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浙江工业大学硕士学位论文 g p s 车载终端接入网关的设计与实现 摘要 随着车辆大规模民用，对车辆的定位信息服务的需求越来越大，同时，为了丰富系统 的功能，越来越多的数据和应用被加入到车辆控制系统中。一个能对多种数据通信进行同 时管理的通信系统平台也应运而生。但传统车辆定位设备由于兼容性的问题无法接入到新 的平台中，大大影响了车载终端的应用。为了解决这个问题，本文设计了一种g p s 车载终 端接入网关，很好的完善了车载终端的接入，扩展了设备的应用。 本文首先综述了国内外智能交通系统的研究现状，分析了车载定位的关键技术，介绍 了t c p 传输协议和会话初始化协议s i p ，研究了l i n u x 操作系统的特点和相关技术，为接 入网关的设计奠定了理论基础。 其次，本文对接入网关的系统结构进行总体设计。首先介绍了在系统中的g p s 车载设 备和服务器的相关信息，对服务器的s i p 通信协议进行分析。然后根据系统中存在的问题， 进行需求分析，完成对接入网关的功能设计。最后采用分层次模块化的方式实现接入网关 的功能，对其网络体系结构进行分析，再对接入网关的每个功能层次进行具体的分析。 最后，针对接入网关对并发性的要求实验比较了l i n u x 服务器环境下的并发处理机制， 根据实验数据和功能需求，对采用的机制进行选择并实现。在实现对多路设备的并发连接 后，设计和实现了设备和接入网关的t c p 通信，接入网关和服务器的s i p 通信，最终实现 两个网络的通信切换，建立起设备和服务器的通信。最后，实现了设备数据和服务器接收 数据的相互转换，完成通信数据的解析。经测试，服务器能收到设备的信息，在网页上显 示定位，完成车载设备在系统平台的接入。 关键词：网关，s i p ，l i n u x ，线程池，t c p 浙江工业大学硕士学位论文 d es i g na n d 玎讧p l e m e n t 厶l t i o no f g p sv e h i c l et e r m d 订a la c c e s sg a t e ，a y a b s t r a c t w i t hal a r g e - s c a l ec i v i l i a nu s eo ft h ev e h i c l e ，t h ed e m a n df o rt h ev e h i c l e sp o s i t i o n i n g i n f o r m a t i o ns e r v i c ei sb e c o m i n gb i g g e ra n db i g g e r , a tt h es r n l et i m e ，i no r d e rt oe n r i c ht h e s y s t e mf u n c t i o n , m o r ea n dm o r ed a t aa n da p p l i c a t i o na r ea d d e dt ot h ev e h i c l ec o n t r o ls y s t e m a s y s t e mp l a t f o r mw h i c hc a nm a n a g et h ec o m m u n i c a t i o no fav a r i e t yo fd a t aa r i s e s b u tt h e t r a d i t i o n a lv e h i c l e p o s i t i o n i n ge q u i p m e n t c a n ta c c e s st o t h en e wp l a t f o r md u et ot h e c o m p a t i b i l i t yp r o b l e m ，w h i c hg r e a t l yi n f l u e n c e st h ea p p l i c a t i o no ft h ev e h i c l ee q u i p m e n t i n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h et h e s i sd e s i g n sak i n do fg p sv e h i c l et e r m i n a la c c e s sg a t e w a y , w h i c hh a si m p r o v e dt h ea b i l i t yo ft h ea c c e s sa n de x t e n d e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ed e v i c e f i r s tt h i sp a p e rr e v i e w st h er e s e a r c hs t a t u eo f i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma th o m ea n d a b r o a da n dt h e na n a l y s e st h ef e a t u r e so fv e c h i l ep o s i t i o n i n g ，i n t r o d u c e st h et c p p r o t o c o la n dt h e s e s s i o ni n i t i a l i z a t i o np r o t o c o ls i p , s t u d y st h ef e a t u r e so ft h eo p e r a t i n gs y s t e ml i n u xa n dr e l a t e d t e c h n o l o g i e s ，l a y