基于IPv6的铁路多媒体调度通信系统方案研究

2022-09-22李玮琪杨家田

铁路通信信号工程技术 2022年9期

李玮琪，杨家田，孙强

(1.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；2.中国铁路上海局集团有限公司合肥电务段，合肥 230011）

随着铁路行业高速发展、现代通信及信息技术不断提高，铁路调度通信系统作为列车安全、准时、高效运行的保障，正朝着数字化、智能化的趋势发展[1]，面临着更高的要求。铁路调度通信系统是铁路运输的核心，承载着列车、货运、客运、供电等调度的统筹管理任务[2]，行车相关调度人员可以通过铁路调度通信系统实现语音沟通和业务下发。国内高铁运行速率和发车班次的大幅提升，为铁路调度通信系统带来了大量调度任务，推动着铁路调度通信系统的升级，铁路多媒体调度通信系统应运而生。

1 铁路调度通信系统现状

铁路调度通信系统是铁路运输指挥的重要基础设施，是中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）、铁路局、铁路车站和站段指挥运输生产联络用的专用通信系统[3]。铁路有线调度通信系统作为既有的铁路调度通信系统，由计划调度、列车运行调度、货运调度、客运调度、供电调度、机车调度、安全监控调度等11个子系统构成[4]。系统组网如图1所示[5]。

图1 铁路有线调度通信系统组网示意Fig.1 Schematic diagram of railway wired dispatching communication system networking

铁路有线调度通信系统自上而下分为3级：第一级为一级调度中心，位于国铁集团，包括数调主系统、调度台、调度分机和网管终端，用于指挥各铁路局和专业运输公司完成运输生产经营任务；第二级为二级调度中心，位于铁路局调度所，包括数调主系统、调度台、调度分机和网管终端，用于指挥铁路局管内运输生产单位完成运输生产经营任务；第三级为车站（段）内调度中心，包括调度分系统、调度分机和值班台，用于指挥本站区作业人员完成运输生产经营任务。

随着通信技术、视频业务的发展，单纯的语音、数据通信已不能满足铁路的调度作业需求，铁路调度对于可视化的需求越来越大，对于安全性、可靠性的要求也在不断增多。作为铁路有线调度通信系统的升级，铁路多媒体调度通信系统具备语音通信、视频通信、数据通信、可视化位置服务、多媒体会议、图像及语音识别、与其他业务应用系统互联互通等功能，满足时代发展的需求。

2 铁路多媒体调度通信系统介绍

铁路数据通信网是铁路多媒体调度通信系统的承载网，当前其设备使用的IPv4协议，存在IP地址资源不足、服务质量控制不足的问题，正在逐步向IPv6过渡。顺应承载网的发展，铁路多媒体调度通信系统直接使用IPv6协议，给后续的发展提供足够的空间，大大提升了业务承载能力。

2.1 铁路多媒体调度通信系统架构

铁路多媒体调度通信系统部署为国铁集团、铁路局集团公司两级。系统架构如图2所示。

图2 铁路多媒体调度通信系统架构Fig.2 Architecture of railway multimedia dispatching communication system

国铁集团多媒体调度通信系统主要由中心设备、安全设备、网管及终端组成，实现干线多媒体调度台，国铁集团多媒体话机、IP话机等终端的多媒体业务功能。

各铁路局集团公司多媒体调度通信系统主要由中心设备、安全设备、本地功能单元、远端接入模块、网管和终端组成，实现铁路局集团公司管内多媒体调度台、多媒体话机、IP话机、模拟话机等终端的多媒体业务功能。

铁路多媒体调度通信系统与GSM-R[6]、铁路5G专网、铁路有线调度通信、铁路地理信息、综合视频监控等通信系统及相关专业业务应用系统互联，可以实现铁路多媒体业务应用的转发与通信。

2.2 铁路多媒体调度通信系统的IPv6地址划分方案

铁路多媒体调度通信系统使用IPv6协议，IPv6地址长128位，分为网络前缀、子网ID和主机ID 3段，如图3所示。网络前缀共32位，为固定值FD00::/32。子网ID共32位，分为4个级别的标识。主机ID共64位。

