（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式linux的移动通信终端的研究.pdf

摘要 导航与监控系统是集合o p s 全球定位技术、移动通信技术、地理信g 系统( o i s ) 于一体的综合系统，具有对移动目标进行自动跟踪定位、实时情报处理、地图匹 配显示与指挥调度功能，适用于车辆、船舶的自动定位、指挥中心的监控与综合 调度指挥。该系统可用于公安、海事、消防、公共汽车公司、出租汽车公司等单 位的车队或船队的导航与监控，是各种车队、船队集中式管理的必然发展方向。 本课题充分利用g p r s 技术无线通信的优点，结合g p s 全球定位技术和g i s 地理信息系统技术，给出了一个对移动终端进行导航与监控的具体实现方案，并 进行了实际移动终端的设计。移动终端接收g p s 定位信息，通过g p r s 网络发送 到监控中心，并结合( 3 i s 技术，在矢量地图上实时显示终端当前位置和移动状态。 本文首先提出了基于g p r s 的导航与监控系统方案，并对该方案中移动终端实 现所需要的主要技术进行了分析。论文随后详尽地给出了移动终端的硬件设计和 软件实现。移动终端包括g p s 模块、g p r s 模块、嵌入式微处理器、l c d 显示器 和触摸屏，主要完成了定位数据的接收、o p r s 模块的控制、p p p 协议和t c p i p 协议的实现、矢量地图的绘制和人机交互。 课题终端软件在l i n u x 操作系统下完成，重点是网络通信的实现。与l i n u x 操 作系统下传统的实现方法不同，课题出于终端实际应用硬件资源和代码可移植性 等方面的考虑，在不降低网络性能、甚至是提高部分关键性能指标的前提下，采 取了自主开发网络协议栈。课题自主开发的p p p 协议和t c p i p 协议栈，依据移动 终端特点设计，提高了一次连接成功率，减少了网络断线重连时间，保证了数据 的可靠、实时、透明传输。 本课题关键研究成果已成功应用于交通部西部项目汉江航行安全与保障信 息系统，该项目已在陕西省安康市汉江段部分船舶上安装试运行。 关键词：移动终端；g p r s ；g p s ；g i s a b s t r a c t n a v i g a t i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mi sa l li n t e g r a t e ds y s t e mi n c l u d i n gg p s 、m o b i l e c o m m u n i c a t i o na n dg i st e c h n i q u e s i tc a l lb eu s e dt ot r a c ka n d p o s i t i o nf o rt h em o b i l e t a r g e t ，t op r o c e s st h er e a l - t i m ei n f o r m a t i o n ，t od i s p l a ya n dm a t c hi nt h em a p ，a n dt o d i s p a t c ht h em o b i l et a r g e t s i tc a l lb eu s e dt ot r a c ka n dm o n i t o rt h ev e h i c l e so rs h i p sf o r t h ep o l i c e ，t h em a r i t i m e ，t h ef i r e - c o n t r o l ，a n dt h eb u sa n dt a x ic o m p a n y i tw i l lb et h e c e r t a i nd e v e l o p m e n tt r e n do f c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n to f t h ev e h i c l e so rt h es h i p s t h i st h e s i sm a k e sf u l lu s eo ft h ev i r t u eo fo p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) t e c h n i q u e ，a n dc o m b i n e d 诵t l lt h et e c h n i q u eo fg p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) a n dg i s ( g e o p h y s i c si n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，p r o p o s e sap r o j e c tf o rm o b i l et e r m i n a ln a v i g a t i n g a n dm o n i t o r i n g t h em o b i l et e r m i n a lr e c e i v e st h eg p sp o