隨著信息、通信 [1]、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的飛速發(fā)展，各行業(yè)對設(shè)備數(shù)據(jù)交互的需求日益增長。在軌道交通領(lǐng)域，設(shè)備間數(shù)據(jù)交互的典型拓?fù)涫峭ㄟ^網(wǎng)絡(luò)直接訪問，安全、可靠、高效地獲取設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)(如故障文件傳輸、實(shí)時監(jiān)視數(shù)據(jù)等)顯得尤為重要。車載設(shè)備專家診斷系統(tǒng)將設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等內(nèi)部信息先下載到服務(wù)器，然后再根據(jù)專家知識和對數(shù)據(jù)的分析來為用戶提供故障診斷 [2] 及預(yù)警等相關(guān)服務(wù)。在機(jī)車數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)儲的應(yīng)用場景中，機(jī)車車載綜合信息監(jiān)測裝置 (locomotive on-board general data monitoring platform, LDP) 被作為車地傳輸網(wǎng)關(guān)，車載設(shè)備的故障數(shù)據(jù)通過其從設(shè)備轉(zhuǎn)儲到地面服務(wù)器。這些敏感數(shù)據(jù)在傳輸過程中，特別是當(dāng) LDP 可由第三方提供、需將數(shù)據(jù)暫存在 LDP 上時，存在被竊取和利用的風(fēng)險。

　　1 UXP 協(xié)議介紹

　　UXP 被設(shè)計(jì)為通用的信息交互應(yīng)用層協(xié)議，其由一系列服務(wù)組成，共享基礎(chǔ)服務(wù);其他通用化服務(wù)相互獨(dú)立，支持可插拔式自定義服務(wù)，具有良好的可擴(kuò)展性。其特點(diǎn)如下：(1)控制層基于控制靈活、資源占用少的 UDP 協(xié)議進(jìn)行承載，并設(shè)計(jì)確認(rèn)報文(acknowledge character，ACK) 機(jī) 制 和 循 環(huán) 冗 余 校 驗(yàn)(cyclic redundancy check，CRC)檢測來保證通信的可靠性。(2)采用服務(wù)器 / 客戶端通信模型，服務(wù)只由客戶端控制，以降低車載設(shè)備資源消耗。(3)基于主流加密算法設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的安全管控機(jī)制，以保證協(xié)議的安全性。(4)提供多種文件傳輸模式，如斷點(diǎn)續(xù)傳和壓縮傳輸模式，以提升協(xié)議的傳輸效率。(5)通過滑動窗口和動態(tài)重傳機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控通信鏈路的狀態(tài)跟蹤及重傳時間(re-transmission timeout, RTO)快速自適應(yīng)。

　　1.1 通信流程 UXP 采用服務(wù)器 / 客戶端通信模式。在建立通信之前，客戶端需要通過認(rèn)證解鎖。首先客戶端發(fā)送請求，服務(wù)器對權(quán)限進(jìn)行驗(yàn)證，并生成會話密鑰;驗(yàn)證成功后，服務(wù)器打開連接，雙方開始正常通信服務(wù);通信完成之后，服務(wù)器等待一段時間，如果沒有新消息，則關(guān)閉連接。具體流程如圖 1 所示。

　　協(xié)議的認(rèn)證采用嚴(yán)格的權(quán)限控制機(jī)制，其首先定義多個安全等級并嵌入到所有的訪問中，然后再映射至該級別允許的操作集合;不同的權(quán)限等級對應(yīng)不同的操作權(quán)限，由此實(shí)現(xiàn)對用戶訪問權(quán)限的嚴(yán)格把控，防止用戶越界操作。認(rèn)證過程的實(shí)現(xiàn)包括3個子流程：(1)客戶端發(fā)送請求權(quán)限種子報文，服務(wù)器收到請求之后根據(jù)安全等級生成隨機(jī)權(quán)限種子并返回給客戶端;(2)客戶端根據(jù)收到的權(quán)限種子生成權(quán)限密鑰并發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器驗(yàn)證是否與本地生成的密鑰匹配，如果匹配，回復(fù)設(shè)備串碼，否則拒絕接入;(3)客戶端根據(jù)收到的設(shè)備串碼生成會話密鑰，并發(fā)送一段用該密鑰加密后的信息給服務(wù)器，服務(wù)器利用本地密鑰解密，并回復(fù)驗(yàn)證結(jié)果。

