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基于VRTX操作系统实现V5接口协议
摘要：V5接口是接入网(AN)和本地交换机(LE)之间标准化的开放接口。本文首先简要介绍V5接口协议结构，然后给出IDS2000综合数字通信系统中V5接口的实现方法；着重介绍第三层协议的软件实现方法，并对嵌入式系统编程进行一些探讨。关键词：接入网V5接口实时操作系统本地交换机
引言
接入网的概念是由传统的用户线发展起来的。近年来，由于电话业务的发展、新业务种类的增多、对线路带宽要求的提高以及各种新兴技术（特别是光纤通信技术）的发展，使得传统的用户线的概念逐渐发展成为接入网的概念。前几年，国际电信联盟（ITU）正式定义了用户接入网。引入接入网后，现有的电信网将减少端局数量，简化中继网的复杂程度，有利于中继网的管理。
接入网所覆盖的范围可以由三类接口来界定，如图1所示。接口的标准化、综合性直接影响到接入网的建设成本及接入网能承载的业务能力，为此，ITU-T综合考虑各种需要，终于通过了关于接入网和本地交换机之间标准化的V5.1和V5.2接口的建议[1,2]。
V5接口是一种在接入网中适用范围广、标准化程度高的新型开放的数字接口，对于设备的开发应用、多种业务的发展和网络的更新起着重要的作用。V5接口的标准化代表了重要的网络演进方向，影响深远。其意义在于交换机通过此接口可以支持多种类型的用户接入，而且V5接口的开放性意味着交换机和接入网的技术和业务演进完全独立开来。接入网的发展可以不受交换机的限制，使得接入网市场完全开放。
一、V5接口协议结构
窄带V5接口包括V5.1和V5.2接口。V5.1接口由1条2048Kb/s链路构成，通过时隙传递公共控制信号，支持模拟电话接入，基于64Kb/s的综合业务数字网基本接入（2B＋D）和用于半永久连接的、不加带外信令信息的其他模拟接入和数字接入。这些接入类型都具有指配的承载通路分配，即用户端口与V5.1接口内承载通路有固定的对应关系。V5.2接口按需要可以由1~16个2048Kb/s链路构成，除支持V5.1接口的业务外，还支持ISDNPRI（30B＋D）接入，其基于呼叫的时隙分配使得V5.2接口具有集中功能。V5.1接口是V5.2接口的子集，V5.1接口应当能够升级到V5.2接口。
V5接口协议由3层组成，接入网侧和本地交换机侧呈不对称布置，层与层之间的信息传递采用原语实现，而同层子层间的信息传递则采用映射。
V5接口物理层由1~16条2048Kb/s的链路构成，电气和物理特性符合G.703建议，帧结构符合G.704/G.706建议。每帧由32个时隙组成，其中：时隙TS0用作帧定位和CRC-4规程；时隙TS15、TS16和TS31可以用作通信通路(C通路)，运载信令信息和控制信息，通过指配来分配；其余时隙可用作承载通路。
V5接口的数据链路层仅对于C通路而言。第二层协议(LAPV5)规范以建议Q.921中规定的LAPD协议和规程为基础，允许将不同的信息流灵活地复用到C通路上去。第二层协议分为两个子层：封装功能子层(LAPV5-EF)和数据链路子层(LAPV5-DL)。此外，第二层功能中还应包括帧中继功能(AN-FR)。
V5接口的第三层协议簇包括PSTN协议、控制协议、链路控制协议、BCC协议和保护协议（后三种协议为V5.2接口特有）。PSTN协议负责处理与PSTN业务有关的信令；控制协议负责用户端口状态指示与控制，协调两侧在网管控制下的数据指配；链路控制协议负责协调和控制AN、LE两侧的链路阻塞、链路解除阻塞和链路标识功能；BCC协议用来把一特定2048Kb/s链路上的承载通路基于呼叫分配给用户端口；保护协议提供V5.2接口在出现故障时通信路径切换的保护功能。
如图2所示，当第三层协议有信令信息需要发送时，通过数据链路子层（LAPV5-DL），请求封装功能子层（LAPV5-EF），用给定的封装功能地址传送数据链路子层端到端数据。
二、V5接口的实现
笔者曾参与IDS2000综合数字通信系统（接入网侧）V5.2接口的开放研制工作。IDS2000综合数字通信系统是电力自动化研究院为了满足电力通信网发展的需要而开发的一种综合接入设备。该设备具备V5接口，使得IDS2000系统可以很方便地通过开放接口和大型交换设备互连，取代了原先接入大型交换设备时所用的音频Z接口或专用接口。