s i t i o ni n f o r m a t i o n ，a n ds e n d s i tt om o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g ht h eg p r sn e t a n dw i t ht h et e c h n i q u eo fg i s ，t h e t e r m i n a ld i s p l a y st h et e r m i n a l 8g e o p h y s i c sp o s i t i o na n ds t a t u so nt h ev e c t o rm a po n t h e l c d a tf i r s tt h i sp a p e rd e s c r i b e st h en a v i g a t i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r s a n da n a l y s e st h ek e yt e c h n i q u e so ft h et e r m i n a li nt h es y s t e m i ns u c c e s s i o n ，t h i sp a p e r i n e d u c e st h ed e s i g n e dh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ei m p l e m e n to ft h em o b i l et e r m i n a l t h em 曲i l et e r m i n a li sc o m p o s e do f t h eg p sr e c e i v e r , t h eg p r sm e d u l e ，t h ee m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r , t h el c d a n dt h et o u c h - s c r e e n t h ef u n c t i o n so ft h ed e s i g n e dm o b i l e t e r m i n a la r ei n c l u d i n gr e c e i v i n ga n dp r o c e s s i n gt h eg p sd a t a , c o n t r o l l i n gt h eg p r s m o d u l e 。i m p l e m e n t i n gt h ep p pa n dt c p i pp r o t o c o l s ，d r a w i n gt h ev e c t o rm a p ，a n d c o m m u n i c a t i n gw i t ht h eu s e r t h es o f t w a r eo ft h et e r m i n a li si m p l e m e n t e di nt h el i n u xo p e r a t i o ns y s t e m t h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni st h ee m p h a s i s d i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o nm e a n s ，t h e 也e s i s r e d e s i g n st h ei n t e m e tp r o t o c o l s ，c o n s i d e r i n g t h eh a r d w a r er e s o u r c o so ft h em o b i l e t e r m i n a la n dt h ec o d er e p l a n ti nt h es i m i l a ra p p l i c a t i o n s t h ep r o t o c o l s ，d e s i g n e db a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h em o b i l et e r m i n a l ，i n c r e a s et h e s u c c e s s f u lr a t eo f o n e t i m e c o n n e c t d e c r e a s et h et i m eo fr e c o n n e c tw h e nt h en e t w o r ki so f f l i n e ，a n d g u a r a n t e et h ec r e d i b i l i t y , r e a l t i m ea n dt r a n s p a r e n c eo f d a t ac o m m u n i c a t i o n t t h ek e yp r o g e n yo f t h er e s e a r c hh