关于动态域名系统在铁路GPRS网中应用方案的研究

屈 毅

关于动态域名系统在铁路GPRS网中应用方案的研究

屈 毅

摘 要：针对铁路通信业务需求，对基于铁路GPRS网络传送的业务实现方式进行了分析;针对实际使用中存在的问题，提出了一种基于动态域名系统的GPRS网络解决方案，并对新方案的功能和实现进行了讨论。

关键词：通用无线分组服务;动态域名系统;铁路

随着我国铁路GSM-R网络的建设和使用，铁路GSM-R/GPRS网络承载的业务越来越多。在国际上，中国铁路率先将 GPRS网络应用在铁路GSM-R中，并实现了列车调度命令、列车无线车次号校核等信息的传送。GSM-R/GPRS网络承载的多种铁路信息业务是我国铁路通信技术的创新点，它将移动通信、IP技术、移动IP等通信领域内的先进技术与铁路信息化需求紧密结合，为铁路运输生产和调度指挥提供了可靠保证，为铁路信息化发展发挥了重要作用。

1 铁路GPRS业务模型分析

铁路GPRS网络承载的专用通信业务与公众GPRS网络承载的通信业务不同，有以下几个显著特点：①大量信息业务是由GPRS网络侧 (即地面服务器)发起，而不是由GPRS终端侧发起;②铁路GPRS业务多数是通过机车号等信息对GPRS终端域名进行访问，并实现铁路信息系统车-地间信息传送，而不是直接通过终端IP地址进行访问;③我国铁路存在大量长交路运行机车，运行机车按调度管辖范围发送或接收当地调度指挥信息，即多数运行机车与归属局直接通信需求较少，与机车当前行使所在地铁路局通信需求较多;④GPRS网络承载了行车信息，有更高的安全要求。

为满足铁路专用通信业务的特殊要求，铁路GPRS网络及终端需在以下方面优化：①GPRS网络侧要具有准确解析GPRS终端 IP地址功能;②GPRS终端的IP地址应与其域名实时对应;③为减少网络负荷，GPRS终端应尽量使用本地GPRS网络;④网络及终端都应有冗余能力。

2 既有GPRS网络寻址策略问题分析

2.1 GPRS终端PDP激活流程

为了以最简单方式实现网络侧对终端IP地址的掌握，铁路GPRS网络目前是以动态IP地址固定分配方式对GPRS终端IP地址进行分配。即当终端信息 (如机车号)固定时，虽然GPRS终端每次开机都向GPRS网络申请IP地址，但都是得到同一个IP地址 (由远端拨入用户验证服务器 (RADIUS)根据终端信息分配)。同时在GPRS网络中配置了域名服务器 (DNS)，并在DNS制作GPRS终端信息构成的域名及与其对应IP地址的解析数据。当业务系统发起对GPRS终端用户通信时，由DNS设备提供GPRS终端地址解析。

由于GPRS终端总是使用同样的IP地址，要求GPRS终端始终使用归属铁路局的GGSN(网关GPRS支持节点)。即GPRS终端在任何SGSN下，总是使用特定的APN(接入点名称)，DNS解析APN并通过该APN路由至归属GGSN上，完成GPRS终端PDP激活。

针对铁路业务模型，此种地址分配及寻址方案可以最简单地实现网络侧发起数据发送业务，即GPRS终端使用同样的APN、用户名+密码，在固定的GGSN上完成PDP激活，得到同一个IP地址。DNS中该GPRS终端的域名与IP地址的对应关系也是固定的。

2.2 铁路业务系统信息传送流程

当网络侧发起通信流程时，铁路业务系统服务器将包含GPRS终端设备编号 (如机车号)的信息发送到GPRS网络接口服务器设备 (GRIS)，GRIS根据终端设备编号构造域名向DNS发起解析查询请求，DNS根据前期制作的域名解析数据将GPRS终端IP地址返回GRIS，GRIS根据该GPRS终端IP地址将业务消息发送到终端。