V5接口协议分3层结构。物理层和数据链路层部分功能由硬件实现，这在超大规模集成电路飞速发展的今天，难度已不是太大。Mitel公司生产的大规模E1接口芯片MT9075就是一种很合适的芯片[3]。MT9075是一种单E1接口，综合了成帧器和LIU。重要特性包括数据链路接入、告警、中断、环回和诊断，并内嵌了两个HDLC控制器（MT8952），特别适用在V5接口（封装功能子层功能和HDLC协议类似）。
V5接口的第三层协议包含内容较多，由软件实现。本文主要结合嵌入式系统编程来介绍V5接口的第三层软件结构，对于协议细节的实现不多赘述。
1.实时多任务操作系统[4]
目前，嵌入式应用领域的一个发展倾向是采用实时多任务操作系统RTOS（RealTimeOperatingSystem）。RTOS的广泛使用与应用的复杂化有关。过去1个单片机应用程序所控制的外设和履行的任务不多，采取1个主循环和几个顺序调用的子程序模块即可满足要求；但现在1个嵌入式控制系统可能要同时
控制/监视很多外设，要求实时响应，有很多处理任务，各个任务之间有很多信息传递，如果仍采用原来的方法，存在两个问题：一是中断可能得不到及时响应，处理时间过长；二是系统任务多，要考虑的各种可能也多，各种资源若调度不当就会造成死锁，降低软件可靠性，程序编写任务量成指数增加。正是这种情况的出现，推动着RTOS的应用迅速发展。
对于V5接口，系统软件工作量相当大，包括5个核心协议功能的处理，须管理很多定时器，有很多用户端口需要监视，并且要求实时处理，若采用传统的软件编程方法，很难实现。在IDS2000系统中，笔者采用VRTX实时多任务操作系统[5]作为开发平台，大大减轻了软件的工作量，而采用面向对象的编程方法和事件驱动的消息机制，使得协议程序具有高可靠性、可控、可观测、易于维护和管理。
2.V5接口软件框图
如图3所示，V5接口软件主要包括：
（1）数据链路层模块（仅包括数据链路子层功能，封装功能子层由硬件板完成）；
（2）PSTN协议处理模块；
（3）控制协议处理模块（包括用户端口状态机、指配控制状态机、公共控制状态机）；
（4）链路控制协议处理模块（包括链路控制状态机、链路控制L3状态机）；
（5）BCC协议处理模块；
（6）保护协议模块；
（7）V5接口AN侧系统管理模块；
（8）V5接口AN侧资源管理模块；
（9）定时器管理模块；
（10）消息处理模块；
（11）用户端口模块；
（12）10ms定时中断。
上述模块中，模块1~7完成V5接口协议的核心功能。其中，数据链路层模块对模块2~7所产生的消息进行处理，交由V5硬件接口板完成封装功能，再发送给LE侧实体；PSTN协议处理模块主要功能是建立用户端口状态和LE侧国内协议实体之间的联系；控制协议模块用于表示用户端口状态指示与控制，还和系统启动、重新启动、指配有关；V5接口AN侧系统管理模块是协议功能正常实现的重要部分，在AN和LE中，不同的FSM之间或第二层协议实体之间没有直接的通信，而是通过系统管理来协调V5接口各个协议实体之间的操作。另外，系统管理负责从AN或LE的各种功能模块中接收和处理有关状态和故障的信息。系统管理还是维护台或网管系统与V5接口之间的桥梁，它负责接收维护命令，并对V5接口执行相应的操作，随时向上层网管报告系统的运行状况。
模块8~12完成V5接口协议的辅助功能。其中用户端口模块负责用户端口状态扫描与控制，直接与硬件端口联系；AN侧资源管理模块配合BCC协议处理模块完成V5接口中BCC协议功能；消息处理模块是为了减轻操作系统的负担设立的，它负责协同操作系统管理各模块的消息队列；定时器管理模块负责产生、管理系统中所需要的定时器，当定时器溢出时，发送消息至相应模块；10ms定时中断程序负责调度系统中需周期性运行的任务，采用“信号量”（semaphores）的通信机制完成。
3.有限状态机
在上述程序模块中，存在大量的有限状态机（FSM），如控制协议中的用户端口FSM、公共控制FSM、BCC协议中的承载通路连接FSM等。有限状态机是描述通信协议过程的一般方式，是一种面向对象的描述方法，与具体实现程序无关。有限状态机具有有限状态集，在任意给定的时刻，必有惟一确定的状态，在某状态下必须依赖于外部输入的特定消息触发，才能引起状态转移或执行某种任务。
有限状态机对于系统其他软件而言相当于一个“黑匣子”。它可以接收有限的消息组，也可以发送特定的消息组，但其内部结构不为系统其他部分所知。它的功能完全由它接收和发送消息顺序所决定。
