡，為今后鐵路專用網(wǎng)向4G/5G 演進奠定基礎(chǔ)。

列控業(yè)務(wù)使用GPRS 主要是傳輸安全相關(guān)數(shù)據(jù)，安全相關(guān)信息的交互必須遵循安全通信相關(guān)標準。在研究基于GPRS 的列控業(yè)務(wù)通信技術(shù)的過程中，考慮到無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的巨大成本、地域性和復雜性，應(yīng)以列控系統(tǒng)車載設(shè)備（簡稱：車載設(shè)備）的分組交換通信技術(shù)研究為先導，在不修改原有應(yīng)用軟件及安全機制的前提下，逐步實現(xiàn)列控業(yè)務(wù)向GPRS 網(wǎng)絡(luò)的無縫遷移。

本文基于GPRS 分組域車地通信規(guī)范，研究設(shè)計車載設(shè)備分組交換通信軟件，選用開源lwIP 作為TCP/IP 協(xié)議棧，將車載設(shè)備通信業(yè)務(wù)接入GPRS 分組域，以提升車載設(shè)備通信能力，滿足鐵路日益增加的數(shù)字化和智能化業(yè)務(wù)需求。

1 GPRS 分組域車地通信

1.1 分組域通信簡介

歐洲電工標準化委員會（CENELEC）鐵路安全通信標準EN 50159 定義了開放網(wǎng)絡(luò)下安全相關(guān)系統(tǒng)通信傳輸?shù)膮⒖技軜?gòu)[5-6]，包括安全相關(guān)傳輸系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及開放網(wǎng)絡(luò)。

基于此標準，列控系統(tǒng)相關(guān)接口規(guī)范中定義了提供安全相關(guān)傳輸系統(tǒng)功能的安全功能模塊（SFM，Safe Functional Module）和提供通信系統(tǒng)功能的通信功能模塊（CFM，Communication Functional Module）。SFM 提供安全相關(guān)傳輸服務(wù)，實現(xiàn)安全連接生命周期管理和安全數(shù)據(jù)交互，與具體通信網(wǎng)絡(luò)制式無關(guān)；CFM 對接開放式網(wǎng)絡(luò)提供的通信服務(wù)，是車載設(shè)備適配和實現(xiàn)分組交換通信的關(guān)鍵模塊。

1.2 CFM 功能

CFM 對等實體之間通過GSM-R/GPRS 開放網(wǎng)絡(luò)或封閉網(wǎng)絡(luò)通信，是車地通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組成部分，負責實現(xiàn)車載設(shè)備與地面設(shè)備之間的電路交換及分組交換通信。為兼容多種通信制式，ETCS 在CFM中增加了傳輸制式配置功能，支持GSM-R 電路交換與GPRS 分組交換之間的動態(tài)切換。此功能與CFM分組交換通信無關(guān)，且國內(nèi)無該需求，本文暫不涉及。

按照“協(xié)議水平、服務(wù)垂直”的原則，設(shè)計車載設(shè)備分組交換通信網(wǎng)絡(luò)體系，自上而下劃分為3個層次：應(yīng)用、SFM 以及CFM；各層之間互為服務(wù)的提供者和使用者，通過各自定義的服務(wù)訪問點來交互。應(yīng)用負責業(yè)務(wù)交互；SFM 負責安全層對等實體的安全連接管理及交互，包括消息完整性、校驗以及錯誤上報等。CFM 負責提供符合ITU-T X.214傳輸層模型的傳輸服務(wù)以及電臺（MT，Mobile Terminal）交互服務(wù)[2]，相當于實現(xiàn)了OSI 開放網(wǎng)絡(luò)傳輸參考模型中的第4 層（即傳輸層）、第3 層（即網(wǎng)絡(luò)層）和第2 層（數(shù)據(jù)鏈路層），具體包括：（1）傳輸層連接的建立和釋放，可靠數(shù)據(jù)的傳輸，透明數(shù)據(jù)傳輸；(2）MT 注冊及網(wǎng)絡(luò)信息上報。

