基于VRTX操作系統實(shí)現V5接口協(xié)議

關(guān)鍵詞：接入網(wǎng) V5接口 實(shí)時(shí)操作系統 本地交換機

引言

　　接入網(wǎng)的概念是由傳統的用戶(hù)線(xiàn)發(fā)展起來(lái)的。近年來(lái)，由于電話(huà)業(yè)務(wù)的發(fā)展、新業(yè)務(wù)種類(lèi)的增多、對線(xiàn)路帶寬要求的提高以及各種新興技術(shù)（特別是光纖通信技術(shù)）的發(fā)展，使得傳統的用戶(hù)線(xiàn)的概念逐漸發(fā)展成為接入網(wǎng)的概念。前幾年，國際電信聯(lián)盟（ITU）正式定義了用戶(hù)接入網(wǎng)。引入接入網(wǎng)后，現有的電信網(wǎng)將減少端局數量，簡(jiǎn)化中繼網(wǎng)的復雜程度，有利于中繼網(wǎng)的管理。

　　接入網(wǎng)所覆蓋的范圍可以由三類(lèi)接口來(lái)界定，如圖1所示。接口的標準化、綜合性直接影響到接入網(wǎng)的建設成本及接入網(wǎng)能承載的業(yè)務(wù)能力，為此，ITU-T綜合考慮各種需要，終于通過(guò)了關(guān)于接入網(wǎng)和本地交換機之間標準化的V5.1和V5.2接口的建議[1,2]。

　　V5接口是一種在接入網(wǎng)中適用范圍廣、標準化程度高的新型開(kāi)放的數字接口，對于設備的開(kāi)發(fā)應用、多種業(yè)務(wù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò )的更新起著(zhù)重要的作用。V5接口的標準化代表了重要的網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)方向，影響深遠。其意義在于交換機通過(guò)此接口可以支持多種類(lèi)型的用戶(hù)接入，而且V5接口的開(kāi)放性意味著(zhù)交換機和接入網(wǎng)的技術(shù)和業(yè)務(wù)演進(jìn)完全獨立開(kāi)來(lái)。接入網(wǎng)的發(fā)展可以不受交換機的限制，使得接入網(wǎng)市場(chǎng)完全開(kāi)放。

一、V5接口協(xié)議結構

　　窄帶V5接口包括V5.1和V5.2接口。V5.1接口由1條2048Kb/s鏈路構成，通過(guò)時(shí)隙傳遞公共控制信號，支持模擬電話(huà)接入，基于64Kb/s的綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)基本接入（2B＋D）和用于半永久連接的、不加帶外信令信息的其他模擬接入和數字接入。這些接入類(lèi)型都具有指配的承載通路分配，即用戶(hù)端口與V5.1接口內承載通路有固定的對應關(guān)系。V5.2接口按需要可以由1~16個(gè)2048Kb/s鏈路構成，除支持V5.1接口的業(yè)務(wù)外，還支持ISDN PRI（30B＋D）接入，其基于呼叫的時(shí)隙分配使得V5.2接口具有集中功能。V5.1接口是V5.2接口的子集，V5.1接口應當能夠升級到V5.2接口。

　　V5接口協(xié)議由3層組成，接入網(wǎng)側和本地交換機側呈不對稱(chēng)布置，層與層之間的信息傳遞采用原語(yǔ)實(shí)現，而同層子層間的信息傳遞則采用映射。

　　V5接口物理層由1~16條2048Kb/s的鏈路構成，電氣和物理特性符合G.703建議，幀結構符合G.704/G.706建議。每幀由32個(gè)時(shí)隙組成，其中：時(shí)隙TS0用作幀定位和CRC-4規程；時(shí)隙TS15、TS16和TS31可以用作通信通路(C通路)，運載信令信息和控制信息，通過(guò)指配來(lái)分配；其余時(shí)隙可用作承載通路。

　　V5接口的數據鏈路層僅對于C通路而言。第二層協(xié)議(LAPV5)規范以建議Q.921中規定的LAPD協(xié)議和規程為基礎，允許將不同的信息流靈活地復用到C通路上去。第二層協(xié)議分為兩個(gè)子層：封裝功能子層(LAPV5-EF)和數據鏈路子層(LAPV5-DL)。此外，第二層功能中還應包括幀中繼功能(AN-FR)。

　　V5接口的第三層協(xié)議簇包括PSTN協(xié)議、控制協(xié)議、鏈路控制協(xié)議、BCC協(xié)議和保護協(xié)議（后三種協(xié)議為V5.2接口特有）。PSTN協(xié)議負責處理與PSTN業(yè)務(wù)有關(guān)的信令；控制協(xié)議負責用戶(hù)端口狀態(tài)指示與控制，協(xié)調兩側在網(wǎng)管控制下的數據指配；鏈路控制協(xié)議負責協(xié)調和控制AN、LE兩側的鏈路阻塞、鏈路解除阻塞和鏈路標識功能；BCC協(xié)議用來(lái)把一特定2048Kb/s鏈路上的承載通路基于呼叫分配給用戶(hù)端口；保護協(xié)議提供V5.2接口在出現故障時(shí)通信路徑切換的保護功能。