a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yt ot h ep r o j e c to f t h e n a t i o n a lw e s td e v e l o p m e n t “t h ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e mo fh a nr i v e rt r a f f i c s a f e t y ”，w h i c hh a sb e e np u ti np r a c t i c e0 1 1p a r ts h i p sa ta n k a n gc i t y , s h a m x ip r o v i n c e k e yw o r d s ：m o b i l et e r m i n a l ；g p r s ；g p s ；g i s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文 ! 基王壁厶式坠鱼些鳆整动通信堡端的班究：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：芬陡砖硝年弓月巧 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密圈( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：彩眩讳导师签名：喇 日期：0 6 年弓月咖 第一章绪论 1 1 课题的提出 基于嵌入式l i n u x 的移动通信终端是移动终端导航与监控系统的一部分。该系 统是集合g p s 全球定位技术、移动通信技术、地理信息系统( g i s ) 于一体的综合系 统，具有对移动目标进行自动跟踪定位、实时信息处理、地图匹配显示与指挥调 度功能，适用于车辆、船舶的自动定位、指挥中心的监控与综合调度指挥。该系 统可用于公安、海事、消防、公共汽车公司、出租汽车公司等单位的车队或船队 的跟踪与监控，是各种车队、船队集中式管理的必然发展方向。 目前，该类导航与监控系统有两种实现方式：一是单独组网，通过开发模拟 无线数据收发基站和无线模块来实现数据的传输：一是利用现有的g s m 网络来实 现。在前一种方式中，数据的传输距离主要由发射机的功率来决定，适合小范围 的监控，主要有如下几个问题【i 】： 前期开发和后期维护费用巨大： 监控范围受限； 数据安全性得不到保障。 现有的系统通常是采用后一种方式，利用这种方式可以很大程度解决上述问 题，如移动终端只需一次性购买无线模块，平时支付少量运行费用；利用公有的 o s m 网络，监控范围可以大大增加，只要是中国移动覆盖的地方都可以实现监控； 数据的安全性由g s m 阿络来保障。这种方式有以下两种实现方案：利用o s m 短 信和利用g p r s 技术。 利用g s m 短信方案典型应用如下图所示【2 】。 图1 1 短信方案示意图 f 蟾1 1t h es o l u t i o nb a s e do i ls m s 在该方案中，移动终端实时采集终端的定位数据及状态数据并进行处理，将 处理后的数据定时以短信发送到短信服务中心或指定的手机号上；监控中心利用 i n t e m e t 与短信服务中心实现数据的交换，或者通过接收指定手机号的短信接收终 端的定位数据和状态数据；同时，监控中心可以通过短信服务中心或者指定的手 机直接发送短信到移动终端，对终端进行直接的控制。这种方案实现方式简单， 它最大的特点是打破了距离的限制，其优点在于无需建立连接，服务费用相对较 低，但也有很多缺陷： 传送时间不确定：因为短信采用信道命令时隙来传送，没有专门的数据通 道，所以在命令时隙出现繁忙时容易出现数据传送延迟或丢失的情况，缺 乏一定的安全性； 信道容量有限：一条短信最多可以承载1 6 0 个英文字母或7 0 个汉字，数 据发送长度受限； 可扩展性差：以s m s 为主要通信链路，受链路带宽的影响，无法进一步 扩展将来的其他数据传输业务。 o p r s ( g - e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线业务) 是在现有g s m 网络上 发展出来的一种新的分组交换数据应用业务。g p r s 是全球移动通信网络技术向第 三代移动通信( 3 g ) 演进的主流技术和重要里程碑，被称为2 5 代移动通信。与g s m 电路交换相比，g p r s 的最大优点是引入了分组交换能力。利用该技术的典型应用 2 如下图所示【2 】。 图1 2g p r s 方案示意图 f i g 1 2t h es o l u t i o nb a s e do ng p r s 与短信方案相比，该方案在实时性、通信费用等方面具有相当大的优势。g p r s 给移动终端提供了高速的i p 服务，数据封装在i p 报文中进行传输，其最大传输效 率高达9 0 。另外，根据系统实际传输数据的特点，小量突发数据按流量计算是 非常合算的。以一次传输定位数据为例，短信方式下的通信费用为0 1 元，而g p r s 方式下的通信费用不到1 分钱( 仅以通常情况下1 分) ，降低了9 0 以上，非常具 有成本优势。