為了實現(xiàn)車載設(shè)備分組交換通信，還需要具備一些必要條件，如：MT 及無線網(wǎng)絡(luò)均需支持GPRS，無線網(wǎng)絡(luò)需提供專用接入點名稱等。

1.3 分組交換通信網(wǎng)絡(luò)對等通信分層結(jié)構(gòu)

在GPRS 分組交換傳輸模式下，車地雙方各通信層劃分為相對應(yīng)的功能實體，同一層的實體稱為對等實體。GPRS 分組交換通信網(wǎng)絡(luò)對等通信分層結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 GPRS 分組交換通信網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)示意

對等實體之間像是在直接通信，無需關(guān)注具體的數(shù)據(jù)路徑。每一層對等實體實現(xiàn)完全獨立的功能，層與層之間實現(xiàn)協(xié)議和服務(wù)的轉(zhuǎn)換，即向上一層提供服務(wù)，向下一層輸出協(xié)議。自上而下的，既有應(yīng)用至安全層無需修改，新增適配層實體（ALE，Adapter Layer Entity）用于適配面向字節(jié)流的TCP 傳輸服務(wù)，TCP/IP 協(xié)議棧實現(xiàn)可靠傳輸，包括傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層，既有物理層不變，既有AT 命令使用分組交換命令集合。

CFM 中每個物理通道即對應(yīng)一個MT。在分組交換傳輸模式下，每個物理通道支持多個傳輸連接，而電路交換傳輸模式下該功能是可選的。

1.4 GSM-R/GPRS 車地通信過程

GSM-R/GPRS 車地通信過程如圖2 所示。

圖2 GSM-R/GPRS 車地通信過程示意

（1）當車載設(shè)備控制MT 完成GPRS 附著和PDP 上下文激活后，MT 即與對應(yīng)的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)（PDN，Public Data Network）之間建立數(shù)據(jù)承載，獲得PDN 分配的IP 地址，并進入數(shù)據(jù)模式[7]。在這一過程中，車載設(shè)備使用既有電路交換接口IGSM-R與MT 交互，AT 命令使用TS 27.010 協(xié)議的分組交換部分（也稱為IGPRS接口），物理層為RS-422。

（2）MT 進入數(shù)據(jù)模式后，CFM 需要借助點對點通信協(xié)議（PPP，Point-Point Protocol）與MT 通信。PPP 協(xié)議對應(yīng)于OSI 模型中第2 層，起初作為用戶與互聯(lián)網(wǎng)提供商之間的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，因其簡單可靠被廣泛采用。PPP 協(xié)議中的各部分先后實現(xiàn)物理鏈路協(xié)商、鑒權(quán)驗證、網(wǎng)絡(luò)地址配置等功能，也稱為PPP 撥號，是CFM 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。當CFM完成PPP 撥號流程后，雙方隨即建立IP 通信，CFM可借助分配給MT 的IP 地址，嘗試與地面對等實體建立傳輸服務(wù)。

CFM 使用TCP 實現(xiàn)可靠傳輸，為了實現(xiàn)與TCP/IP 協(xié)議的映射管理，CFM 提供了ALE，用以實現(xiàn)安全層與TCP 傳輸層之間的功能適配，具體包括：建立和釋放TCP 連接，安全層與TCP 的數(shù)據(jù)映射，通道狀態(tài)監(jiān)控等。

2 車載設(shè)備分組交換通信軟件設(shè)計

2.1 選用開源lwIP 作為TCP/IP 協(xié)議棧

分組網(wǎng)絡(luò)采用IP 通信，需引入TCP/IP 協(xié)議棧實現(xiàn)GPRS 網(wǎng)絡(luò)上的可靠數(shù)據(jù)傳輸。采用成熟免費的開源嵌入式協(xié)議棧來開發(fā)分組交換通信軟件，可降低開發(fā)和維護成本，且開發(fā)人員能夠完全掌握源碼。表1 列出較為著名開源嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧[8-11]。