　　1.2 服務(wù)類型 UXP 定義了一系列服務(wù) (service) 并用特殊的編號 (service ID) 表示，實(shí)現(xiàn)用簡單的命令請求完成與設(shè)備的所有交互操作。UXP 提供的基本服務(wù)類型主要包括認(rèn)證授權(quán)、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控、屬性配置管理及文件傳輸?shù)龋�后續(xù)可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行擴(kuò)展和裁剪(圖 2)。通過對服務(wù)類型的定義， UXP 可實(shí)現(xiàn)認(rèn)證解鎖等基本操作的共享，擴(kuò)展時只需更改服務(wù)本身，即可實(shí)現(xiàn)協(xié)議的簡統(tǒng)化。

　　1.3 協(xié)議優(yōu)點(diǎn) UXP 加入了大量的安全管控機(jī)制，定義了簡單的通信模式，采用了高效的傳輸機(jī)制，具體優(yōu)點(diǎn)如表 1 所示。

　　2 性能提升機(jī)制

　　為了使協(xié)議的傳輸效率更高，UXP 添加了斷點(diǎn)續(xù)傳模式和文件壓縮傳輸模式，同時引入窗口滑動和動態(tài)重傳的傳輸機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對通信鏈路變化的自適應(yīng)以保證最優(yōu)的信道利用率。

　　2.1 斷點(diǎn)續(xù)傳用于車載設(shè)備數(shù)據(jù)下載的網(wǎng)絡(luò)存在復(fù)雜性和不穩(wěn)定性，傳輸過程中隨時可能發(fā)生中斷。如果每次重新接入后又從頭開始傳輸，則會導(dǎo)致傳輸資源的浪費(fèi)。本協(xié)議中引入斷點(diǎn)續(xù)傳的模式，在文件傳輸中斷后重新接入時能夠在殘缺文件的基礎(chǔ)上繼續(xù)上次的傳輸，無需每次都從頭開始，避免已有數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸，其累加效果如圖 3 所示。

　　2.2 壓縮傳輸文件傳輸?shù)目炻�不僅與信道利用率、數(shù)據(jù)處理速度、通信環(huán)境有關(guān)，也與文件大小和數(shù)據(jù)包數(shù)量息息相關(guān)。在傳輸文件過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，能夠很大程度地減少數(shù)據(jù)包的數(shù)量，提高傳輸?shù)男�率。本協(xié)議提供壓縮傳輸模式。在文件傳輸過程中，發(fā)送方從文件中讀取一個數(shù)據(jù)塊，該數(shù)據(jù)塊被壓縮后再依次分包發(fā)送;接受方將接收到的報文依次放入緩存中，組成一個完整的壓縮數(shù)據(jù)塊，然后再解壓數(shù)據(jù)并寫入文件(圖 5)。

　　2.3 滑動窗口機(jī)制在請求 / 應(yīng)答通信模式中，最常用的是停等協(xié)議機(jī)制：客戶端發(fā)送一個報文之后停止發(fā)送，等待服務(wù)器回復(fù)確認(rèn)報文，收到回復(fù)之后再發(fā)送下一個報文，如圖 6 所示。停等協(xié)議機(jī)制雖能簡單有效地保證報文的有序交互，但是存在通信信道利用率低的問題，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)階段實(shí)際通信中對傳輸效率的需求。

