基于VRTX操作系統(tǒng)實現(xiàn)V5接口協(xié)議

1、    基于VRTX操作系統(tǒng)實現(xiàn)V5接口協(xié)議摘要：V5接口是接入網(wǎng)(AN)和本地交換機(LE)之間標準化的開放接口。本文首先簡要介紹V5接口協(xié)議結構，然后給出IDS2000綜合數(shù)字通信系統(tǒng)中V5接口的實現(xiàn)方法；著重介紹第三層協(xié)議的軟件實現(xiàn)方法，并對嵌入式系統(tǒng)編程進行一些探討。關鍵詞：接入網(wǎng)V5接口實時操作系統(tǒng)本地交換機引言接入網(wǎng)的概念是由傳統(tǒng)的用戶線發(fā)展起來的。近年來，由于電話業(yè)務的發(fā)展、新業(yè)務種類的增多、對線路帶寬要求的提高以及各種新興技術（特別是光纖通信技術摘要：V5接口是接入網(wǎng)(AN)和本地交換機(LE)之間標準化的開放接口。本文首先簡要介紹V5接

2、口協(xié)議結構，然后給出IDS2000綜合數(shù)字通信系統(tǒng)中V5接口的實現(xiàn)方法；著重介紹第三層協(xié)議的軟件實現(xiàn)方法，并對嵌入式系統(tǒng)編程進行一些探討。    關鍵詞：接入網(wǎng) V5接口 實時操作系統(tǒng) 本地交換機引言接入網(wǎng)的概念是由傳統(tǒng)的用戶線發(fā)展起來的。近年來，由于電話業(yè)務的發(fā)展、新業(yè)務種類的增多、對線路帶寬要求的提高以及各種新興技術（特別是光纖通信技術）的發(fā)展，使得傳統(tǒng)的用戶線的概念逐漸發(fā)展成為接入網(wǎng)的概念。前幾年，國際電信聯(lián)盟（ITU）正式定義了用戶接入網(wǎng)。引入接入網(wǎng)后，現(xiàn)有的電信網(wǎng)將減少端局數(shù)量，簡化中繼網(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接口來

3、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)務能力，為此，ITU-T綜合考慮各種需要，終于通過了關于接入網(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放的數(shù)字接口，對于設備的開發(fā)應用、多種業(yè)務的發(fā)展和網(wǎng)絡的更新起著重要的作用。V5接口的標準化代表了重要的網(wǎng)絡演進方向，影響深遠。其意義在于交換機通過此接口可以支持多種類型的用戶接入，而且V5接口的開放性意味著交換機和接入網(wǎng)的技術和業(yè)務演進完全獨立開來。接入網(wǎng)的發(fā)展可以不受交換機的限制，使得接入網(wǎng)市場完全開放。一、V5接口協(xié)議結構窄帶V5接

4、口包括V5.1和V5.2接口。V5.1接口由1條2048Kb/s鏈路構成，通過時隙傳遞公共控制信號，支持模擬電話接入，基于64Kb/s的綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)基本接入（2BD）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(shù)字接入。這些接入類型都具有指配的承載通路分配，即用戶端口與V5.1接口內承載通路有固定的對應關系。V5.2接口按需要可以由116個2048Kb/s鏈路構成，除支持V5.1接口的業(yè)務外，還支持ISDN PRI（30BD）接入，其基于呼叫的時隙分配使得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)

5、側和本地交換機側呈不對稱布置，層與層之間的信息傳遞采用原語實現(xiàn)，而同層子層間的信息傳遞則采用映射。V5接口物理層由116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個時隙組成，其中：時隙TS0用作幀定位和CRC-4規(guī)程；時隙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，通過指配來分配；其余時隙可用作承載通路。V5接口的數(shù)據(jù)鏈路層僅對于C通路而言。第二層協(xié)議(LAPV5)規(guī)范以建議Q.921中規(guī)定的LAPD協(xié)議和規(guī)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)議分為兩個子層：封裝功

6、能子層(LAPV5-EF)和數(shù)據(jù)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)務有關的信令；控制協(xié)議負責用戶端口狀態(tài)指示與控制，協(xié)調兩側在網(wǎng)管控制下的數(shù)據(jù)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)議用來把一特定2048Kb/s鏈路上的承載通路基于呼叫分配給用戶端口；保護協(xié)議提供V5.2接口在出現(xiàn)故障時通信路徑切換的保護功能。如圖2所示，當?shù)谌龑訁f(xié)議有信令信息需