此外，利用g p r s 进行数据传输还具有如下特点【3 】： 接入范围广。g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的 电信网络，方便、快速、低成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部 署： 高速传输。g p r s 传输速率高，数据传输速度可达5 7 6 k b p s ，最高可达到 1 7 1 k b p s ，是常用有线m o d e m 理想速率的两倍，是当前g s m 网络中电路 数据交换业务速度的几十倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达 3 8 4 k b p s ，完全可以满足用户应用需求； 快捷登录。g p r s 接入时间短，接入等待时间短，可快速建立连接，平均 耗时为两秒； 永远在线。g p r s 提供实时在线功能，用户随时与网络保持联系，即使没 有数据传送，终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、 快速； 按流量计费。用户只有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直 在线，按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传 递时，用户即使挂在网上也不收费。 切换自如。用户在进行数据传输时，不影响语音信号的接收。数据业务和 语音业务的切换有两种方式：自动和手动，具体形式依据不同的终端而定。 本课题采用了g p r s 技术方案，移动终端在嵌入式l i n u x 操作系统平台下使用 g p r s 模块接入i n t e m e t ，与监控中心建立安全可靠的通信链路，实现对移动终端 的导航与监控。课题的研究是结合交通部西部开发项目“汉江航行安全保障综合 信息系统”，根据用户的需求，开发简易移动终端设备以及具有地图显示的增强型 移动终端设备。 1 2 主要研究内容和创新点 本课题主要完成移动终端的设计，包括移动终端的硬件组成和软件实现。软 件实现是本课题的重点，它在l i n u x 操作系统平台下完成。课题实现了如下几个方 面： f 1 ) g p r s 无线接入技术关键协议p p p 协议的研究及其自主研发； 移动终端协议实现可靠数据传输的关键协议t c p i p 协议的研究及其自主 研发； ( 3 ) 移动终端矢量地图和初步导航功能的实现。 本文结构如下： 第一章提出课题的来源、意义及主要研究内容； 第二章首先提出了基于g p r s 的导航与监控系统，随后对移动终端涉及的关 键技术给出了详尽的分析： 第三章提出移动终端的硬件设计和软件开发平台的搭建； 第四章给出了移动终端软件的设计及具体实现，重点是网络通信协议即p p p 协议和t c p i p 协议栈的实现； 第五章对课题现有的工作进行总结并确定移动终端下一步研究方向。 4 第二章通信系统及终端关键技术 2 1 基于g p r s 的导航与监控系统简介 本系统组成原理如图2 1 所示。 泊 勰扩 图2 1 基于g p r s 的导航与监控系统的组成原理 f i g 2 1n a f i g a t i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t o mb e do ng p r s 移动终端通过g p s 全球定位模块获得终端的位置信息，当它捕获4 颗以上的 g p s 卫星后就可以实时地确定移动终端的位置信息，主要包括经度、纬度、速度 和方向等。终端处理器读取这些数据，然后通过移动终端上的g p r s 模块将这些 数据通过g p r s 移动通信网和i n t e m e t 传送到监控中心。监控中心收到位置数据后， 将其映射到电子地图上，以此实现对移动终端的实时监控。同时，监控中心可以 利用此通信平台传输各种指令，从而实现对移动终端的远程控制和调度。整个系 统分为两个部分：监控中心和移动终端。本文主要负责移动终端的开发，主要涉 及到嵌入式l i n u x 操作系统、g p r s 、t c p a p 协议、g i s 等关键技术。 2 2 嵌入式l i n u x 操作系统应用分析 2 2 1 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统一般是指操作系统的内核或微内核。嵌入式操作系统是嵌入 式系统的灵魂，它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的 总工作量，提高了嵌入式软件的可移植性。对于嵌入式系统而言。应用程序可以 没有操作系统直接在芯片上运行，但是为了合理的调度多任务，利用系统资源、 系统函数以及和专家库函数接口，必须选择嵌入式操作系统开发平台，这样才能 保证程序执行的实时性、可靠性，保证软件质量。 十量舄；螽 一个优秀的嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键，嵌入式操作系统具备 一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等， 但为了适应嵌入式产品的发展要求，还需要具有以下特点【l 】： 由于嵌入式设备硬件平台的多样性，c p u 芯片的快速更新，嵌入式操作 系统要求具有更好的硬件适应性，即良好的移植性； 要求占有更少的硬件资源，即小巧。