（信号与信息处理专业论文）基于网络处理器ixp2400的包转发协议研究和实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 c d m a 移动通信网络迅速发展，随之而来基于c d m a 移动通信的网络犯罪问题也日益显 现出来，因此，c d m a 2 0 0 0 网络中的内容监管日益重要。网络处理器是面向网络应用领域的特 定指令处理器，具有硬件级的处理能力和灵活的软件体系。本文的工作是作为国家高技术发展 计戈0 ( 8 6 3 计划) 课题：“移动互联网内容监管技术研究与应用”( 课题编号：2 0 0 5 a a l 4 7 0 4 0 ) 的一都 分，主要研究了基于网络处理器i x p 2 4 0 0 的包转发协议的实现，主要内容包括： 第一章简要介绍了基于网络处理器i x p 2 4 0 0 的移动互联网内容监管系统项目的意义和实现 背景。简要介绍了网络处理器技术，c d m a 技术和内容监管技术的现状。 第二章中研究了c d m a 2 0 0 0 网络的系统结构和相关技术，特别研究了与项目相关的 c d m a 2 0 0 0 分组交换网络。在分析其结构的基础上，研究了分组网络的各种协议的功能、数据 帧格式、通信流程等。 第三章首先研究了网络处理器i x p 2 4 0 0 的硬件和软件体系结构，并对i x p 2 4 0 0 网络处理器 开发平台的软件开发架构进行了研究。在此基础上提出了c d m a 2 0 0 0 移动互联网的监管系统的 软件架构，着重分析了前置机系统的总体结构。 第四章主要研究了前置机中基于网络处理器的包转发协议，以及在相关平台上的实现。其 中重点阐述了数据包处理和转发的细节，以及关键算法和数据结构等。在最后简要分析了内容 监管系统的总体性能。利用i x p 2 4 0 0 网络处理器的真正高速硬件实现方式，得到了比一般服务 器或工控机软件实现要好的网络数据转发和处理性能。 第五章对全文进行了总结，对尚能进一步完善的技术进行了分析。 关键词：c d m a 2 0 0 0 移动互联网内容监管网络处理器微引擎数据包转发 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d es p r e a do fc d m a 2 0 0 0t e c h n o l o g y , ak e yt e c h n o l o g yi n w i d e b a n dm o b i l en e t w o r s ，c r i m i n a lp r o b l e m si nn e t w o r k sa l s oa r i s eo nad a i l yb a s i s t h u s ， c o n t e n t - b a s e ds u p e r v i s i o ni nc d m a 2 0 0 0t e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea n dm o l ei m p o r t a n t n e t w o r k p r o c e s s o ri sas p e c i f i cp r o c e s s o rd e s i g n e df o rn e t w o r kd a t ap r o c e s s i n g i th a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f h i g hp r o c e s s i n gs p e e da n df l e x i b l e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tf r a m e w o r kt h ei m p l e m e n t a t i o no f c d m a 2 0 0 0m o b i l en e t w o r ks u p e r v i s i o nw i l lf i l lt h eb l a n kf i e l di nt h es u p e r v i s i o n o fc d m a 2 0 0 0 m o b i l en e t w o r k t h et h e s i si sp a r to fap r o j e c ts p o n s o r e db yh i - t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo f c h i n a ( n o 2 0 0 5 a a l 4 7 0 4 0 ) t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： c h p a t e rli n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do f t h ed e v e l o p m e n to f c d m a 2 0 0 0 m o b