7、要發(fā)送時，通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)鏈路子層端到端數(shù)據(jù)。二、V5接口的實現(xiàn)筆者曾參與IDS2000綜合數(shù)字通信系統(tǒng)（接入網(wǎng)側）V5.2接口的開放研制工作。IDS2000綜合數(shù)字通信系統(tǒng)是電力自動化研究院為了滿足電力通信網(wǎng)發(fā)展的需要而開發(fā)的一種綜合接入設備。該設備具備V5接口，使得IDS2000系統(tǒng)可以很方便地通過開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所用的音頻Z接口或專用接口。V5接口協(xié)議分3層結構。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層部分功能由硬件實現(xiàn)，這在超大規(guī)模集成電路飛速發(fā)展的今天，難度已不是太大。Mitel

8、公司生產的大規(guī)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(shù)據(jù)鏈路接入、告警、中斷、環(huán)回和診斷，并內嵌了兩個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)議類似）。V5接口的第三層協(xié)議包含內容較多，由軟件實現(xiàn)。本文主要結合嵌入式系統(tǒng)編程來介紹V5接口的第三層軟件結構，對于協(xié)議細節(jié)的實現(xiàn)不多贅述。    1.實時多任務操作系統(tǒng)4目前，嵌入式應用領域的一個發(fā)展傾向是采用實時多任務操作系統(tǒng)RTOS（Real Time Operating System）。RTOS的廣泛

9、使用與應用的復雜化有關。過去1個單片機應用程序所控制的外設和履行的任務不多，采取1個主循環(huán)和幾個順序調用的子程序模塊即可滿足要求；但現(xiàn)在1個嵌入式控制系統(tǒng)可能要同時控制/監(jiān)視很多外設，要求實時響應，有很多處理任務，各個任務之間有很多信息傳遞，如果仍采用原來的方法，存在兩個問題：一是中斷可能得不到及時響應，處理時間過長；二是系統(tǒng)任務多，要考慮的各種可能也多，各種資源若調度不當就會造成死鎖，降低軟件可靠性，程序編寫任務量成指數(shù)增加。正是這種情況的出現(xiàn)，推動著RTOS的應用迅速發(fā)展。對于V5接口，系統(tǒng)軟件工作量相當大，包括5個核心協(xié)議功能的處理，須管理很多定時器，有很多用戶端口需要監(jiān)視，并且要求實時

10、處理，若采用傳統(tǒng)的軟件編程方法，很難實現(xiàn)。在IDS2000系統(tǒng)中，筆者采用VRTX實時多任務操作系統(tǒng)5作為開發(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的消息機制，使得協(xié)議程序具有高可靠性、可控、可觀測、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(shù)據(jù)鏈路層模塊（僅包括數(shù)據(jù)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）

11、BCC協(xié)議處理模塊；（6） 保護協(xié)議模塊；（7） V5接口AN側系統(tǒng)管理模塊；（8） V5接口AN側資源管理模塊；（9） 定時器管理模塊；（10） 消息處理模塊；（11） 用戶端口模塊；（12） 10ms定時中斷。上述模塊中，模塊17完成V5接口協(xié)議的核心功能。其中，數(shù)據(jù)鏈路層模塊對模塊27所產生的消息進行處理，交由V5硬件接口板完成封裝功能，再發(fā)送給LE側實體；PSTN協(xié)議處理模塊主要功能是建立用戶端口狀態(tài)和LE側國內協(xié)議實體之間的聯(lián)系；控制協(xié)議模塊用于表示用戶端口狀態(tài)指示與控制，還和系統(tǒng)啟動、重新啟動、指配有關；V5接口AN側系統(tǒng)管理模塊是協(xié)議功能正常實現(xiàn)的重要部分，在AN和LE中，不同的

12、FSM之間或第二層協(xié)議實體之間沒有直接的通信，而是通過系統(tǒng)管理來協(xié)調V5接口各個協(xié)議實體之間的操作。另外，系統(tǒng)管理負責從AN或LE的各種功能模塊中接收和處理有關狀態(tài)和故障的信息。系統(tǒng)管理還是維護臺或網(wǎng)管系統(tǒng)與V5接口之間的橋梁，它負責接收維護命令，并對V5接口執(zhí)行相應的操作，隨時向上層網(wǎng)管報告系統(tǒng)的運行狀況。模塊812完成V5接口協(xié)議的輔助功能。其中用戶端口模塊負責用戶端口狀態(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(tǒng)的負擔設立的，它負責協(xié)同操作系統(tǒng)管理各模塊的消息隊列；定時器管理模塊負責產生、管理系統(tǒng)中