　　如圖2所示，當第三層協(xié)議有信令信息需要發(fā)送時(shí)，通過(guò)數據鏈路子層（LAPV5-DL），請求封裝功能子層（LAPV5-EF），用給定的封裝功能地址傳送數據鏈路子層端到端數據。

二、V5接口的實(shí)現

　　筆者曾參與IDS2000綜合數字通信系統（接入網(wǎng)側）V5.2接口的開(kāi)放研制工作。IDS2000綜合數字通信系統是電力自動(dòng)化研究院為了滿(mǎn)足電力通信網(wǎng)發(fā)展的需要而開(kāi)發(fā)的一種綜合接入設備。該設備具備V5接口，使得IDS2000系統可以很方便地通過(guò)開(kāi)放接口和大型交換設備互連，取代了原先接入大型交換設備時(shí)所用的音頻Z接口或專(zhuān)用接口。

V5接口協(xié)議分3層結構。物理層和數據鏈路層部分功能由硬件實(shí)現，這在超大規模集成電路飛速發(fā)展的今天，難度已不是太大。Mitel公司生產(chǎn)的大規模E1接口芯片MT9075就是一種很合適的芯片[3]。MT9075是一種單E1接口，綜合了成幀器和LIU。重要特性包括數據鏈路接入、告警、中斷、環(huán)回和診斷，并內嵌了兩個(gè)HDLC控制器（MT8952），特別適用在V5接口（封裝功能子層功能和HDLC協(xié)議類(lèi)似）。

　　V5接口的第三層協(xié)議包含內容較多，由軟件實(shí)現。本文主要結合嵌入式系統編程來(lái)介紹V5接口的第三層軟件結構，對于協(xié)議細節的實(shí)現不多贅述。

1.實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統[4]

　　目前，嵌入式應用領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展傾向是采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統RTOS（Real Time Operating System）。RTOS的廣泛使用與應用的復雜化有關(guān)。過(guò)去1個(gè)單片機應用程序所控制的外設和履行的任務(wù)不多，采取1個(gè)主循環(huán)和幾個(gè)順序調用的子程序模塊即可滿(mǎn)足要求；但現在1個(gè)嵌入式控制系統可能要同時(shí)控制/監視很多外設，要求實(shí)時(shí)響應，有很多處理任務(wù)，各個(gè)任務(wù)之間有很多信息傳遞，如果仍采用原來(lái)的方法，存在兩個(gè)問(wèn)題：一是中斷可能得不到及時(shí)響應，處理時(shí)間過(guò)長(cháng)；二是系統任務(wù)多，要考慮的各種可能也多，各種資源若調度不當就會(huì )造成死鎖，降低軟件可靠性，程序編寫(xiě)任務(wù)量成指數增加。正是這種情況的出現，推動(dòng)著(zhù)RTOS的應用迅速發(fā)展。

　　對于V5接口，系統軟件工作量相當大，包括5個(gè)核心協(xié)議功能的處理，須管理很多定時(shí)器，有很多用戶(hù)端口需要監視，并且要求實(shí)時(shí)處理，若采用傳統的軟件編程方法，很難實(shí)現。在IDS2000系統中，筆者采用VRTX實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統[5]作為開(kāi)發(fā)平臺，大大減輕了軟件的工作量，而采用面向對象的編程方法和事件驅動(dòng)的消息機制，使得協(xié)議程序具有高可靠性、可控、可觀(guān)測、易于維護和管理。