i l e s u p e r v i s i o ns y s t e mb a s e do nn e t w o r kp r o c e s s o ri x p 2 4 0 0 ，a n db r i e f l y i n t r o d u c e st h ec u r r e n t d e v e l o p m e n to f n e t w o r kp r o c e s s o r , c d m an e t w o r ka n dc o n t e n ts u p e r v i s i o n c h a p t e r2r e s e a r c h e st h ef r a m e w o r ka n dr e l a t e dt e c h n o l o g yo fc d m a 2 0 0 0n e t w o r k ，e s p e c i a l l y t h ed a t ae x c h a n g en e t w o r kc o n c e r i n gt h i sp r o j e c t b a s e do nt h ef r a m e w o r ko fc d m a2 0 0 0d a t a e x c h a n g en e t w o r k ，t h et h e i sd i s c u s s e si t sf u n c t i o n ，d a t af o r m a t sa n dc o m m u n i c a t i o np r o f i l e s c h a p e r3f i r s t l yr e s e a r c h e st h ef i 1 t l w a r ea n ds o f t w a r ef r a m e w o r ko f n e t w o r kp r o c e s s o ri x p 2 4 0 0 ， a n dt h ef r a m e w o r ko f s o f t w a r ed e v e l o p m e n to ni x p 2 4 0 0 o nt h i sb a s i s ，t h es o f t w a r ef r a m e w o r ko f t h e c d m a 2 0 0 0m o b i l es u p e r v i s i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yt h es t r u c t u r eo ft h ep r e - p o s i t i v es y s t e m ，i s p r o p o s e d c h a p t e r4m a i n l yf o c u s e s0 1 2t h er e a l i z a t i o no fp a c k e tf o r w a r d i n gp r o c o t o l si nc d m a 2 0 0 0d a t a e x c h a n g en e t w o r k o ni x p 2 4 0 0 e m p h a s i si sp u to nt h ed e t a i l s ，c r i t i c a la l g o r i t h m s ，a n dd a t ap a c k e t f o r m a t so fp a c k e tf o r w a r d i n g i nt h el a s tp a r tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ee n t i r es y s t e mi sb r i e f l y e v a l u a l a t e d t h eh i g h - s p e e dd a t ap r o c e s s i n gm a k e st h ep e r f o r m a n c eo fo u rs y s t e mm u c hb e t t e rt h a n o r d i n a r a r ys e r v e r so ri n d u s l r i a lc o n 打o l l c r s ， c h a p e r5m a k e sac o n c l u s i o na n dd i s p l a y st h ep r o s p e c to f t h eu n f i n i s h e dw o r k k e y w o r d s ：c d m a 2 0 0 0 ，m o b i l es u p e r v i s i o ns y s t e m ，n e t w o r kp r o c e s s o r , m i c r o - e n g i n e ， p a c k e tf o r w a r d i n g i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：虐垦e t 期：竺尘 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垒垦导师签名： 娄。