2.3 既有GSM-R/GPRS网络寻址及业务传送问题

1．由于使用固定IP方式，RADIUS、DNS中存储所有GPRS终端所需IP地址及其与机车号等信息的对应关系，造成RADIUS、DNS中需维护大量的静态数据。

2．GPRS终端PDP激活流程及铁路业务信息传递，发生在当前SGSN、归属GGSN和当前GRIS间;铁路运输存在大量的长大交路运行机车，都需要信息流在当前网络和归属网络间往返一次，造成网络负荷增大和传输损耗增大。

3．不同GPRS终端使用同一用户名获取同一IP的策略存在以下问题：在已有GPRS终端使用某一IP后，后来GPRS终端使用相同用户名+密码试图完成PDP激活时，如果GPRS网络允许后续GPRS终端抢占前面GPRS终端正在使用的IP地址，则前面GPRS终端用户的稳定性会受到误操作用户的影响，存在通信中断隐患;如果GPRS网络不允许后续GPRS终端抢占前面已经获取的IP地址，在主用GPRS终端故障而无法进行PDP去激活操作时，则备用GPRS终端就无法通过正确终端域名上线，即GPRS终端冗余机制无法实现。

4．同类业务使用不同的归属GGSN，即网络中需分配多个APN，造成GPRS网络数据复杂。

3 基于动态域名系统的GPRS网络方案

DDNS(动态域名系统)主要是为了解决GPRS终端域名和动态IP地址之间的绑定问题。当GPRS终端使用不同的IP登录时，DDNS将GPRS终端用户IP地址的变化动态地映射到相应的DDNS服务器中，进行及时的自动更新，从而保证GPRS终端用户能够被正确寻址。GPRS终端用户可以根据自己的需求选择合适的铁路业务系统平台、数据库平台和站点运营模式，并由此获得IP地址使用最大限度的自主性。

3.1 网络组成

基于动态域名系统的 GPRS网络由 DDNS、RADIUS+(增强型远端拨入用户验证服务器)和GRIS+(增强型GPRS接口服务器)三部分构成。

1．DDNS是动态域名服务器。相比目前使用的DNS，增加了动态域名注册、动态域名注销和支持多IP域名查询功能，是整个动态域名系统的核心设备。

2．RADIUS+是增强型RADIUS。相比RADIUS功能，首先增加了对已分配IP地址的认证用户进行动态域名注册的功能，注册域名为该用户名对应域名;其次增加了具有对下线用户进行动态域名注销功能;第三增加了监控在线用户状态，对异常下线用户进行离线操作，并进行动态域名注销;第四增加了DHCP(动态主机配置协议)功能，实现动态分配GPRS终端IP地址。

3．GRIS+是增强型GRIS。相比GRIS功能，增加了对多IP的域名查询功能，同时可根据得到的IP地址个数，将需要向该域名发送的铁路系统业务数据复制多份，向每个IP地址发送一份。

3.2 GPRS终端用户PDP激活流程

在基于动态域名系统的GPRS网络中，GPRS终端仍正常使用标准的PDP激活流程。将APN、用户名、密码发送至网络，GPRS终端所在SGSN收到激活请求后，分析APN数据，将PDP激活请求发送到本地GGSN，本地GGSN将请求中的用户名密码发送到RADIUS+，进行GPRS终端IP地址请求。

RADIUS+根据用户名+密码对请求进行鉴权认证，合法后分配一个动态IP，同时根据该用户名构造一个终端域名，与刚分配的IP地址一起构成一条域名解析数据，向DDNS进行动态域名注册。DDNS接收该域名解析数据注册后，向RADIUS+返回注册成功消息，RADIUS+根据注册成功响应向GGSN返回IP地址分配响应，GGSN向终端返回动态分配的IP地址，终端完成PDP激活流程。其中一个重要的环节是DDNS可接受同一域名下多个IP地址的注册。