表1 開源嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧

車載設(shè)備一般采用嵌入式實時操作系統(tǒng)，產(chǎn)品生命周期較長，開源嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧的選擇應(yīng)考慮高可靠、輕量化、易于移植和長期維護有保證。

車載設(shè)備分組交換通信與電臺使用PPP 協(xié)議，考慮到軟件成熟度和穩(wěn)定性，lwIP 是最佳TCP/IP 協(xié)議棧選擇。lwIP 由瑞士計算機科學院Adam Dunkels開發(fā)，目前源代碼托管在自由軟件基金會（Free Software Foundation）公共代碼托管和協(xié)作平臺Savannah 上，最新版本為2.1.3[12]。

2.2 lwIP 移植與配置

2.2.1 lwIP 分層結(jié)構(gòu)

lwIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)清晰簡潔，可劃分為用戶接口層、系統(tǒng)及內(nèi)核運行層、網(wǎng)卡接口層3 部分。lwIP協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 lwIP 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)示意

用戶接口層分為BSD 風格接口、順序風格接口和原生接口3 類。系統(tǒng)及內(nèi)核運行層支持帶操作系統(tǒng)（提供多線程）和不帶操作系統(tǒng)（阻塞讀寫）2 種方式。網(wǎng)卡接口層是lwIP 定義的抽象網(wǎng)卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由開發(fā)人員根據(jù)實際硬件驅(qū)動實現(xiàn)。

2.2.2 lwIP 移植涉及的主要組件及配置

lwIP 的移植與內(nèi)核運行方式相關(guān)，本文操作系統(tǒng)模式（即lwIP 定義的OS mode），lwIP 移植涉及的主要組件及配置包括：系統(tǒng)抽象層、定時器、編譯器及平臺、臨界區(qū)設(shè)置、用戶配置。

（1）系統(tǒng)抽象層：主要包括信號量、互斥鎖、郵箱（消息隊列）、線程創(chuàng)建、同步防護等；lwIP使用信號量實現(xiàn)任務(wù)同步，借助郵箱實現(xiàn)任務(wù)間通信，通過共享內(nèi)存完成緩存?zhèn)鬟f；若操作系統(tǒng)支持優(yōu)先級反轉(zhuǎn)處理的互斥鎖，無需使用信號量模擬（即lwIP 默認方式）。

（2）定時器：向lwIP 內(nèi)核線程運行提供一個定時器，計時單位為ms。

（3）編譯器及平臺：編譯器主要包括數(shù)據(jù)類型、編譯器內(nèi)存對齊、基礎(chǔ)庫依賴、打印及故障處理等。

（4）臨界區(qū)設(shè)置：為了避免任務(wù)間內(nèi)存分配和釋放出現(xiàn)異常，lwIP 要求用戶提供輕量級快速防護機制；對于嵌入式系統(tǒng)，可通過禁用中斷或使用信號量、互斥鎖實現(xiàn)臨界區(qū)設(shè)置。為保證性能，建議優(yōu)先使用后者，避免頻繁的任務(wù)調(diào)度操作造成性能下降。

（5）用戶配置：提供了強大靈活的剪裁與配置宏開關(guān)，開發(fā)人員可通過用戶頭文件lwipopts.h 進行設(shè)置，按需定義運行方式、協(xié)議族配置、網(wǎng)卡配置、內(nèi)存管理等。

2.3 車載設(shè)備分組交換通信軟件架構(gòu)

車載設(shè)備軟件一般可分為主控軟件和通信軟件2 部分。主控軟件執(zhí)行安全應(yīng)用（包含安全層），需運行在SIL4 級硬件上；通信軟件不承擔安全功能，可以運行于SIL0 級硬件。

為使車載設(shè)備具備分組交換通信能力，需要對其通信軟件進行修改，主要包括CFM 集成lwIP 以實現(xiàn)可靠傳輸，新增使用AT 命令分組交換集合等，原有通信軟件的應(yīng)用及電臺控制功能不變。