sat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no ft h ea c c e s sg a t e w a y s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e s i g n st h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ea c c e s sg a t e w a y f i r s tt h ep a p e r i n t r o d u c e st h eg p so n - b o a r de q u i p m e n ta n dt h es e r v e r , a n da n a l y s e st h es i pc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lo ft h es e r v e r d e p e n d i n go nt h ep r o b l e mi nt h es y s t e m ，t h et h e s i sp r o c e e d st h ed e m a n d a n a l y s i sa n dc o m p l e t e st h ef u n c t i o nd e s i g no ft h ea c c e s sg a t e w a y a tl a s t ，t h ep a p e ru s e st h e h i e r a r c h i c a lm o d u l a rm a n n e r st or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h ew h o l eg a t e w a y , a n da n a l y s e st h e n e t w o r ks y s t e ms t r u c t u r ea n da n a l y s e st h es p e c i f i cf u n c t i o no f e a c hl e v e lo ft h eg a t e w a y a tl a s t ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ec o n c u r r e n c yo ft h eg a t e w a y , t h ep a p e r c o m p a r e s t h ec o n c u r r e n tp r o c e s s i n gm e c h a n i s mu n d e rt h el i n u xs e r v e re n v i r o n m e n tb ye x p e r i m e n t st o c h o o s et h ep r o p e rm e c h a n i s mt oa c h i e v et h e g o a lb a s i n go nt h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dt h e f u n c t i o nd e m a n d a f t e rr e a l i z i n gt h ec o n c u r r e n c yo fm u l t i p l e d e v i c e s c o n n e c t i o n ，t h ep a p e r d e s i g n sa n dr e a l i z e st h et c pc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd e v i c ea n dg a t e w a ya n dt h es i p 浙江工业大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o nb e t w e e ng a t e w a ya n ds e r v e rt o f i n a l l ye s t a b l i s ht h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n d e v i c ea n ds e r v e r m e a n w h i l e ，t h et h e s i sr e a l i z e st h em u t u a lc o n v e r s i o no ft h ed e v i c ed a t aa n d t h es e r v e rd a t at oc o m p l e t et h ed a t at r a n s p o r t i n g a f t e rt h et e s t ，t h es e r v e rc a nr e c e i v et h ed a t a f r o mt h ev e c h i l ed e v i c e ，d i s p l a y i n gt h ep o s i t i o no nt h ew e b ，r e a l i z i n gt h ea c c e s so ft h ev e c h i l e e q u i p m e n tt ot h es y s t e mp l a t f o r m k e yw o r d s ：g a t e w a y , s i p ，l i n u x ，t h r e a d p o o l ，t c p 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着社会的不断发展，城市建设的不断推进，交通运输的快速增长，到2 0 11 年底， 我国的机动车保有量达2 2 3 亿辆，汽车保有量达1 0 4 亿辆，超越日本成为世界第二大汽 车保有国。