童i 兰 e t 期：口了3 ，。 第一章绪论 第一章绪论 c d m a 技术作为宽带移动网络的关键技术，在过去几年里得到了快速的发展。而且随着技 术的不断进步，产品价格的不断下降，其应用领域不断拓宽。业界人士已经认识到c d m a 技术 的重要性及其未来的广泛应用前景。针对移动网络应用的系统相继被开发出来，如基于手机的 网页浏览，电子邮件、视频和电子商务等。随着”移动商务”应用的不断推进，建立安全可靠的 移动网络是顺应技术发展和社会经济发展的必然要求。 随着移动网络用户数量的增加，应用范围的扩大，带宽的提高，资讯费用的下降，在移动 网络上从事分组数据业务的比例也将大幅度增长。随之而来的问题是：充斥在有线网络中反动、 非法的信息也必将在移动网络中泛滥。移动网络安全监测技术不仅能够有效的阻止非法信息的 传播，而且能够准确的追溯到信息的来源，从根本上杜绝非法信息的传播，维护社会的稳定。 设备提供商在其设备中附加移动网络安全检测系统可以增加新的利润增长点，抢占更多用户和 更大的市场，为将来实施3 g 系统做好准备。对于用户而言，有了移动网络安全检测系统之后 可以最大限度的避免非法信息的骚扰和破坏。 本论文中的工作是国家高技术研究与开发计划( 8 6 3 计划) 课题：“移动互联网内容监管技术 研究与应用”( 课题编号：2 0 0 5 a a 1 4 7 0 4 0 ) 的子课题，其主要工作是研究了c d m a 2 0 0 0 移动互联 网内容监管系统的前置机软件结构，着重研究了与c d m a 2 0 0 0 分组交换网相关的协议及其在网 络处理器d 口2 4 0 0 平台上的实现。 1 1 网络处理器技术 随着当今网络规模和性能迅速增长， i n t e r n e t 主干网络流量的指数性增长及新业务接连的出 现，这就要求网络设备具有线速和智能的处理能力。网络处理器【1 】州岣r kp i o c e s s o r ) 就是其中 一种新兴、有效的统一解决方案。网络处理器是面向网络应用领域的特定指令处理器。是面向 分组数据处理的、具有体系结构特征和特定电路的软件可编程器件。通过灵活的软件体系提供 硬件级的处理性能是n p 的关键特性。它采用了类似a s i p ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i cp r o c e s s o r ) 莆u s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的体系结构，为了提高运算性能，还采用了精简指令计算r i s c ( r e d u c e d i n s 仇i c t i o ns e tc o m p u t i n g ) 模式。网络处理器另外一个特性就是数据处理过程中的并发性，从一 开始，网络处理器的设计者们就充分考虑到了处理网络数据包时的并发性。数据包在到达路由 器时是乱序的，但其中的每一个包又都是完整的。它们有自己的包头和有效载荷，路由器的工 作是从中抽取出目的口地址并为其选择适当的路由，因此各个数据包之间的处理可以并行地执 行。 传统的基于g p p ( g e n c r a l p u r p o s e p r o c 髂曲的网络处理设备只满足灵活性要求，但数据处理 1 东南大学硕士擘位论文 性能低；基于a s i c ( a l r p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的网络设备只满足高性能要求，却难 以升级更新，生产周期长。网络处理器既有a s i c 的处理速度，同时又克服了a s i c 灵活性差的 缺点，具有良好的可编程能力，同时又提供了基于硬件的加密解密处理单元，这些特点决定了网 络处理器所具有的强大生命力，从整体上提高了网络处理器的性能。其中i n t c l 公司开发的第二 代i x p 2 4 0 0 网络处理器主要是面向o c 1 2 到o c - 4 8 2 5g b i t s 的网络接入和边缘网的应用，可 执行协议转换，支持多种传输媒体接入，还可用于记费和负载均衡等。本项目选用i x p 2 4 0 0 网 络处理器作为我们监管系统开发的硬件平台，开发出的系统既能保持优良性能，同时针对现有 商业级应用平台进行软件系统移植也将可行。 1 2c d m a 通信技术 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) ，它是在扩频通信技术上发展 起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 2 5 1 。c d m a 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送 的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数 据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的 带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。 