嵌入式系统所能提供的资源有限，所 以嵌入式操作系统必须小巧以满足嵌入式系统硬件的限制； 可装载与卸载，即可根据应用需要进行装卸，对嵌入式操作系统的各个部 分进行优化或删除； 要求高可靠性。 目前存在的嵌入式操作系统很多，著名的有：w i n d o w sc e 、p a l m o s 、v x w o r k s 、 p s o s 、l i n u x 等。其中，l i n u x 作为一种可裁减的软件平台系统，是发展未来嵌入 式设备产品的绝佳选择，况且，l i n u x 更小、更稳定，而且是免费的，在价格上极 具竞争力。 2 2 2l i n u x 操作系统 l i n u x 是功能上毫不逊色于其他商业操作系统的一个免费的操作系统，和一般 操作系统一样，它在计算机系统的软件和硬件上提供通信服务，它充分体现了操 作系统的发展趋势，即开放、稳定、标准。 n 1l i n u x 的基本特征 i j 是真正的多用户、多任务操作系统； 是符合p o s l x ( 可移植操作系统接口) 标准的系统； 采用页式存储管理； 支持动态链接库； 提供具有内置安全措施的分层的文件系统： 提供s h e l l 命令解释程序和编程语言； 提供强大的管理功能，包括远程管理功能； 具有内核的编程接口； 具有图形用户接口； 6 具有大量有用的实用程序和通信、联网工具； 具有面向屏幕的编辑软件； 大量的高级程序设计语言已移植到l i n u x 系统上，因而它是理想的应用软 件开发平台。 ( 2 ) l i n u x 的独特之处1 1 l i n u x 除了具有上述特征之外，还有许多独特之处： 它的许多组成部分的源代码是开放的，任何人都能通过i n t e m e t 或其他媒 体得到它，并可以修改和重新发布； 它可以运行在许多硬件平台上。 它支持大量的外部设备。 它支持多种文件系统。 它不仅可以运行许多自由发布的应用软件，还可以运行许多商品化的应用 软件。 通过各种仿真软件，l i n u x 系统还能运行许多其它操作系统的应用软件。 2 2 3l i n u x 多线程编程技术 线程技术早在6 0 年代就被提出，但真正应用多线程到操作系统中去，是在8 0 年代中期，s o l a r i s 是这方面的佼佼者。传统的u n i x 也支持线程的概念，但是在一 个进程中只允许有一个线程，这样多线程就意味着多进程。现在，多线程技术已 经被许多操作系统支持，包括l i n u x 。 与进程相比，多线程是一种非常“节俭”的多任务操作方式。在l i n u x 系统下， 启动一个新的进程必须分配给它独立的地址空间，建立众多的数据表来维护它的 代码段、堆栈段和数据段，这是一种“昂贵”的多任务工作方式。而运行于一个 进程中的多个线程，它们彼此之间使用相同的地址空间，共享大部分数据，启动 一个线程所花费的空间远远小于启动一个进程所花费的空间，而且，线程间彼此 切换所需的时间也远远小于进程间切换所需要的时间。据统计，总的说来，一个 进程的开销大约是一个线程开销的3 0 倍左右，当然，在具体的系统上，这个数据 可能会有较大的区别。 另外，在多线程中，线程间的通信机制相对方便。对不同进程来说，它们具 7 有独立的数据空间，要进行数据的传递只能通过通信的方式进行，这种方式不仅 费时，而且很不方便。线程则不然，由于同一进程下的线程之间共享数据空间， 所以一个线程的数据可以直接为其它线程所用，这不仅快捷，而且方便。当然， 数据的共享也带来其他一些问题，有的变量不能同时被两个线程所修改，有的子 程序中声明为s t a t i c 的数据更有可能给多线程程序带来灾难性的打击，这些正是编 写多线程程序时最需要注意的地方。 除了以上所说的优点外，多线程程序作为一种多任务、并发的工作方式，当 然有以下的优点 4 1 ： ( 1 ) 提高应用程序响应。这对图形界面的程序尤其有意义，当一个操作耗时很 长时，整个系统都会等待这个操作，此时程序不会响应键盘、鼠标、菜单的操作， 而使用多线程技术，将耗时长的操作( t i m ec o n s u m i n g ) 置于一个新的线程，可以避 免这种尴尬的情况； ( 2 ) 使多c p u 系统更加有效。操作系统会保证当线程数不大于c p u 数目时， 不同的线程运行于不同的c p u 上； ( 3 ) 改善程序结构。一个既长又复杂的进程可以考虑分为多个线程，成为几个 独立或半独立的运行部分，这样的程序会利于理解和修改。 2 3g p r s 无线接入技术应用分析 本系统中移动终端与监控中心的信息交互属于突发的、小数据量的信息，信 息传输不需要很宽的带宽，并且需要长时间附着在网络上，这正好符合g p r s 系 统分组数据传输的特性。因此，本系统中采用无线接入方式，利用中国移动公司 遍布全国的o p r s 网络作为接入网，通过在g p r s 模块实现移动终端的无线接入 i n t e r a c t 。 2 3 1g p r s 结构 g p r s 是在g s m 系统的基础上引入新部件而构成的无线数据传输系统，是 o s m 向3 g 过渡的桥梁。