2.V5接口軟件框圖

如圖3所示，V5接口軟件主要包括：

（1） 數據鏈路層模塊（僅包括數據鏈路子層功能，封裝功能子層由硬件板完成）；

（2） PSTN協(xié)議處理模塊；

（3） 控制協(xié)議處理模塊（包括用戶(hù)端口狀態(tài)機、指配控制狀態(tài)機、公共控制狀態(tài)機）；

（4） 鏈路控制協(xié)議處理模塊（包括鏈路控制狀態(tài)機、鏈路控制L3狀態(tài)機）；

（5） BCC協(xié)議處理模塊；

（6） 保護協(xié)議模塊；

（7） V5接口A(yíng)N側系統管理模塊；

（8） V5接口A(yíng)N側資源管理模塊；

（9） 定時(shí)器管理模塊；

（10） 消息處理模塊；

（11） 用戶(hù)端口模塊；

（12） 10ms定時(shí)中斷。

　　上述模塊中，模塊1~7完成V5接口協(xié)議的核心功能。其中，數據鏈路層模塊對模塊2~7所產(chǎn)生的消息進(jìn)行處理，交由V5硬件接口板完成封裝功能，再發(fā)送給LE側實(shí)體；PSTN協(xié)議處理模塊主要功能是建立用戶(hù)端口狀態(tài)和LE側國內協(xié)議實(shí)體之間的聯(lián)系；控制協(xié)議模塊用于表示用戶(hù)端口狀態(tài)指示與控制，還和系統啟動(dòng)、重新啟動(dòng)、指配有關(guān)；V5接口A(yíng)N側系統管理模塊是協(xié)議功能正常實(shí)現的重要部分，在A(yíng)N和LE中，不同的FSM之間或第二層協(xié)議實(shí)體之間沒(méi)有直接的通信，而是通過(guò)系統管理來(lái)協(xié)調V5接口各個(gè)協(xié)議實(shí)體之間的操作。另外，系統管理負責從AN或LE的各種功能模塊中接收和處理有關(guān)狀態(tài)和故障的信息。系統管理還是維護臺或網(wǎng)管系統與V5接口之間的橋梁，它負責接收維護命令，并對V5接口執行相應的操作，隨時(shí)向上層網(wǎng)管報告系統的運行狀況。

　　模塊8~12完成V5接口協(xié)議的輔助功能。其中用戶(hù)端口模塊負責用戶(hù)端口狀態(tài)掃描與控制，直接與硬件端口聯(lián)系；AN側資源管理模塊配合BCC協(xié)議處理模塊完成V5接口中BCC協(xié)議功能；消息處理模塊是為了減輕操作系統的負擔設立的，它負責協(xié)同操作系統管理各模塊的消息隊列；定時(shí)器管理模塊負責產(chǎn)生、管理系統中所需要的定時(shí)器，當定時(shí)器溢出時(shí)，發(fā)送消息至相應模塊；10ms定時(shí)中斷程序負責調度系統中需周期性運行的任務(wù)，采用“信號量”（semaphores）的通信機制完成。

3.有限狀態(tài)機

　　在上述程序模塊中，存在大量的有限狀態(tài)機（FSM），如控制協(xié)議中的用戶(hù)端口FSM、公共控制FSM、BCC協(xié)議中的承載通路連接FSM等。有限狀態(tài)機是描述通信協(xié)議過(guò)程的一般方式，是一種面向對象的描述方法，與具體實(shí)現程序無(wú)關(guān)。有限狀態(tài)機具有有限狀態(tài)集，在任意給定的時(shí)刻，必有惟一確定的狀態(tài)，在某狀態(tài)下必須依賴(lài)于外部輸入的特定消息觸發(fā)，才能引起狀態(tài)轉移或執行某種任務(wù)。

　　有限狀態(tài)機對于系統其他軟件而言相當于一個(gè)“黑匣子”。它可以接收有限的消息組，也可以發(fā)送特定的消息組，但其內部結構不為系統其他部分所知。它的功能完全由它接收和發(fā)送消息順序所決定。

　　有限狀態(tài)機的這種描述方式很適合用面向對象的方法實(shí)現。在傳統的實(shí)現方法中，狀態(tài)變量和狀態(tài)表可以在狀態(tài)機模塊外被訪(fǎng)問(wèn)，易于遭到破壞。面向對象的實(shí)現方法提供了一種更加結構化和更加直觀(guān)的FSM實(shí)現方法，更利于“數據隱藏”，而且這些優(yōu)點(diǎn)隨著(zhù)FSM規模的增大越發(fā)明顯。我們只須要定義一個(gè)FSM基類(lèi)，利用封裝、繼承和多態(tài)性的特點(diǎn)，就很容易從先前定義的基類(lèi)中派生出所需要的FSM，大大減少了軟件的工作量，軟件也易于維護。

4.定時(shí)器的實(shí)現機制

　　定時(shí)器對于正確實(shí)現通信協(xié)議功能有著(zhù)很重要的作用。V5接口協(xié)議中存在大量的定時(shí)器，當話(huà)務(wù)量較大時(shí)，可能有數百個(gè)定時(shí)器同時(shí)運行。定時(shí)器的設計是正確完成V5接口協(xié)議功能的一個(gè)重要部分。

　　本系統中由定時(shí)器管理進(jìn)程負責管理V5接口中所有的定時(shí)器。由于各種定時(shí)器所要求的精度各不相同，所選擇時(shí)間的長(cháng)度對各定時(shí)器進(jìn)行監視和計數累計是問(wèn)題的關(guān)鍵：時(shí)間間隔太小，影響系統運行效率；時(shí)間間隔太長(cháng)，影響定時(shí)器的精度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，系統中設定了三種不同分辨率的定時(shí)器：10ms、100ms和1s（分辨率指計數時(shí)間間隔）。