車載設(shè)備分組交換通信軟件的主要功能模塊包括：ALE 模塊、lwIP 協(xié)議棧、電臺控制模塊、串口控制模塊、PPP 網(wǎng)卡適配模塊，軟件架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 車載設(shè)備分組交換通信軟件架構(gòu)

（1）ALE 模塊通過離散的、非定長的ALE 數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸[2]。通過一系列傳輸服務(wù)接入點（TSAP，Transport Service Access Point）向上層用戶（安全層）提供傳輸服務(wù)，通過T 原語交互。

（2）lwIP 協(xié)議棧具體實現(xiàn)了TCP/IP 協(xié)議?；?lwIP 用戶接口可實現(xiàn)一系列TCP 服務(wù)訪問點（TCPSAP，TCP Service Access Point），即TCP 服務(wù)原語，通過這些原語可以向抽象的TCP 服務(wù)用戶（TCP-User），例如ALE 模塊提供傳輸服務(wù)。

（3）串口控制模塊封裝了RS-422 通信驅(qū)動，向PPP 網(wǎng)卡適配模塊及電臺控制模塊提供基礎(chǔ)的串口通信，即IGPRS接口的物理實現(xiàn)。

（4）電臺控制模塊通過串口控制模塊與電臺進行AT 命令交互，并監(jiān)測電臺狀態(tài)；當電臺進入數(shù)據(jù)模式后，通知應(yīng)用創(chuàng)建PPP 網(wǎng)卡接口，進而可與服務(wù)端進行IP 通信。

（5）PPP 網(wǎng)卡適配模塊基于lwIP 的PPP 組件和網(wǎng)卡組件，通過集成串口控制模塊，實現(xiàn)PPP網(wǎng)卡接口的創(chuàng)建、刪除和操作功能。該模塊創(chuàng)建網(wǎng)卡的個數(shù)與MT 個數(shù)相對應(yīng)。lwIP 中數(shù)據(jù)鏈路層不同協(xié)議組件均可表示為統(tǒng)一的抽象網(wǎng)卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)卡組件來管理，支持IEEE802.1D bridge，6LoWPAN (RFC 4944)，6LoWPAN over BLE (RFC 7668)，PPP，SLIP -Serial Line Internet Protocol (RFC 1055)，ZEP -ZigBee Encapsulation Protocol 等協(xié)議[11]。

2.4 車載設(shè)備分組交換通信軟件處理流程

車載設(shè)備分組交換通信軟件面向多任務(wù)操作系統(tǒng)的運行時任務(wù)主要包括：應(yīng)用任務(wù)、電臺控制任務(wù)、PPP 通信任務(wù)、lwIP 內(nèi)核任務(wù)，具體處理流程如圖5 所示。

圖5 車載設(shè)備分組交換通信軟件處理流程

該軟件啟動后，先進行操作系統(tǒng)及l(fā)wIP 初始化，之后依次創(chuàng)建應(yīng)用任務(wù)和電臺控制任務(wù)，lwIP 內(nèi)核任務(wù)由lwIP 初始化函數(shù)自動創(chuàng)建。

應(yīng)用任務(wù)通過調(diào)度ALE 模塊實時處理安全層T原語。當需要建立安全通信時，先控制電臺完成PDP 上下文激活，并進入數(shù)據(jù)模式；隨后創(chuàng)建PPP通信任務(wù)執(zhí)行鏈路建立；當PPP 協(xié)議完成IP 地址協(xié)商后，軟件可通過網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)端建立TCP 連接，進行后續(xù)ALE、安全層的對等通信。

3 關(guān)鍵組件設(shè)計

3.1 串口控制模塊

lwIP 支持PPP 協(xié)議運行在以太網(wǎng)（PPPoE，PPP Over Ethernet）和串口（PPPoS，PPP Over Serial）上。當啟用PPPoS 時，與硬件緊密相關(guān)的串口控制需要由用戶來實現(xiàn)。lwIP 內(nèi)核頭文件sio.h 提供了一組串口模型（SIO，Serial Input Output）的接口定義，用以支持SLIP、PPP 等運行在串口上的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。串口控制模塊的主要接口函數(shù)如表2 所示。