3.3 网络侧发起的下行数据发送流程

当铁路系统业务服务器从网络侧发起的下行数据发送时，先将信息发送到GRIS+设备，信息中含有GPRS终端的设备编号标识 (如机车号等，以下以机车号为例说明)。GRIS+根据收到信息中的机车号消息构造GPRS终端设备域名，并向DDNS发起该域名的解析查询，DDNS响应该域名解析查询，返回该域名下对应的全部IP地址。GRIS+根据返回的IP地址，将从铁路系统业务服务器处得到的消息重新封装为目的地址为解析结果IP的数据包，发送至对应的GGSN，并经 SGSN发送至GPRS终端。

4 基于DDNS的GPRS网络优势

1．灵活的GPRS终端数据配置，减少了维护工作量。基于动态域名系统实现的铁路GPRS业务的第一个变化就是灵活的终端配置。GPRS终端只需获取合法的用户名/密码，得到IP地址就可以进行通信。网络侧仅在RADIUS+设备中配置用于进行用户身份鉴权认证的静态数据 (如用户名+密码)，而无需在DDNS中配置该IP地址所对应的域名 (域名解析数据为自动生成)。

2．使用本地 (最近)的GGSN，减少了网络负荷。基于动态域名系统的GPRS网络终端，由于无需使用指定的IP地址，因此可以使用当前GGSN设备，避免了现有网络中必须使用归属GGSN完成PDP激活的要求，极大地降低了GPRS终端激活和铁路GPRS业务数据在当前SGSN、归属GGSN、以及当前GRIS之间的传输损耗。同时，由于使用了本地GGSN，同种业务的GPRS终端完全可以使用同一APN，SGSN均将该APN指向本地GGSN，简化了终端、SIM卡用户的APN设置，同时减少了SGSN对DNS的查询。

3．实现了GPRS终端的冗余保护功能。由于铁路通信的特殊性，对GPRS终端设备的冗余性要求高。目前在用GPRS终端的冗余问题一直是铁路通信的难题。使用基于动态域名系统的GPRS网络后，由于允许一次域名解析请求可以将该域名所对应的多个IP地址一次返回，GRIS+可向DDNS发送终端域名解析获取终端全部IP地址，并向全部IP地址发送消息。通过此方式，可以简单而有效地解决终端冗余问题，即备用终端判断主用终端故障后，可再次向网络发起PDP激活，在DDNS中主用终端的域名下再次添加一个域名解析IP，网络侧向该终端域名发送数据时，GRIS+可从DDNS中获取2个地址，同时向故障的主用终端及正常的备用终端发送数据，备用终端就可以接收数据，实现终端的冗余功能。

4．有效地防止了GPRS终端的IP地址抢占问题。目前铁路GPRS应用中有一个问题，如果终端错误输入了“用户名+密码”，会影响已通过该“用户名+密码”正常获取IP地址的在线GPRS终端使用;或者是有用户错误输入了“用户名+密码”，获取了不应属于自己的IP地址，当该IP对应的终端需要使用时，却无法获取IP不能正常工作。基于动态域名系统由于用户地址为随机分配，即使用相同用户信息申请IP地址，也会得到不同IP地址，可以实现多个终端同时使用不同IP地址共享一个域名，而网络侧向该域名下所有终端发送数据不会出现IP地址抢占问题，而且终端始终可以接收到数据。

5．解决了网络侧对GPRS终端在线状态的监测。目前，铁路GPRS业务系统在向终端发送下行数据时不知道终端是否在线正常工作，只有在业务层面上当终端收到业务服务器发送的消息后，才向业务服务器发送一个确认消息。基于动态域名的GPRS系统，由于域名在DDNS中的记录是动态的，当用户不在线时，DDNS中也没有该域名。当GRIS+向DDNS解析该终端的域名时，如果所得结果为空 (查询不到该域名)，即可知该用户的状态为不在线。

5 基于动态域名系统的GSM-R/GPRS网络关键技术

基于动态域名系统的GPRS网络对业务实现和维护管理具有优势，但目前GPRS网络应用方式还是一个相对复杂的系统。

5.1 动态域名注册不成功的处理

由于动态域名系统是映射在用GPRS终端域名与IP的实时对应关系，故首先要考虑DDNS中动态域名注册不成功时的处理方式。为了保证凡是获取了IP地址的终端用户都有域名，动态域名注册不成功的处理解决有以下2种方案。