c d m a 技术的标准化经历了几个阶段州。美国在q u a l c o m m 公司的c d m a 系统( q - c d m a ) 上通过了i s 9 5 ，使c d m a 系统进入实用化的阶段。真正在全球得到广泛应用的第一个c d m a 标准是i s 9 5 a ，这一标准支持8 k 编码话音服务。在u 向各国征求第三代移动通信无线候选 技术时，i s 9 5 由于刚取得商用成功，美国t r 4 5 标准委员会没有将很多精力放在第三代标准的 研究上，而是正在努力完成i s 9 5 b 的标准。在u 的要求下，在当年提出了c d m a 2 0 0 0 的第 三代标准，即c d m a 2 0 0 01 x 和3 x ( i x 代表其载波一倍于i s 9 5 a 的带宽，3 x 代表其载波三倍 于i s 9 5 a 的带宽) 。3 x 又分为下行直接扩谱和三载波两种方式，后来直接扩谱c d m a 2 0 0 0 部分 与w c d m a 进行了融合，所以实际上目前的c d m a 2 0 0 0 就只包括c d m a 2 0 0 01 x 和三载波方 式3 x 。c d m a1 x 是指c d m a 2 0 0 0 的第一阶段( 速率高于i s 9 5 ，低于2 m b i t s ) ，可支持3 0 8 k b i t s 的数据传输、网络部份引入分组交换，支持移动口业务。是在现有c d m ai s 9 5 系统上发展出 来的一种新的承载业务，目的是为c d m a 用户提供分组m 形式的数据业务。c d m a 移动通讯 网结构如图1 1 。 2 第一章绪论 归属i s p ，专用网，访问 提供商，归属代理商 图卜1c d m a 通讯网络示意图 c d m a 系统的特征是，各信源的发射信号在码结构上各不相同，而且相互有正交或准正交 性( 成为扩频码) 以区别地址，而在时间，频率和空间上都有可能重叠，发射信号占有极宽的 频段。接收时，对于某一地址码，只有与之相应的接收机利用码正交特性才能检测出来，其他 的接收机只能检测出呈现类似高斯过程的宽带噪声。 c d m a 系统的突出优点是：( 1 ) 系统容量大。c d m a 是一种容量受限于干扰的系统。码间 干扰越小，容许的用户越多。而f d m a 和t d m a 是受频带宽度和时间限制的系统。在话音通 信中，数据表明，话音占空比在3 5 一4 0 之间，因此话音占空比使互干扰降低了6 0 - - 6 5 ，使得c d m a 系统容量增加。而这一特性仅仅c d m a 系统能利用。扇形天线的应用也增加 了c d m a 系统的容量。( 2 ) 抗多径干扰。在扩频通信中，由于多径传播的多条路径可以利用扩 频码进行分离，并通过分集合并取得分集增益，使得通信质量获得很大的改善。( 3 ) 软容量限 制。f d m a 和t d m a 系统是受频率及时隙限制的，容量是固定值，当用户数超过系统容量时， 系统就会发生阻塞。而c i ) m a 系统在这种情况下只是降低系统性能，不发生阻塞。( 4 ) 切换容 易。用户越区切换，只需要改变地址码，不需要改变频率，这样改善了切换时的话音质量，减 少了数据丢失的危险。( 5 ) 电磁污染少。c d m a 信号在空中传播时，由于扩展了频谱，使得空 中信号的功率谱降低，电磁污染相应减小。( 6 ) 保密，抗干扰。c d m a 系统的扩频地址码，一 般是长周期码，接收端的本地相关码必须与发送端的扩频码同步，且完全相同，使得c d m a 系 统比其他系统要安全。 从以上的分析我们可以看到，c d m a 2 0 0 0 系统大大提高了数据传输性能，增强了系统对多 3 东南大擘硕士学位论文 种业务的支持能力。同时因其良好的业务支撑能力以及平滑的升级特性。可以向3 g 系统进行 无缝过渡。基于这些考虑，本论文主要是针对c d m a 2 0 0 0 网络的分组数据业务监管所采用的技 术和设备进行研究和开发。 1 3 内容监管技术 自从有了互联网之后，网络安全问题一直伴随着网络技术的发展，特别是美国9 1 1 事件之后， 各国对网络安全问题更加重视。2 0 0 6 年6 月，联邦上述法庭以2 票对1 票的结果判决：根据1 9 9 4 年的通信协助执法法案( c a l e a ) ，任何使用新技术的通信设备都必须能够兼容警察搭线窃 听的功能。根据这个裁定，美国本土使用的所有通信设备必须提供允许政府安全部门监听的接 口或提供通信设备安全机制中所采用的密钥和密码算法。有线网络监管设备的研究开发比较早， 从1 9 9 6 年至今开发的产品不下千余种，其中最著名的产品是n e t w o r k a s s o c i a t e s 公司开发的s n i f f e r 嗅探器和n i s 公司开发的e t h e r e a l 数据报拦截和分析软件。