有限状态机的这种描述方式很适合用面向对象的方法实现。在传统的实现方法中，状态变量和状态表可以在状态机模块外被访问，易于遭到破坏。面向对象的实现方法提供了一种更加结构化和更加直观的FSM实现方法，更利于“数据隐藏”，而且这些优点随着FSM规模的增大越发明显。我们只须要定义一个FSM基类，利用封装、继承和多态性的特点，就很容易从先前定义的基类中派生出所需要的FSM，大大减少了软件的工作量，软件也易于维护。
4.定时器的实现机制
定时器对于正确实现通信协议功能有着很重要的作用。V5接口协议中存在大量的定时器，当话务量较大时，可能有数百个定时器同时运行。定时器的设计是正确完成V5接口协议功能的一个重要部分。
本系统中由定时器管理进程负责管理V5接口中所有的定时器。由于各种定时器所要求的精度各不相同，所选择时间的长度对各定时器进行监视和计数累计是问题的关键：时间间隔太小，影响系统运行效率；时间间隔太长，影响定时器的精度。为了解决这个问题，系统中设定了三种不同分辨率的定时器：10ms、100ms和1s（分辨率指计数时间间隔）。
若某应用进程须要使用定时器，首先要向定时器管理进程发送一消息，消息中应包含申请定时器的分辨率、预置计数值、溢出后应发送的消息等信息。定时器管理进程收到该消息后，根据定时器的分辨率将其放到合适的定时队列中，启动定时。若定时器计数为零，则表示该定时器溢出，定时器管理进程应向相应的应用进程发送溢出消息，同时应释放该定时器。应用进程若主动要求放弃一定时器，则应向定时器管理进程发送一释放定时器消息。消息中应包含所申请定时器的标号、分辨率以及溢出目标进程、目标对象等。定时器管理进程接收到此消息后，在合适的定时器队列中寻找到该定时器后，将其释放。定时器管理进程管理其他各应用进程所申请的定时器。在定时器管理进程中，有三个链表分别用于存放这3种不同分辨率的定时器。
定时器管理进程完成以下一些基本功能：
（1）管理10ms、100ms和1s三种定时器链表。
（2）当10ms定时间隔到，应遍历10ms定时器链表，完成对链表中各定时器的计数处理。若有定时器溢出，则向相应的进程发送溢出消息，并从定时器链表中释放该定时器。同样，当100ms或1s的定时间隔到时，也应对100ms或1s定时器链表作相同处理。
（3）处理从其他进程接收到的消息。当收到从其他进程发送的申请定时器的消息时，应在相应分辨率的定时器链表中插入所申请的定时器；在接收到从其他进程来的释放定时器的消息后，应寻找到该定时器，并将其释放。
5.编写可重入函数
V5接口中有大量的函数需要编写。和传统的编程环境不同，本系统中，V5接口软件运行在多任务环境上，函数的可重入性（reentrancy）显得很重要。
所谓可重入函数是指一个可以被多个任务调用的过程，任务在调用时不必担心数据是否会出错。在编写函数时应尽量只使用局部变量，对于要使用的全局变量需要加以保护（如采用关中断、信号量等措施），这样构成的函数一定是可重入的；而编译器是否具有可重入的库，与它所服务的操作系统有关，如DOS下的BorlandC和MicrosoftC/C++等就没有可重入函数库，这是因为DOS是一个单用户、单任务的操作系统。
为了确保每一个调用函数的任务控制自己私有变量，在一个可重入的C函数中，将这样的变量申明为局部变量，C编译器将这样的变量存放在调用栈上或寄存器里。在VRTX操作系统下编写可重入的函数，须要遵循以下原则：
（1）将所有局部变量申明为auto或寄存器（register）类型；
（2）尽量不要使用static或extern变量,不可避免使用全局变量时,需加以保护；
（3）用VRTX库函数sc_gblock分配大的数据结构。
三、V5接口发展的趋势
从长远看，为了克服现有一系列SNI（业务节点接口）功能的限制，须要开发附加的SNI，特别是模块型和B-ISDN接入型SNI。目前，以ATM为基础的VB5接口的标准化工作正在进行。VB5参考点可分为VB5.1和VB5.2两种形式。
ITU-T已经通过了关于VB5参考点的建议，规定了VB5既支持AN与SN的直接连接，又支持两者的远程连接；既支持基于ATM的B-ISDN接入，又支持各种非ATM的接入。此外，VB5还应支持接入各种SN的接入功能，并能同时连接到多个不同的SN。有关VB5的技术框架还有待进一步研究和开发。
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