　　3 實(shí)驗(yàn)與分析

　　為了驗(yàn)證協(xié)議的有效性，本文在 ERM 和 DCU 等設(shè)備中進(jìn)行 UXP 與 FTP 協(xié)議、UXP 添加效率提升機(jī)制前后性能的對比，并以相同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下相同文件的傳輸時間長短、失敗次數(shù)為依據(jù)進(jìn)行性能分析。

　　3.1 優(yōu)化前后性能對比在 ERM 設(shè)備上集成協(xié)議服務(wù)端，筆記本上安裝客戶端，用 PC 主機(jī)作為 LDP(LDP 與服務(wù)器直連、與客戶端筆記本通過無線連接)來模擬現(xiàn)場工作環(huán)境，如圖 7 所示。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對 UXP 的普通文件傳輸模式、壓縮模式、是否采用滑動窗口、是否采用動態(tài)重傳機(jī)制等進(jìn)行性能測試。

　　3.1.1 窗口機(jī)制驗(yàn)證基于 ERM，將窗口大小設(shè)置為 1，3，6，分別對 30 MB 文件進(jìn)行測試，每個場景測試 100 次并取傳輸時間的平均值(表 2)。可以看出，當(dāng)滑動窗口大小為 1 時，窗口退化為停等協(xié)議，傳輸效率最低;當(dāng)窗口大小逐漸增大時，傳輸效率逐漸增加，但是增加的速度變緩。

　　3.1.2 重傳機(jī)制驗(yàn)證由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境是接近理想的無丟包、無延時環(huán)境，而在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中無線信號是不穩(wěn)定的，這必然會存在一定的丟包率。為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近實(shí)際情況，本文模擬丟包環(huán)境對協(xié)議進(jìn)行再次測試。實(shí)際環(huán)境中的丟包是發(fā)生在傳輸鏈路中，其丟包率和丟包時間難以人為控制。由于上層協(xié)議對丟包發(fā)生的位置不敏感，在測試中可以通過在客戶端協(xié)議下層增加丟包控制的機(jī)制來進(jìn)行模擬，丟包控制機(jī)制可以設(shè)置不同的丟包模式(包括隨機(jī)丟包和分段丟包等)和丟包率，具體如圖 9 所示。

　　3.2 與 FTP 協(xié)議的對比在 ERM 設(shè)備上分別用 FTP 和 UXP 協(xié)議傳輸不同文件各 100 次 ( 設(shè)備服務(wù)端與筆記本客戶端直連通信 ) 并記錄平均傳輸時間，具體數(shù)據(jù)如表 4 所示。表中，ramdisk 為內(nèi)存空間，tffs 為構(gòu)造在 Flash 存儲器上的文件系統(tǒng)。可以看出，采用 UXP 協(xié)議后傳輸速率比采用 FTP 協(xié)議的快。

　　4 結(jié)語

　　針對現(xiàn)階段車載設(shè)備在故障信息傳輸過程中存在的協(xié)議安全機(jī)制不夠完善和傳輸性能有待提升且各設(shè)備使用協(xié)議不統(tǒng)一的問題，本文制定了一套設(shè)備通用信息交互協(xié)議 UXP。該協(xié)議通過制定嚴(yán)格的安全控制等級、動態(tài)加密手段、多種文件傳輸模式以及高效的傳輸機(jī)制，保證了協(xié)議傳輸?shù)目煽啃院透咝�性。設(shè)備測試及現(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)果表明，該協(xié)議能夠保證各類不同設(shè)備使用統(tǒng)一接口并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全高效傳輸。目前該協(xié)議還存在一定的改進(jìn)空間，如協(xié)議在多個平臺下的推廣應(yīng)用、設(shè)備協(xié)議的進(jìn)一步簡統(tǒng)化等，這將在后續(xù)的工作中逐漸完善，以進(jìn)一步推廣該協(xié)議的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　《軌道交通車載設(shè)備通用信息交互協(xié)議的設(shè)計(jì)》來源：《控制與信息技術(shù)》，作者：王  磊，郝  波，黃  鋮，曾高平，畢文一