在移动网络监管产品研发方面，目前 主要是针对w i f i 研究和开发了系列产品，如：t a m s o f l 公司开发c o m m v i e w f o r w i f i 主要是针对 8 0 2 1 l a b g l 嘲络监听和分析其上的通信内容：纽约时代公司开发的免费无线网络工具不仅能够 测试无线网络的性能，而且能够完全监听8 0 2 1 l 网络的通信内容；空中无线数据包的监听系统， 主要用来监听8 0 2 1 l b 的空中信号。但对c d m a 2 伽l o 移动网络内容监管乃至呼之欲出的3 g 网络和 w t m a x 网络的监管而言，还研究的非常少，目前只有国外的很少的几个公司研究了相应技术和 开发了相关的产品，如e t h e r e a l 产品里面就集成了a l l 信令包，能够解析c d m a 系统的a 1 l 信令； s d bg p r s 监听器可以测量通过g p r s 、c d m a 或g s m 网络连接的数据传输率，计算网络的利用 率，但这两类产品都无法完全获取g p r s 、c d m a 或g s m 网络的完全信息。 在我国，针对移动互联网内容监管的研究和相关论文几乎没有。但随着g p r s c d m a 技术 的推广，移动互联网的应用得到迅速发展。到2 0 0 4 年1 2 月，利用手机上网的人数已经超过了1 5 0 0 万，可以预计未来几年这个数量还将大幅增加。随之而来，利用移动互联网的网络犯罪问题已 突显现出来，危及到国家的安全和社会的稳定，但其内容监管一直是网络监管中的一个盲点。 本论文涉及的移动监管系统拟在移动通信网和b t e m e t 互联网之间实现分组数据的有效拦截和分 析，并能够准确的追溯信息的来源。 1 4 论文的主要工作 本文在介绍了项目的背景和基于网络处理器的移动互联网监管系统的研究意义和前景之后，研 究了c d m a 2 0 0 0 网络的系统结构和相关技术。本文提出了c d m a 2 0 0 0 移动互联网的监管系统的软 4 第一章绪论 件架构，对i x p 2 4 0 0 网络处理器开发平台的软件开发架构进行了研究，并以此为基础主要研究了基 于网络处理器的包转发协议，以及在相关平台上的实现。本文的重点是数据包处理和转发的细节， 如i - t d l c 帧排序和f l e a 帧重组等功能在内的关键算法和数据结构等。论文完成的主要工作包括： 第一章简要介绍了基于网络处理器i x p 2 4 0 0 的移动互联网内容监管系统项目的意义和实现 背景。简要介绍了网络处理器技术，c d m a 技术和内容监管技术的现状。 第二章中研究了c d m a 2 0 0 0 网络的系统结构和相关技术，特别研究了与项目相关的 c d m a 2 0 0 0 分组交换网络。在分析其结构的基础上，研究了分组网络的各种协议的功能、数据 帧格式、通信流程等。 第三章首先研究了网络处理器p 2 4 0 0 的硬件和软件体系结构，并对i x p 2 4 0 0 网络处理器 开发平台的软件开发架构进行了研究。在此基础上提出了c d m a 2 0 0 0 移动互联网的监管系统的 软件架构，着重分析了前置机系统的总体结构。 第四章主要研究了前置机中基于网络处理器的包转发协议，以及在相关平台上的实现。其 中重点阐述了数据包处理和转发的细节，以及关键算法和数据结构等。在最后简要分析了内容 监管系统的总体性能。利用i x p 2 4 0 0 网络处理器的真正高速硬件实现方式，得到了比一般服务 器或工控机软件实现要好的网络数据转发和处理性能。 第五章对全文进行了总结。对尚能进一步完善的技术进行了分析。 5 东南大学硕士学位论文 第二章c d m a 2 0 0 0 系统及其分组网络 根据信产部统计，2 0 0 4 年6 月，中国的移动用户数量已达3 1 亿户，其中中国移动的g p r s 和中国联通的c d m a i x 用户已经超过1 3 0 0 万，而2 0 0 5 年5 月中国联通公布的数据显示，c d m a i x 累计用户已经达到了3 0 4 7 万。因此研究和开发基于c d m a 2 0 0 0 系统的移动监管系统具有十 分重要的意义。论文首先介绍c d m a 2 0 0 0 系统的组成结构，并着重讨论与手机上网相关的 c d m a 2 0 0 0 数据分组网络，然后分析了分组数据通信的相关协议，和c d m a 2 0 0 0 数字蜂窝系 统警用警用接口规范。 2 1c d m a 2 0 0 0 系统的网络结构 c d m a 网络结构属于典型的数字蜂窝移动通信网络结构”，图2 - 1 给出了c d m a 网络结构 的框图： 。 统 图2 1c d m a 2 0 0 0 系统网络结构示意图 移动终端：移动终端是用户接入无线网络和使用各类应用服务的物理装置。它由两部分组 成：移动设备( m o b i l es y s t e m ，m s ) 和用户识别模块( u s e ri d e n t i t ym o d u l e ，u i m ) 。其中u i m 提 供了重要的用户i m s i 号，它能唯一定义不同地区的移动终端，长度为3 2 b i t 。它固化在移动设 备中，这个序列号一定是全球唯一的。因此i m s i 号可以作为整个无线通讯的最终用户识别标志， 项目中很大一部分的工作就是围绕它来展开的。 