　　若某應用進(jìn)程須要使用定時(shí)器，首先要向定時(shí)器管理進(jìn)程發(fā)送一消息，消息中應包含申請定時(shí)器的分辨率、預置計數值、溢出后應發(fā)送的消息等信息。定時(shí)器管理進(jìn)程收到該消息后，根據定時(shí)器的分辨率將其放到合適的定時(shí)隊列中，啟動(dòng)定時(shí)。若定時(shí)器計數為零，則表示該定時(shí)器溢出，定時(shí)器管理進(jìn)程應向相應的應用進(jìn)程發(fā)送溢出消息，同時(shí)應釋放該定時(shí)器。應用進(jìn)程若主動(dòng)要求放棄一定時(shí)器，則應向定時(shí)器管理進(jìn)程發(fā)送一釋放定時(shí)器消息。消息中應包含所申請定時(shí)器的標號、分辨率以及溢出目標進(jìn)程、目標對象等。定時(shí)器管理進(jìn)程接收到此消息后，在合適的定時(shí)器隊列中尋找到該定時(shí)器后，將其釋放。 定時(shí)器管理進(jìn)程管理其他各應用進(jìn)程所申請的定時(shí)器。在定時(shí)器管理進(jìn)程中，有三個(gè)鏈表分別用于存放這3種不同分辨率的定時(shí)器。

定時(shí)器管理進(jìn)程完成以下一些基本功能：

（1）管理10ms、100ms和1s三種定時(shí)器鏈表。

（2）當10ms定時(shí)間隔到，應遍歷10ms定時(shí)器鏈表，完成對鏈表中各定時(shí)器的計數處理。若有定時(shí)器溢出，則向相應的進(jìn)程發(fā)送溢出消息，并從定時(shí)器鏈表中釋放該定時(shí)器。同樣，當100ms或1s的定時(shí)間隔到時(shí)，也應對100ms或1s定時(shí)器鏈表作相同處理。

（3）處理從其他進(jìn)程接收到的消息。當收到從其他進(jìn)程發(fā)送的申請定時(shí)器的消息時(shí)，應在相應分辨率的定時(shí)器鏈表中插入所申請的定時(shí)器；在接收到從其他進(jìn)程來(lái)的釋放定時(shí)器的消息后，應尋找到該定時(shí)器，并將其釋放。

5.編寫(xiě)可重入函數

　　V5接口中有大量的函數需要編寫(xiě)。和傳統的編程環(huán)境不同，本系統中，V5接口軟件運行在多任務(wù)環(huán)境上，函數的可重入性（reentrancy）顯得很重要。

　　所謂可重入函數是指一個(gè)可以被多個(gè)任務(wù)調用的過(guò)程，任務(wù)在調用時(shí)不必擔心數據是否會(huì )出錯。在編寫(xiě)函數時(shí)應盡量只使用局部變量，對于要使用的全局變量需要加以保護（如采用關(guān)中斷、信號量等措施），這樣構成的函數一定是可重入的；而編譯器是否具有可重入的庫，與它所服務(wù)的操作系統有關(guān)，如DOS下的Borland C和Microsoft C/C++等就沒(méi)有可重入函數庫，這是因為DOS是一個(gè)單用戶(hù)、單任務(wù)的操作系統。

　　為了確保每一個(gè)調用函數的任務(wù)控制自己私有變量，在一個(gè)可重入的C函數中，將這樣的變量申明為局部變量，C編譯器將這樣的變量存放在調用棧上或寄存器里。在VRTX操作系統下編寫(xiě)可重入的函數，須要遵循以下原則：

（1）將所有局部變量申明為auto或寄存器（register）類(lèi)型；

（2）盡量不要使用static或extern變量,不可避免使用全局變量時(shí),需加以保護；

（3）用VRTX庫函數sc_gblock分配大的數據結構。

三、V5接口發(fā)展的趨勢

　　從長(cháng)遠看，為了克服現有一系列SNI（業(yè)務(wù)節點(diǎn)接口）功能的限制，須要開(kāi)發(fā)附加的SNI，特別是模塊型和B-ISDN接入型SNI。目前，以ATM為基礎的VB5接口的標準化工作正在進(jìn)行。VB5參考點(diǎn)可分為VB5.1和VB5.2兩種形式。

　　ITU-T已經(jīng)通過(guò)了關(guān)于VB5參考點(diǎn)的建議，規定了VB5既支持AN與SN的直接連接，又支持 兩者的遠程連接；既支持基于A(yíng)TM的B-ISDN接入，又支持各種非ATM的接入。此外，VB5還應支持接入各種SN的接入功能，并能同時(shí)連接到多個(gè)不同的SN。有關(guān)VB5的技術(shù)框架還有待進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。