13、所需要的定時器，當定時器溢出時，發(fā)送消息至相應模塊；10ms定時中斷程序負責調度系統(tǒng)中需周期性運行的任務，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)議過程的一般方式，是一種面向對象的描述方法，與具體實現(xiàn)程序無關。有限狀態(tài)機具有有限狀態(tài)集，在任意給定的時刻，必有惟一確定的狀態(tài)，在某狀態(tài)下必須依賴于外部輸入的特定消息觸發(fā)，才能引起狀態(tài)轉移或執(zhí)行某種任務。有限狀態(tài)機對于系統(tǒng)其他軟件而言

14、相當于一個“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(tǒng)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現(xiàn)。在傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法中，狀態(tài)變量和狀態(tài)表可以在狀態(tài)機模塊外被訪問，易于遭到破壞。面向對象的實現(xiàn)方法提供了一種更加結構化和更加直觀的FSM實現(xiàn)方法，更利于“數(shù)據(jù)隱藏”，而且這些優(yōu)點隨著FSM規(guī)模的增大越發(fā)明顯。我們只須要定義一個FSM基類，利用封裝、繼承和多態(tài)性的特點，就很容易從先前定義的基類中派生出所需要的FSM，大大減少了軟件的工作量，軟件也易于維護。    4.定時器的

15、實現(xiàn)機制定時器對于正確實現(xiàn)通信協(xié)議功能有著很重要的作用。V5接口協(xié)議中存在大量的定時器，當話務量較大時，可能有數(shù)百個定時器同時運行。定時器的設計是正確完成V5接口協(xié)議功能的一個重要部分。本系統(tǒng)中由定時器管理進程負責管理V5接口中所有的定時器。由于各種定時器所要求的精度各不相同，所選擇時間的長度對各定時器進行監(jiān)視和計數(shù)累計是問題的關鍵：時間間隔太小，影響系統(tǒng)運行效率；時間間隔太長，影響定時器的精度。為了解決這個問題，系統(tǒng)中設定了三種不同分辨率的定時器：10ms、100ms和1s（分辨率指計數(shù)時間間隔）。若某應用進程須要使用定時器，首先要向定時器管理進程發(fā)送一消息，消息中應包含申請定時器的分辨率、

16、預置計數(shù)值、溢出后應發(fā)送的消息等信息。定時器管理進程收到該消息后，根據(jù)定時器的分辨率將其放到合適的定時隊列中，啟動定時。若定時器計數(shù)為零，則表示該定時器溢出，定時器管理進程應向相應的應用進程發(fā)送溢出消息，同時應釋放該定時器。應用進程若主動要求放棄一定時器，則應向定時器管理進程發(fā)送一釋放定時器消息。消息中應包含所申請定時器的標號、分辨率以及溢出目標進程、目標對象等。定時器管理進程接收到此消息后，在合適的定時器隊列中尋找到該定時器后，將其釋放。 定時器管理進程管理其他各應用進程所申請的定時器。在定時器管理進程中，有三個鏈表分別用于存放這3種不同分辨率的定時器。定時器管理進程完成以下一些基本功能：（

17、1）管理10ms、100ms和1s三種定時器鏈表。（2）當10ms定時間隔到，應遍歷10ms定時器鏈表，完成對鏈表中各定時器的計數(shù)處理。若有定時器溢出，則向相應的進程發(fā)送溢出消息，并從定時器鏈表中釋放該定時器。同樣，當100ms或1s的定時間隔到時，也應對100ms或1s定時器鏈表作相同處理。（3）處理從其他進程接收到的消息。當收到從其他進程發(fā)送的申請定時器的消息時，應在相應分辨率的定時器鏈表中插入所申請的定時器；在接收到從其他進程來的釋放定時器的消息后，應尋找到該定時器，并將其釋放。    5.編寫可重入函數(shù)V5接口中有大量的函數(shù)需要編寫。和傳統(tǒng)的編程環(huán)境不同，

18、本系統(tǒng)中，V5接口軟件運行在多任務環(huán)境上，函數(shù)的可重入性（reentrancy）顯得很重要。所謂可重入函數(shù)是指一個可以被多個任務調用的過程，任務在調用時不必擔心數(shù)據(jù)是否會出錯。在編寫函數(shù)時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（如采用關中斷、信號量等措施），這樣構成的函數(shù)一定是可重入的；而編譯器是否具有可重入的庫，與它所服務的操作系統(tǒng)有關，如DOS下的Borland C和Microsoft C/C+等就沒有可重入函數(shù)庫，這是因為DOS是一個單用戶、單任務的操作系統(tǒng)。為了確保每一個調用函數(shù)的任務控制自己私有變量，在一個可重入的C函數(shù)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(tǒng)下編寫可重入的函數(shù)，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）類型；（2）盡量不要使用static或extern變量,不可避免使用全局變量時,需加以保護；（3）用VRTX