无线部分：无线部分是c d m a 2 0 0 0 技术中最为活跃的部分，为移动用户提供服务的无线接 入点，实现了从无线信息传输形式到有线信息传输形式的转换：完成空中无线资源的管理和控 制；并与网络交换系统州s s ) 交换必要的信息。无线网络在电路域中是通常意义上的基站系统 ( b s s ) ，它的结构如图2 - 2 所示。它包括基站收发信机( b t s ) 和机站控制器( b s c ) 两个主要部分。 6 第二章c d i n 2 0 0 0 系统极其分组网络 b t s 是用户在在元件区域内通信所需的实际装置，主要完成传输介质形式的转换，进彳亍无线网 络和有线网络之间的转换，主要完成无线信号的编码、解码、调制、解调、扩频，解扩，功率 放大、功率控制等功能。b s c 负责提供对无线网络资源的管理控制，主要完成和语音有关的无 线信道控制、码型变换和速率变换等功能b s c 通过a b i s 接口与基站收发信机通讯。此接口为 设备制造商的私有接n 对外界用户来说是透明的。同时，基站控制嚣还需要支持与移动交换机 之间的a 接口。该接口由3 g p p 2 定义，实现了标准化。由于基站控制器与移动交换机之间既需 要传输信令信息，也需要传输用户业务数据，所以此处的a 接n 又根据传输数据的不同类型划 分为a 1 - - a 1 0 接口。其中。a i a 2 接口负责传输基站控制器与移动交换机之间的语音和短消息 业务数据。 除了b t s 和b s c 之外，在无线网络中还增添了重要设备分组控制功能( p c f ) ，它的存在是为 了支持c d m a 2 0 0 0 - 1 x 系统的高速分组数据业务。它主要完成无线数据到分组交换数的格式处 理，并与网络交换系统中的分组数据服务节点( p d s n ) 建立、维护和释放第二层的链路连接。 a 8 a 9 、a 1 0 a 1 1 都是基于m 网络通讯的。其中a 8 a 9 端口作为内部私有接口未开放，这样 a 1 0 a l l 就成了基于p 网络通讯的唯一a 接口，它提供了p c f 与p d s n 分组数据传输的建立 以及高速分组数据传输通道。 u m h i s p s t n i s d n 图2 - 2 无线网络与网络交换系统详细结构示意图 网络交换系统：该系统为移动用户提供基于语音电路交换、分组交换和短消息服务。c d m a 手机移动用户在与移动互联网上的用户或其他的c d m a 移动用户进行分组数据交互时，其传输 的路径沿途经过了u m 空中接口、a b i s 接口和a 8 a 9 【l l 】，a 1 0 a l l 等a 接口。而语音和短消息 传输经过的路径沿途经过了u m 空中接口、a b i s 接口和a i a 2 等a 接口。关于电路交换部分与 本文相关度不大所以略去不介绍。无线网络的分组域部分为移动用户提供基于口技术的分组数 据服务，包括：采用加密或不加密的方式登陆i n t e m e t 并获得互联网服务提供商l i s p ) 提供的各 7 东南大学硕士学位论文 种服务，同时提供这些服务所必需的路由选择、用户数据管理、移动性管理等功能。主要的功 能实体为分组数据服务节点0 d s ：n ) ，它通过a i o a 1 l 接口与p c f 相通讯提供路由选择，p p p 链路层任务的建立、维护与终止等。当要实现移动m 或者是认证计费功能时，分组域也要提供 归属代理( i - i a ) 和认证、授权与计费服务器( 从a ) 服务。而短消息业务部分数据则是通过短消息 中心( m s c ) 传输，它传输的数据和方向与口网络数据完全不一样。 。 操作维护系统：操作维护系统是对网络设备进行维护的工具，提供了网络维护人员与网络 设备之间的人机接口。 从c d m a 网络结构各功能设备来看，由于本项目所关注的是与互联网数据传输相关的内容 监管，因此本文讨论的重点在于监控与m 网络分组数据传输相关的设备，p c f 和p d s n 之间的 通讯链路是一个理想的切入点。 2 2c d m a 2 0 0 0 分组域网络交换系统结构及其功能 c d m a 2 0 0 01 x 分组域网络结构，遵循的标准为 3 g p 2e s 0 0 0 1 a v 3 0 0w i r e l e s si p n e t w o r ks t a n d a r d , j u l y2 0 0 1 ) ) 7 “，它定义的c d m a 2 0 0 0i x 分组域网络拓扑结构如图2 - 3 所示。 归属地l p 网络 私有网络业务提供者网络 图2 3c d m a 2 0 0 0 i x 核心网分组域结构示意图 移动互联网监管系统晟主要的任务就是获取移动互联网上传输的数据。根据信息产业部移 动通信系统警朋接口技术要求例中的规定，针对c d m a 2 0 0 0 系统，监听的内容应该包括以下几 个方面：1 ) 基本业务：普通语音、短消息；2 ) 承载业务：包括传真及电路型数据业务等；3 ) 补充业务：呼叫前转、呼叫等待、三方通话、呼叫转接、应答保持、主叫号码显示、主叫号码 8 一9 一国 m p ，是 络，一喟3 扫 一 拜& 一舻 ， ，酷盎 毋一 第二章c b m a 2 0 0 0 系统极其分组网络 限制等；4 ) 分组数据业务；5 ) 其他话务相关或无关的活动，包括定位业务操作 就本项目而言，主要针对分组数据业务的监听，监控的对象是用户通过c d m a 访问互联网 的业务，包括电子邮件和w w w 浏览。