( 3 p r s 使用分组交换技术，完全兼容g s m 系统并在网络 上更加有效地传输高速数据和信令，可以优化利用网络和无线资源，使现有的g s m 系统的性能得到增强。g p r s 采用与g s m 相同的频段、相同的频带宽度、相同的 突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的t d m a 帧结构。在 构建g p r s 系统时，g s m 系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需做软 件升级。 g p r s 将g s m 网络的硬件变化降到最低，在现有的g s m 网络中引入几个关 键性的功能模块，且对g s m 的相关设备进行相应的软硬件升级构成g p r s 网络。 s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、g g s n ( g p r s 网关支持节点) 和p c u ( 分组控制单元) 是三个新增组件。另外，g s m 网络中的h l r 需要增加g p r s 用户信息。m s c v l r 可以根据需要升级，更有效的协调g p r s 和非g p r s 业务和功能。 g p r s 的网络结构如图2 2 所示，其主要网元包括s g s n 、g g s n 、p c u 、计 费网关、边缘网关等【3 j 。 图2 2g p r s 网络结构 f i g 2 1t h en e t w o r kf l a m eo f g p r s 在g p r s 网络中，逻辑节点s g s n 和c s n ( 合称g s n ) 支持分组数据在p l m n 上独立路由和传输。g g s n 作为外部分组数据网络的逻辑接口，通过基于1 p 的 g p r s 骨干网络与s g s n 连接，主要起网关作用。对外网两言，g g s n 相当于一个 路由器，负责存储已经获得g p r s 业务的用户路由信息。同时它还完成g p r s 网 与外部网之间的协议转换，以保证m s 与外网之问分组数据的顺利传送。另外， 它还具有地址分配、计费和防火墙的功能。 s g s n 的主要任务是对m s 进行鉴权和移动性管理，执行安全功能和接入控制， 如记录m s 当前的位置信息等。并在m s 和g g s n 之间完成移动分组数据的处理 9 和传送，他还具有计费网关、边缘网关和防火墙的功能。s g s n 在g p r s 网中的功 能与g s m 网中的m s c v l r 相似。 p c u 负责实现许多g p r s 的相关功能，包括控制接口接入控制、空中接口上 的分组调度以及分组组装与重新调度等。p c u 可以被安置在b t s 、b s c 或s g s n 处，实际实施时常在物理上将p c u 与b s c 集成在一起。 在g p r s 系统中，m s c v l r 的功能主要体现在新增的g s 接口上。m s c v l r 以g s 接口与s g s n 连接，为支持g s 接口，m s c v l r 需要做软件升级。m s c 主 要负责呼叫的建立( 包括鉴权) ；v l r 负责存储和更新用户数据，这些用户是指那些 漫游到该v l r 管辖地区中的移动用户。 g r ( g p r s 寄存器) 是专门用来存储g p r s 用户数据的，包括服务信息和路由信 息等。物理上，g r 集成在h l r 中，通过对h l r 软件升级来实现g r 的功能。h l r g r 的信息可以从s g s n 存取，h l r g r 具有如下功能：判断用户是否允许接入：记 录用户信息；支持g p r s 短消息。 c g 用于g p r s 系统的计费。c g 收集、暂时存储和转存从s g s n 和g g s n 来 的计费信息，采用f t p 协议把计费数据传送到计费中心b c 。g p r s 的计费系统可 以独立于g s m 的计费系统，也可以通过g s m 计费系统的升级( 增加g p r s 计费模 块) 来实现。 g p r s 系统原理如图2 3 所示。 图2 3g p r s 系统原理图 f 培2 , 3l h es y g l e mp r i n c i p l eo f g p r s m s 与g s m 基站通信，但与电路交换数据呼叫不同，g p r s 分组是从基站发 送到s g s n ，而不是通过移动交换中，5 ( m s c ) 连接到语音网络上。s g s n 与g g s n 进行通信，g g s n 对分组进行相应的处理，再发送到目的网络。来自i n t e r a c t 标识 1 0 有移动台地址的i p 包，由o g s n 接收，再转发到s g s n ，继而传送到m s 。s g s n 通过帧中继与b t s 相连，是g s m 网络与m s 之间的接口。s g s n 的主要作用是记 录m s 的当前位置信息，并在m s 和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。 o g s n 通过基于i p 协议的g p r s 骨干网连接到s o s n ，将g s m 网络中的g p r s 分组数据包进行转换，并传送到远端的外部分组交换网。