基于ieee 802.11标准的cbtc系统中安全通信协议设计与验证security in cbtc system based on ieee 802.11 munication protocol design and validation.docx

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摘 要
munication Based Train Control,基于通信的列车运行控制)系统能够很好地补充传统通过轨道电路控制列车运行时存在的不足之处,具有安全性好、传输效率高等特点,已在城市轨道交通系统中广泛运用。目前,CBTC 系统大多采用技术成熟的基于 IEEE 标准的 WLAN(Wireless Local work,无线局域网)技术作为其数据通信子系统,为系统中信息的交换提供了有效的支持。但由于该无线通信子系统属于开放传输系统,其信道开放,信息通过无线电波传播,容易受各种未知因素的干扰和入侵者的攻击。而 CBTC 系统又属于安全苛求系统,其数据通信子系统中传输的数据为确保列车安全运行的安全相关数据。因此,迫切需要寻找一种有效的安全防护措施对列车运行控制信息进行保护。
鉴于安全的数据通信在基于 IEEE 标准的 CBTC 中的重要地位,欧洲电工标准化委员会专门制订了标准 EN 50159。本文依据该标准,并借鉴欧洲 EURORADIO 功能接口规范,设计了适合我国城市轨道交通实际状况的 CBTC 安全通信协议,来确保安全相关数据的安全可靠传输。在设计过程中,借鉴了协议工程理论的相关知识。设计部分涵盖协议提供的服务、协议的功能、协议元素构造、协议组织以及协议文本编制等各方面的内容。
由于使用自然语言描述的协议文本不严格、有二义性且没有统一的描述标准,因此协议设计完成后还采用有严格语法和语义定义的形式描述语言 CPN(Colored ,有色 Petri 网)和它的支持工具 CPN Tools 对设计的 CBTC 安全通信协议进行了建模描述。建模过程采用“自上而下、由简及繁”的思想,先建立了 CBTC 系统通信协议的顶层模型,而后深入研究其基本组成单元即单链路协议模型,再从该基本模型入手,研究了多链路模型及加入安全防护措施后的安全模型。
模型建立完成之后,为保证协议设计的正确性,对该协议模型运用状态空间分析工具进行了分析验证。验证结果表明:协议描述过程没有语法和语义错误。建立的协议模型具有公平性、有界性,且没有死锁、活锁等现象,从而证明 CBTC 安全通信协议设计正确,可用来确保 CBTC 系统中信息的安全可靠传输。
关键词:CBTC 系统;安全通信协议;无线局域网;有色 Petri 网;状态空间分析论文类型:应用研究
I -
Abstract
Communication based train control (CBTC) system can effectively replenish the deficiency of traditional train control system which is controlled by track circuit. With the features of good safety and high transmission efficiency, CBTC is widely used in city rail traffic system. At present, most CBTC system use IEEE based wireless local work (WLAN) technology which provides an effective support for the information transmission as its data transmission subsystem. This kind of munication subsystem is an open transmission system. Its channel is open, and the information spreads through the