图3 铁路多媒体调度系统IPv6地址划分Fig.3 IPv6 address division of railway multimedia dispatching system

铁路多媒体调度通信系统IPv6地址中子网ID和主机ID的划分方式如下。

1）子网ID中，一级标识区分所属网络，铁路多媒体调度通信系统属于数据通信网，本级标识为0101（二进制）。

2）子网ID中，二级标识区分所属区域，如国铁集团本机标识为00000000（二进制）。

3）子网ID中，三级标识为00010000-00011111（二进制），三级标识的前4位固定，代表铁路多媒体调度通信系统，后4位用来标识业务类型，如表1所示。

表1 三级标识前两位Tab.1 The first two digits of level 3 identifier

4）子网ID中，三级标识为000000000000-111111111111（二进制），对于国铁集团和路局放置的中心设备和多媒体调度设备，该级标识为000000000000（二进制），对于车站的本地功能单元和多媒体调度设备，该级标识为000000000001-11111111111（二进制）。该分配方式可支持每个路局下最多4 095个车站，完全满足当前需求。

5）主机ID用于标识铁路多媒体调度通信系统中的设备，采用手工配置静态地址。

3 铁路多媒体调度通信系统部署方案

铁路多媒体调度通信系统是铁路有线调度通信系统的升级，在系统构建时，制定两种方案。方案1是改造铁路有线调度通信系统的设备，保留原有的电路交换功能，增加分组交换功能，并根据业务需要新增多媒体调度台。方案2是不考虑铁路有线调度通信系统，新建铁路多媒体调度通信系统，将铁路有线调度通信系统作为外部系统接入到铁路多媒体调度通信系统。

随着IPv6应用范围的逐步扩大，铁路多媒体调度通信系统的外部系统也正在进行从IPv4向IPv6升级，为适应外部系统的发展，制定与外部系统的互通方案。

3.1 方案1：改造铁路有线调度通信系统

方案1是改造铁路有线调度通信系统，使主系统同时具有电路交换和分组交换的功能，调度台具备2 M、以太网双接口。原有模拟设备采用2M电路进行数据传输，通过网关接入以太网交换机。改造顺序如下。

1）改造试点路局

选取特定路局作为试点，升级数调主系统兼容电路交换和分组交换功能，升级原有的调度台具备以太网接口。

2）改造试点车站

选取部分车站作为试点，升级数调分系统兼容电路交换和分组交换功能，升级原有的调度台具备以太网接口。

3）改造试点路局剩余车站

当试点路局、试点车站通过多媒体调度功能完整性测试后，为试点路局剩余车站升级数调分系统和原有的调度台。

4）改造国铁集团系统

当完成试点路局改造之后，升级国铁集团数调主系统和原有的调度台。

5）改造剩余路局及其车站

升级剩余路局的数调主系统和原有的调度台，升级剩余车站的数调分系统和原有的调度台。

6）改造后的系统结构

改造铁路有线调度通信系统，需要采用双平台系统的方案。双平台系统包括电路交换核心和软交换核心，由网管系统统一管理双平台上的业务和终端用户，跨平台的专用调度台在两个平台上具有相同的号码，能自动选择呼出路由并能在单平台故障时自动切换。系统支持同时接入5G-R区段和GSM-R区段，同样支持综合视频监控系统、铁路通信地理信息系统、防灾系统等的接入，共同完成视频调用、列车可视化调度、灾害上报等功能。

改造后的铁路多媒体调度通信系统结构如图4所示。

图4 方案1系统结构Fig.4 System structure diagram of scheme 1

3.2 方案2：新建铁路多媒体调度通信系统

方案2是部署支持IPv6的中心设备、本地功能单元和多媒体调度设备，新建铁路多媒体调度通信系统，新建顺序参考方案1。

由于新建铁路多媒体调度通信系统将铁路有线调度通信系统作为外部系统，所以在部署设备时无需考虑铁路有线调度通信系统，选取支持IP协议的单核心系统。

单核心系统包括核心交换服务器、管理服务器、录音录像服务器、调度业务服务器、媒体资源服务器等，支持多媒体调度台、各类SIP终端和综合接入网关的直接接入。通过与MCX服务器的连接完成有线、无线一体化，通过中继网关可以和铁路有线调度通信系统连接，系统还可支持综合视频监控系统、铁路通信地理信息系统、防灾系统等的接入，共同完成视频调用、列车可视化调度、灾害上报等功能。