g g s n 是连接g s m 网络 和外部分组交换网( i n t e m e t 和i n t r a n e t ) 的网关。 2 3 2g p r s 与外部数据网的连接 通过o p r s 服务，设备可采用互联网i n t e m e t 的标准方式与在互联网上的服务 器交换数据。g p r s 的基础是以i p 包的形式进行数据的传输，o p r s 无线终端接入 g p r s 网络的方法与普通有线m o d e m 类似，都采用p p p ( p o i m t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 连接方式。g p r sm o d e m 通过p p p 协议获得动态分配的i p 地址。p p p 连接建立 后，可以在p p p 协议的基础上通过数据传输协议，如t c p 、u d p 等实现与互联网 上其它计算机的数据通讯。 ( 1 ) p p p 协议简介 p p p 协议是一种提供点到点链路上封装、传输网络层数据包的数据链路层协 议，处于o s i 参考模型的第二层，主要被设计用来支持全双工的同异步链路上进 行点到点之间的数据传输。 p p p 进程的建立一般经过三个阶段完成，即链路建立阶段、鉴权阶段和网络层 控制协议阶段。第一阶段通过l c p 包进行链路的配置和测试；第二阶段采用p a p 或c h a p 进行鉴权；最后采用n c p 提供p p p 数据链路上的多种网络层协议的封装。 在g p r s 中采用透明的p p p 协议协商时，p p p 协议参数的协商在m s 与g g s n 之 间进行，中间设备不参与参数协商。其示意图和信令流程如图2 4 和图2 5 所剥”。 闰2 4 基于p p p 的业务( 透明p p p 协商) f i g 2 4t h eo p e r a t i o nb a s e do np p p h0 l r t p a p 上下媳埔 ，脚盅 4 l c b 量罐毫 f t 帆l 一诅 u 难量木 t l g e 量“ l 主 扛 9 p 删请童 i o 喇t 认 图2 5 基于p p p 的业务流程( 透明p p p 协商) f i g 2 5t h eo p e r a t i o nf l o wb a s e do np p p ( 2 ) p p p 协议封装 p p p 协议的报文封装格式采用了h d l c ( 高速数据链路控s g ) 协议的定界帧格 1 2 式，如图2 6 所示。 图2 6p p p 报文封装格式 f i g 2 6t h ee n c a p s u l a t i o nf o r m a to f p p pf r a m e 该封装格式各段说明如下： 1 、每一个p p p 数据帧均是以一个标志字节起始和结束的，该字节为0 x 7 e 。 2 、紧接在起始标志字节后的一个字节是地址域，该字节为0 x f f 。分层结构的 网络在对等层之间进行相互通信时首先需获知对方的地址，对于不同的网络，在 数据链路层则表现为需要知道对方的m a c 地址、x 1 2 1 地址、a t m 地址等；在网 络层则表现为需要知道对方的i p 地址、i p x 地址等；而在传输层则需要知道对方 的协议端口号。但由于p p p 协议是运用在点对点的链路上的特殊性，而点对点的 链路就可以唯一标识对方，因此使用p p p 协议互连的通信设餐的两端无须知道对 方的数据链路层地址，该字节已无任何意义，按照协议的规定将该字节填充为全1 的广播地址。 3 、与地址域一样，p p p 数据帧的控制域也没有实际意义，按照协议的规定通 信双方将该字节的内容填充为o x 0 3 。 4 、就p p p 协议本身而言，重点是它的协议域和信息域。协议域可用来区分 p p p 数据帧中信息域所承载的数据报文的内容。协议域的内容必须依据i s o3 3 0 9 的地址扩展机制所给定的规定。该机制规定协议域所填充的内容必须为奇数，也 即是要求低字节的最低位为1 ，高字节的最低位为0 。如果当发送端发送的p p p 数 据帧的协议域字段不符合上述规定，则接收端认为此数据帧是不可识别的，那么 接收端向发送端发送一个p r o t o c o l - r e j e c t 报文，在该报文尾部将完整地填充被拒绝 的报文。协议域的具体取值如表2 1 所示： 表2 1l c p 协议的协议域 t a b 2 1p r o t o c o lt y p ei nl c p 协议域选择说明 0 x o 0 x 3 + + 信息域中承载的是网络层的数据报文 i s o 0 x 4 + + + 0 x 7 + 信息域中承载的是与n c p 武官的低整流俩 标准 0 x 8 - o x b 信息域中承载的是n c p 数据报文 o x c - 0 x f + + 信息域中承载的是l c p 数据报文 最典 0 x c 0 2 1 信息域中承载的是l c p 数据报文 型的 0 x c 0 2 3 信息域中承载的是p a p 协议的认证报文 几种 0 x c 2 2 3 信息域中承载的是c h a p 协议的认证报文 取值0 x 8 0 2 l 信息域中承载的是n c p 数据报文 0 x 0 0 2 l 信息域中承载的是i p 数据报文 5 、信息域缺省时最大长度不能超过1 5 0 0 字节，其中包括填充域的内容，1 5 0 0 字节大小等于p p p 协议中配置参数选项m r u ( 最大接收单元) 的缺省值，在实f 啄应 用中可根据实际需要进行信息域最大封装长度选项的协商。