表2 串口控制模塊主要接口函數(shù)

lwIP 的PPPoS 組件提供Raw API 和線程安全PPP API 2 套接口；Raw API 屬于輕量級設(shè)計，只能用于無操作系統(tǒng)的場景，或僅在lwIP 內(nèi)核線程中調(diào)用。列控業(yè)務(wù)屬于多任務(wù)場景，應(yīng)使用線程安全PPP API 來實現(xiàn)應(yīng)用操作，其聲明包含在pppapi.h 中。此外，按照lwIP 適配要求，用戶應(yīng)實現(xiàn)PPP 輸入任務(wù)和PPP 輸出接口。

3.2 PPP 網(wǎng)卡適配模塊

PPP 協(xié)議包括鏈路控制協(xié)議（LCP，Link Control Protocol）、鑒權(quán)協(xié)議（AP，Authentication Protocol）、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP，Network Control Protocol）3 部分。其中，NCP 用來協(xié)商和配置網(wǎng)絡(luò)層；當網(wǎng)絡(luò)層采 用IPv4 協(xié)議時，NCP 為IPCP（Internet Protocol Control Protocol）。當點對點通信會話結(jié)束或出現(xiàn)錯誤時，NCP 首先釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回IP 地址，接著LCP 釋放數(shù)據(jù)鏈路層和物理層連接。

lwIP 的PPPoS 組件支持Raw API 和線程安全PPP API 2 套接口。Raw API 為輕量級設(shè)計，只用于無操作系統(tǒng)的場景，或在lwIP 內(nèi)核線程中調(diào)用。列控業(yè)務(wù)屬于多任務(wù)場景，使用線程安全PPP API 來實現(xiàn)應(yīng)用操作，其聲明包含在pppapi.h 中。此外，需按照規(guī)范要求，實現(xiàn)PPP 輸入任務(wù)和PPP 輸出接口。

PPP 網(wǎng)卡適配模塊實現(xiàn)的主要接口函數(shù)如表3所示。該模塊與應(yīng)用通過預定義的PPP 網(wǎng)卡描述符ppp_descripror 進行交互，每個PPP 網(wǎng)卡描述符對應(yīng)獨立的數(shù)據(jù)輸入任務(wù)。PPP 網(wǎng)卡適配工作流程如圖6所示。

表3 PPP 網(wǎng)卡適配模塊的主要接口函數(shù)

圖6 PPP 網(wǎng)卡適配模塊執(zhí)行流程

當上層應(yīng)用收到連接命令時，控制電臺進入數(shù)據(jù)模式，再調(diào)用PPP_Open 創(chuàng)建PPP 網(wǎng)卡數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，依次進行LCP 邏輯鏈路協(xié)商、鑒權(quán)認證及NCP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)商；待NCP 成功完成網(wǎng)絡(luò)層IP 地址協(xié)商，PPP 鏈路處于打開狀態(tài)，再繼續(xù)執(zhí)行TCP 連接建立。

當上層應(yīng)用收到斷開命令時，斷開TCP 連接，再調(diào)用PPP_Terminate 斷開PPP 鏈路、刪除任務(wù)并進行PPP 網(wǎng)卡資源釋放，最終控制電臺回到命令模式。

另外，開發(fā)人員還要實現(xiàn)一些必要的回調(diào)函數(shù)，用于內(nèi)核線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、通知PPP 鏈路狀態(tài)改變、網(wǎng)卡狀態(tài)改變等操作。

3.3 ALE 模塊

ALE 模塊連接既有上層應(yīng)用（安全層等）和TCP/IP 協(xié)議棧，起到承上啟下作用，包括ALE 功能層和ALE 網(wǎng)絡(luò)接口層，其分層結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 ALE 模塊分層結(jié)構(gòu)示意