因此我们分析与项目相关的“热点”设备和通讯链路，即 p d s n 和p c f 设备以及两者之间的r - p 链路。 p d s n 作为无线移动用户接入i n t c m e t 网络的接入设备，承担了c d m a 网络与i n t e m e t 网络 的数据交换服务器的功能，在网络中起桥梁作用。p d s n 的主要作用有：和p c f 建立g r e 隧道 ( 通常称为r - p 接口或者a 1 0 a 1 1 接口) ；负责和移动终端间的p p p 链接的建立、保持和拆除， 同时完成用户数据格式的转换；将i n t c * r n e t 数据路由到移动终端，将移动终端的数据路由到 i n t e a n e t ；采集用户适用的详细几率u d r ，同时作为鼬d h 玲客户端，向r a 曲b 服务器发送u d r ； 在移动m 应用中，为外地代理( f o r e i 弘a g t ) 和归属代理( l 咄a g e n t ) 建立移动p 隧道。 与此同时，属于交换网络中的分组控制功能o ) c b 设备通常作为无线网络设备而设置于基站 控制器s c ) 内，或者与b s c 同址外置，但它作为完成分组业务所必须的功能单元，其主要功 能如下： 与p d s n 建立、保持和终结p p p 连接；与p d s n 互操作支持体眠切换；保持激活和 体眠无线资源状态；缓存由p d s n 到达的分组数据；转发来自p d s n 的分组数据，同时也把分 组数据转发至p d s n ：映射移动台d 和连接会话号到p p p 连接标识符，用于与p d s n 通讯；支 持收集和发送与计费相关的空中链路信息到p d s n 另外p c f ( r n ) 和p d s n 之间的接口是 r n - t o - p d s n ；j 妾口，即r - p 接口。r - p 接口是无线处 理与有线处理的分界。r - p 接口包括两个元素，a l l 接口和a 1 0 接e l 。它们都被看做a 接口 的一部分。a l l 接口是信令接口，使用基于移动m 的注册信令( 承载在u d p 协议之上) ，其任 务是协商建立a 1 0 接口通道。a l l 接口只是使用移动口的信令，r - p 之间的数据传输接口并不 使用移动球业务。a 1 l 信令的通讯协商完毕后r - p 链路就建通，同时a l o 数据通道也就处于激 活状态，所有的d 分组域数据都从此接口传输。因此a 1 0 接口是数据传输接口，它使用理协 议承载g r e 封装的h d l c 帧。这样p c f 与p d s n 之间就实现了通过g r e 隧道实现点到点的直 连，如图2 - 3 所示。r - p 接口中的具体协议和交互流程研究在下节介绍。 2 3c d m a 2 0 0 0 分组域网络相关协议研究 无线接入节点和p d s n 之间的r - p 接口，是p c f 和p d s n 之间的标准接口。r - p 接口涉及 的协议包括：g r e 协议、口协议、u d p 协议和链路层协议。另外，r - p 协议承载p p p 协议。 系统要监控分组域的数据就必须对以上协议进行研究，最终获取用户的上网真实内容并实施监 控。这些协议的研究对系统的逻辑实现至关重要。因此是论文研究的重点。 9 东南大学硕士学位论文 2 3 1a l l a 1 0 协议分析 1 ) a l l 协议 p c f 和p d s n 通过a 1 l 握手协议相互协商，从而完成对a 1 0 通路的建立，刷新，会话更新 和断开等一系列操作”】。如图2 - 4 所示给出了a l l 接口的协议栈模型。 田田 回 固田 回 回田 竺! 回 口 厂五 凡 p l 图2 - 4 a 1 1 接口的协议栈模型 移动口的信令是通过u d p i p 及数据链路层( d l l ) 物理层口l ) 来承载的，d l i p l 可根据需 求选择适宜的网络技术。 2 ) a 1 0 协议 a 1 0 接口是r - p 接口的数据接口。它由a l l 信令接口建立。a 1 0 数据接口的r - p 逻辑链路 选用了隧道技术来实现，这个隧道采用g r e 技术。其中a h d l c 为被承载的协议，g r e 为封装 方法，口为承载协议。m s 发送的p p p 数据被封装为a h d l c 帧，经由空中链路到达r n ，r n 并不关心a h d l c 帧的内容，只是进行g r e 封装，通过p 协议传送到p d s n 。图2 - 5 显示了 a 1 0 数据接口的协议栈模型： ： 淄 i ! | i 囚；固 r i i 竺l ；m口! d _ 厂；1 c d m a m r 。i p l 图2 - 5a 1 0 数据接口的协议栈模型 1 0 第二幸c i ) m 2 0 0 0 系统极其分组网络 r n 与p d s n 之间的g r e 隧道是共享的，即多个用户使用一个g r e 隧道这些用户是通 过g r e 包头中的k e y 字段( s os e s s i o n l l 3 ) 来区分。