信息域如果不足1 5 0 0 字节时可被填充，但不是必需的，如果填充则需要通信双方的两端能辨别出有用 与无用的信息方可正常通信。 6 、c r c 检验域主要用于对p p p 数据帧传输的正确性进行检测，采用的是1 6 位c r c 校验。 2 3 3g p r s 应用现状及主要问题 目前中国移动开通的g p r s 数据服务主要为手机和计算机用户提供无线上网 功能，针对专业数据的传输必须解决以下几个问题才能实现移动终端相关数据的 及时、准确、安全的传输。 f 1 、p p p 、t c p i p 协议在终端设备上的实现。对于计算机用户来说，实现拨号 接入i n t e m e t 是件很容易的事，因为在p c 上有非常成熟的软件能够轻松实现p p p 和t c p i p 协议。但是对于采用嵌入式设备的终端，由于硬件资源的制约和协议的 复杂繁琐，实现起来还是比较困难的。 ( 服务器的接入方式。由于g p r s 网络工作方式是以i p 地址寻址为基础的， 所以服务器端理论上只需要接入i n t e m e t ，并具各公网( i n t e m c t ) 分配的i p 地址即可。 但是在实际系统应用中，如果服务器是拨号或a d s l 等接入方式，每次接入所获 得的i p 地址不是固定的，而g p r s 也是动态地获得i p 地址，两个动态的i p 地址 设备在i n t e m e t 上是无法直接通信的。因此要求服务器具有静态i p 地址或通过其 1 4 它方式中转。这样，服务器的接入方式就受到定限制。中国移动开通的g p r s 服务中现阶段只提供点对多点的传输服务。点对多点传输方式是指多个g p r s 无 线终端把数据传输到一个固定的数据处理中心。g p r s 终端与终端间的点对点传输 理论上可行，但技术上还有待更好的支持。 ( 3 ) 移动网和公网( i n t e m e 0 互联。g p r s 动态地获得的i p 地址为移动骨干网内 地址，无法被公网服务器直接解析，在未进入连接状态时，服务器是无法与g p r s 直接通讯的。必须先由g p r s 主动向服务器发送数据，进行连接。当连接的路由 建立以后，服务器和终端设备才可以双工地进行数据传输。所以通信必须是由 g p r s 首先发起连接。 ( 4 ) 终端设备的身份识别。g p r s 动态地获得的i p 地址，对于服务器来讲就无 法像普通计算机网络那样靠i p 地址或m a c 地址来判断终端设备的身份，无法准 确地定位终端设备，所以必须建立一个i d 识别机制。 ( 5 ) g p r s 的稳定性。由于g p r s 网络需要通过网关才能与公网上的服务器连 接。保持一个t c p 连接会占用网关的资源，所以网关有可能在服务器与移动终端 保持连接但不通信的时候将服务器与移动终端之间的连接断开，将导致双方在不 知情的情况下失去连接，从而使服务器在较长时间内无法与终端联系。这要求系 统必须具有自动拨号、定时检测和断线重拨功能。 2 4t c p i p 协议应用分析 2 4 1t c p i p 协议摄述 t c p i p 协议目前已经成为开放系统互联的标准，它源于美国国防部高级研究 项目机构( d a r p a ，d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c ta g e n c y ) 六十年代开发的 a r p a n e t 。与o s i 参考模型一样，该协议采用了不同的层次开发，每一层负责不同 的通信功能，但是和o s i 参考模型相比，它简化了层次设计，只有五层：应用层、 传输层、网络层、数据链路层和物理层，如图2 7 所示。 图2 7o s l 参考模型和t c p i p 协议 f i g 2 7t h eo s ic o n f o r e n c om o d u l ea n dt c p ，i pp r o t o c o l t c p i p 协议的五层结构与o s i 参考模型有清晰的对应关系，覆盖了o s i 参考 模型的所有层次，应用层包括了o s i 参考模型的所有高层协议。通常t c p i p 协议 只包括上三层的协议，其中： 应用层负责处理特定的应用程序细节。应用层显示接收到的信息，把用户的 数据发送到低层，为应用软件提供网络接口。应用层包含大量常用的应用程序， 例如h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l 超文本传输协议) 、t e h a e t ( 远程登录) 、 f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 等。 传输层的基本功能是为两台主机间的应用程序提供端到端的通信。传输层从 应用层接收数据，并且在必要的时候把它分成较小的单元，传递给网络层，并确 保到达对方的各段信息正确无误。传输层协议主要有t c p 、u d p 协议。 网络层负责检查网络拓扑结构，以决定传输报文的最佳路由，执行数据转发。 网络层主要协议有i p 、