（1）ALE 功能層實現(xiàn)上層應(yīng)用（安全層等）要求的T 服務(wù)原語，包括主動發(fā)起的命令動作和需要上報的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事件。ALE 功能層定義的服務(wù)原語分為連接建立、數(shù)據(jù)傳輸、連接釋放3 類、共8 個服務(wù)原語，共同完成傳輸服務(wù)。T 服務(wù)原語的報文結(jié)構(gòu)和傳輸規(guī)則應(yīng)滿足列控系統(tǒng)分組交換通信相關(guān)標準，subset-037 歐洲無線電系統(tǒng)功能接口規(guī)范、高速鐵路ATO 系統(tǒng)與GSM-R 網(wǎng)絡(luò)接口暫行技術(shù)條件等。

（2）ALE 網(wǎng)絡(luò)接口層實現(xiàn)對TCP/IP 協(xié)議棧調(diào)用，但相關(guān)標準并未定義ALE 層如何實現(xiàn)與TCP 服務(wù)的接口。根據(jù)RFC793[13]，TCP 協(xié)議狀態(tài)轉(zhuǎn)換的原因可分為用戶調(diào)用（the user calls）、收到報文段（the incoming segments）和超時（timeouts）。為了抽象出TCP 服務(wù)原語，對上述狀態(tài)轉(zhuǎn)換原因進行梳理，定義了一組參考的TCP 服務(wù)原語，包括12 種TCP 服務(wù)原語，如表4 所示。

表4 TCP 服務(wù)原語

ALE 網(wǎng)絡(luò)接口層和ALE 功能層的接口設(shè)計按照依賴倒置原則，共同依賴TCP 服務(wù)原語這一抽象對象。其中，ALE 網(wǎng)絡(luò)接口層需向ALE 功能層注冊7個TCP 服務(wù)原語動作回調(diào)函數(shù)，并調(diào)用ALE 功能層的5 個TCP 服務(wù)原語事件函數(shù)。ALE 模塊做到了傳輸服務(wù)與TCP/IP 協(xié)議棧具體實現(xiàn)邏輯的隔離。

4 結(jié)束語

符合標準規(guī)范的車載設(shè)備GPRS 分組交換通信技術(shù)是支撐鐵路自動化和智能化的關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)之一。本文提出滿足ETCS 及CTCS 要求的車地無線分組交換通信軟件設(shè)計，使用成熟可靠的開源lwIP協(xié)議棧承擔傳輸服務(wù)，可降低軟件開發(fā)和維護成本。該軟件采用分層架構(gòu)和模塊化設(shè)計，核心組件均面向接口設(shè)計，ALE 模塊實現(xiàn)上層應(yīng)用與TCP/IP 協(xié)議棧的隔離，串口控制模塊封裝了硬件驅(qū)動，PPP 網(wǎng)卡適配模塊構(gòu)建了lwIP 抽象網(wǎng)卡；在滿足相關(guān)標準和列控業(yè)務(wù)要求的同時，具備良好的可移植性、可維護性和可擴展性，便于實現(xiàn)跨平臺應(yīng)用和性能升級。既有GSM-R 通信網(wǎng)絡(luò)下的車載設(shè)備僅需對電路交換通信軟件進行簡單改造即可實現(xiàn)升級。

該通信軟件已移植到自主化ATO、ATP 車載硬件平臺及國產(chǎn)化操作系統(tǒng)中，在高速ATO 系統(tǒng)、新型列控系統(tǒng)、市域鐵路列控系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗及運用中取得良好效果。后續(xù)將研究支持多種網(wǎng)絡(luò)制式切換、協(xié)議棧參數(shù)自動調(diào)優(yōu)、TCP 冗余通道等技術(shù)方案，以提高列控系統(tǒng)通信可靠性和魯棒性，助力鐵路裝備技術(shù)水平和服務(wù)質(zhì)量持續(xù)提升。