g r e 使用p r o t o c o l t y p e 字段来规定被承载 协议的类型，如：a h d l c 使用8 8 8 1 、p 使用0 8 0 0 a 1 0 数据接口的r - p 链路是逻辑链路，它需要通过具体的物理链路来承载传输。具体的物 理链路是通过低层网络来实现的，对应的协议层次为数据链路层l l ) 和物理层口l ) 。由于业务 承载的是p p p 协议，因而可以使用口o v e ra t m 或i po v e rs d h 作为数据业务协议的物理层和 r - p 层。在p d s n 实验系统中，考虑到在现有具有路由器功能的服务器上实现p d s n 功能，我 们采用1 0 0 m b i t ，s 的以太网，这样对开展数据业务十分有利。 a 1 0 数据接口的r - p 链路的两端都引入了p 地址，但可以从协议的层次看到，这个口只 是r - p 数据接口使用的局部地址，只局限于a 1 0 数据接口的r - p 链路上使用，没有全局性，它 与m s 使用的口地址没有相遇的机会。 3 ) a 1 0 a l l 协议帧格式 p c f 和p d s n 通过a l l 信令进行协商，从而实现对a 1 0 的一系列操作。a l l 共有6 种协议 帧，如下表2 一l 所示。a l l a 1 0 协议格式见文献【。例如a l l 请求注册帧，用于建立一个a 1 0 链接，对一个已经存在的a 1 0 链接进行重薪注册，或清除一个a 1 0 链接，传递计费相关信息， 表明所有的数据包服务时隙处于休眠状态，或者转的快速切换的相关信息。a l l 注册请求帧的 格式如下： a l lm e s s a g e t y p e ：表示了a l l 信令的类型。如0 1 h 表明此帧是注册请求信令帧。 f l a g s ：对a a g s 域的各个位的设置，决定了接收端如何解释a l l 信令的接口消息以及a 1 0 连接的特征。 表2 - 1a l l 协议帧 帧格式传输方向功能 a 1 1 注册请求 p c f 一 p d s np c f 向p d s n 发送a l l 注册请求信令，用来建立 a 1 0 的连接，并且对之进行周期刷新和断开操作。 a 1 1 注册应答 p d s n 一 p c fp d s n 向p c f 发送注册应答，对注册请求进行响 应。 a 1 1 注册更新p d s n 一 p c fp d s n 向p c f 发送注册更新，来释放当前的a 1 0 连接 a 1 1 注册更新回复 p c f 一 p d s np c f 向p d s n 发送注册更新回复信令，来响应注 册更新信令 a 1 1 会话更新p d s n 一 p c fp d s n 向p c f 发送会话更新信令，用来增加，更 改或更新a 1 0 连接的会话参数。 a 1 1 会话更新回复p c f 一 】d s n p c f 发送此信令给p d s n ，来响应会话更新。 东南大学硕士学位论文 l i f e t i m e ：这个域表明了信令发送端所期望的a i o 连接的最长生命周期( 以秒为单位) 。 h o m ea d d r e s s ：所有的a l l 信令必须包含这个域，但是这个域并不包含对于a l l 接口有用 的信息。 h o m e a g e n t ：此域标识了终结a 1 0 连接的p d s n 的i p v 4 地址。 c a r e - o f - a d d r e s s ：此域标识了终结a 1 0 连接的p c f 的i p v 4 地址。 i d t i f l c a t i o n ：此域用于p c f 和p d s n 将注册请求和注册回复，注册更新和注册更新应答， 会话更新和会话更新应答三对握手信令配对。同时也可以通过时间戳来防止重放攻击。 s e s s i o ns p e c i f i ce x t e n t i o n ：所有的a 1 1 信令都有这个域。在这个域里面，包含了移动标识 ( n v i s i ) 和会话特定信息( m s w ) 。监管系统系统中对源的追溯就要用到i m s i 号，对会话的标识要 用到m s i d 号，在后面的介绍的g r e 帧中它直接对应于k e y 号。 c r i t i c a lv e n d o r o r g a n i z a t i o ns p e c i f i ce x t e n s i o n ：在注册请求信令中，p c f 通过此域将用户的 相关计费信息传给p d s n ；在注册回复信令中，p d s n 通过此域将可用数据标识( d a i ) 在快速切换 的时候传给p c f 。 n o r m a lv e n d o r o r g n i z a t i o ns p e c i f i ce x t e n s i o n ：在注册请求信令中，p c f 将p a n i d c a n i d 和 p - p 锚地址( a n c h o rp - p a d d r e s s