改造后的路局系统结构如图5所示。

图5 方案2系统结构Fig.5 System structure diagram of scheme 2

两种方案各有优势，方案1的优势是改造范围小、成本相对较低，方案2的优势是系统是全新构建，后期改造升级更为简单。综合考虑方案1和方案2的利弊，为实现节约成本、快速改造的目的，选取方案1。

3.3 外部互通方案

铁路多媒体调度通信系统作为铁路各类专业作业的调度通信系统，通过借助外部系统可以更好的完成调度任务。对于采用2M接口的外部系统，如铁路干线调度通信系统、铁路有线调度通信系统、GSM-R系统等，使用TDM网关接入到中心设备。对于正在从IPv4向IPv6过渡的外部系统，存在IPv4和IPv6两种设备，因此需要考虑外部IPv4设备与内部IPv6设备的互通问题。IPv4与IPv6的互通技术主要包括双栈技术、隧道技术，以及网络地址转换（Network Address Translation，NAT）技术。

1）双栈技术

双栈技术是使IPv6网络节点具有一个IPv4栈和一个IPv6栈[7]，同时支持IPv4和IPv6协议。IPv6和IPv4是功能相近的网络层协议，两者都应用于相同的物理平台，并承载相同的传输层协议，即TCP或UDP。

2）隧道技术

隧道技术是必要时将IPv6数据包作为数据封装在IPv4数据包里，使IPv6数据包能在已有的IPv4基础设施（主要是指IPv4路由器）上传输的技术[8]。

3）NAT技术

NAT技术是将IPv4地址和IPv6地址分别看作内部地址和全局地址，或者相反，即在两种网络的边界，如路由器等网络设备上，进行两种协议的转换及翻译[9]。

相比双栈技术，采用NAT技术实现IPv4与IPv6互通的优点是不需要进行IPv4、IPv6节点的改造，而隧道技术更适用于多个孤立IPv6网络互通的场景，因此铁路多媒体调度通信系统采用NAT技术实现IPv4与IPv6网络互联。通过在外部系统接口处部署DNS64和NAT64服务器，完成IPv4与IPv6之间的地址转换，实现铁路多媒体调度通信系统与外部系统的互通。

4 铁路多媒体调度通信系统的安全运维

铁路多媒体调度通信系统使用IPv6协议，形成IPv6网络。IPv6网络运维有以下3个要求：快速解决故障、主动预防问题和网络日常管理。

可视化IP运维技术是一种自动化的智能运维技术，通过网络高精地图，实现全网路况实时可视、网络拥塞和链路状态可视、网络时延拓扑可视、网络性能可视。它的提出可以解决IPv6网络运维中的难题，满足IPv6网络运维的3个要求。将可视化IP运维技术应用在铁路多媒体调度通信系统中，可以在多媒体调度台显示语音、视频通话质量，实现路由和网络性能可视，更好的排除故障隐患。

铁路多媒体调度通信系统的网管具有配置、性能、故障、安全管理的功能，实现对多媒体调度通信系统设备、终端和业务的管理，在系统运维中起到主要作用。安全设备提供多媒体调度通信系统内部、外部网络的隔离、网络行为分析与攻击防范、网络安全预警报警和审计、系统安全补丁管理、终端安全管控等功能。

多媒体调度台能够提供语音、视频、数据等各类通用多媒体调度通信功能，作为铁路多媒体调度通信系统的核心终端，为了系统安全，多媒体调度台具有2M和以太网两个接口，两个接口互为备份。多媒体调度台的2M接口通过远端接入模块与本地功能单元和铁路数据通信网相连，远端接入模块作为多媒体调度台与外界的隔离，是系统的安全保障。