方案一，在RADIUS+中要求先接收到该域名在DDNS中注册成功的响应消息，才能向GGSN返回IP地址。

方案二，为减少GPRS终端 PDP激活时间，RADIUS+也可先向 GGSN返回 IP地址，再向DDNS中注册域名。如果域名注册失败，由RADIUS+再向GGSN发起用户的PDP去激活操作。

虽然方案二可减少PDP激活时间，但对RADIUS+与GGSN的接口要求较高，推荐使用方案一。

5.2 GPRS终端下线后动态域名的实时删除

GPRS终端下线后的动态域名的删除有以下2种方案。

方案一，RADIUS+收到计费结束消息或连续收不到计费消息时，判断GPRS终端用户已离线，RADIUS+向DDSN发送域名注销消息，由DDNS负责删除对应域名解析数据。

方案二，由DDNS主动向RADIUS+发起用户状态定时检查信息，当RADIUS+收到计费结束消息或连续收不到计费消息，判断GPRS终端用户已离线时，返回GPRS终端用户不在线消息，DDNS删除对应域名下的IP地址。

由于GPRS终端用户实时性检查是由RADIUS+来实现，为减少网络负担推荐使用方案一。

5.3 GPRS终端的接收信息校验

对于基于动态域名系统的GPRS网络，可能的问题就是多个用户共用一个域名，各自使用独立IP地址，原因可能是主、备冗余终端，也可能是其他终端使用错误用户名导致的域名误占用。这就要求各业务GPRS终端在业务层协议中要增加校验信息，用来验证所接收的信息是否是给本终端的。目前铁路广泛使用的调度命令/进路预告消息，终端可使用配属机车的机车号消息构成域名，在网络中实现对应的IP地址寻址，同时在调度命令/进路预告消息中使用车次号。当A终端误使用B机车号信息获取了IP地址时，网络侧正常发送给B机车的调度命令/进路预告消息就会发送给A终端，A终端必须能够知道该条信息是错误发送给自己的。即GPRS终端必须进行业务层的校验，当GPRS终端验证接收到非本车的业务信息时，可进行丢弃处理。这一点需要在业务层协议设计时特别注意。

随着铁路GPRS业务的进一步发展和网络维护管理需要，铁路GPRS网络固定分配IP地址的使用方式将不能满足全部业务需求，为更好地为铁路各专业信息系统提供承载服务，目前铁路GPRS网络域名解析及终端IP地址寻址方案还需进一步优化，可以看出，基于动态域名系统在铁路GPRS网络上应用，能够很好地解决目前GPRS应用上存在的许多问题，但该方案的实现还存在部分技术细节问题有待解决，同时还需要铁路业务系统及GPRS终端相互配合，如果投入使用还需进行大量的测试验证工作。

［1］中华人民共和国铁道部科技司.科技运［2010］14号.GSM-R数字移动通信通用分组无线业务(GPRS)系统技术条件(暂行)［S］.2010：P4－P16.

［2］中华人民共和国铁道部科技司.科技运［2007］98号.GSM-R数字移动通信应用技术条件.第二分册：列车无线车次号校核信息传送系统(V1.0)》［S］.2007：P8－P14.

［3］中华人民共和国铁道部科技司.科技运［2007］98号.GSM-R数字移动通信应用技术条件.第三册：调度命令信息无线传送系统(V1.0)［S］.2007：P8－P28.

［4］RFC2136，Dynamic Updates in the Domain Name System(DNS UPDATE)［S］.1997.

Abstract:In this paper we analyze the realization of transmission services based on the GPRS network in terms of the demands for railway communication services．As for the actual issues in practical applications，we proposed a GPRS network solution based on dynamic domain name system and discussed its functions and realization．

Key words:General Packet Radio Service;Dynamic Domain Name System;Railway

屈 毅：北京铁路通信技术中心 高级工程师 10038 北京

2012-11-23

(责任编辑：诸 红)