预计到2 0 2 0 年，我国的车辆保有量将达到两亿辆，接近美国的水平。但是， 伴随着这些瞩目的成绩，环境污染、交通拥堵等问题却日益突出。 为了提升交通状况，仍然使用简单粗放的投资方式带动，起到的效果也越来越有限。 因此，综合利用g i s 技术、g p s 技术、通信技术、计算机技术等进行交通的优化管理， 提升资源的使用率，改变为集约高效的方式成为了当务之急。 与此同时，人们对交通系统的要求也在日益提高，除了需要g p s 定位、车辆状态的 采集等功能，也对车辆的视频监控、车辆的告警和导航等功能提出了更多的要求。科技的 发展，为这些功能的加入提供了坚实的保障，计算机能力的提升，网络性能的成熟，无疑 加快了技术应用的脚步。传统的单一数据发送模式，已经被数字化的、多元化的综合模式 所替代，伴随着新一代网络的应用，将车辆的管理控制系统向综合化、统一化、智能化的 方向发展。 目前，这种交通管理系统在功能和应用方面已经具有了非常优异的表现，但是其仍存 在不少的缺点。多媒体数据的使用，使得在系统中同时存在着多种不同的数据，包括文本、 音频、视频等，这就存在着多种数据并行管理的问题，使得数据的管理成为了一个很大的 开销。同时，在一个大环境中，会存在着多种不同的设备和各种通信网络，以完全替换功 能不全的设备完成升级换代的方式固然可取，但会造成资源的浪费，一些设备只需要改变 其接入网络的方式就能提供同样高效的性能，却能降低开销。这些问题，使得基于车载终 端的交通管理系统的发展存在着不足。 随着计算机系统的不断发展，网络协议的不断创新和优化，使得以服务器平台作为网 络接入点，以网络软件作为载体的网络协议转换接口为解决方式，使得上述问题的解决成 为了可能。本文针对g p s 车载终端接入网关进行研究和设计。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状和发展趋势 1 2 1 智能交通系统的发展现状 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，i t s ) 是从智能车辆道路系统( i n t e l l i g e n t v e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ，i v h s ) 发展来的，是一个整合了集成信息技术、数据传输技术、 电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等于一体的交通运输管理体系，形成的 一种大范围、全方位的，实时、高效的综合运输管理系统。该系统是由美国智能交通学会 于1 9 9 0 年提出的，以应用于由经济发展所带来的交通问题，之后该思想被全世界各大发 达国家所采纳，各白发展出一套基于自身特点、满足不同需求的系统。 在美国，以救助服务为特色的辅助导航系统已经有了很好的应用，由装有g p s 设备 的车辆提供跟踪、定位、报警等功能，结合强大的计算机管理中心，形成一套高效的系统， 为医疗等公共领域提供了出色的服务。此外，美国政府和交通界的人士认为，将i t s 应用 于灾害和防恐领域，增强出行者的安全，加快异常情况交通的恢复速度，实现快速的疏散 和撤离。另外，美国的交通管理中心和车辆制造商联合，应用i t s 的技术，为司机提供有 效的交通状况信息，引导车辆以最佳路线行进，在私人领域提供个性化的服务。 日本的发展时间和美国相近，针对其人多地少、道路相对狭小、高楼林立影响g p s 信号等区域特色，采用信标作为信息手段，获得了出色的效果，在世界独树一帜。日本采 用政府主导、企业为主、以协会为依托的方式发展i t s ，将其视为解决交通问题，拉动经 济增长的动力之一。在一个综合控制中心下，细分多个子系统，其中的道路不停车收费系 统成为重点领域，推广广泛。 欧洲则根据欧盟一体化的发展要求，建立的是一套服务于全欧洲的交通线路数据通信 网，该网络独立于其他网络存在，同样也细分多个子系统，实现和美日相近的完善功能。 我国的i t s 进程是从1 9 9 9 年科技部批准成立国家智能交通系统工程技术研究中心开 始的，其集合了交通运输部公路科学研究院、智能交通技术交通运输行业重点实验室、全 国智能运输系统标准化技术委员会等重要部门，针对国民经济、交通运输以及市场的需求， 自助研发了电子不停车收费系统、交通信息采集系统以及车辆定位导航等领域。特别是 g p s 车载系统的应用，已经初具规模，在消防、公安、医疗、物流等领域结合不同需求， 实现定位跟踪、调度管理，降低能源浪费，节约成本，提高效率。 1 2 2 智能交通系统中的车载终端 智能交通系统是一个综合性的系统，在实际的应用中，则细分为多个子系统。下有交 2 浙江工业大学硕士学位论文 通信息服务系统、公共交通系统、车辆控制系统、交通管理系统、紧急救援系统等，各个 系统都有自己独特的功能和需求，但这些系统通常都包含能把自身的g p s 位置信息通过 特定的通信方式发送到指定的系统的车载g p s 终端 1 ，2 1 。作为i t s 系统的组成部分之一， 其和g p r s 无线数据网、车辆监控管理中心、远程监控等部分组成一个完整的系统【3 4 】。 而带有g p s 模块和无线传输模块的车载终端，则作为整个系统正常工作的基石，提供着 终端数据的采集和存储、定位信息、通信模块无线传输数据以及接受管理中心警告等功能。 随着g p s 技术的广泛应用和无线网络的不断发展，以车载终端所承载的功能为基础，实 现了对车辆实时信息的采集和获取，让车辆的安全行使成为可能，使得车辆无论在熄火、 碰撞等意外情况下，还是在正常的停驶、定位等方面，都有了更高的安全性；同时，车辆 定位信息和服务器路况信息的结合，所提供的高效导航，也随着车辆拥有数量快速增长超 过公路发展速度的背景下，越来越显得重要，该功能也起到了一定的缓解交通压力，提高 公路利用率的效果。无线网络的发展，3 g 技术的大规模民用，也为车辆信息的传输提供 了便利，这不仅使得包含定位的g p s 信息以及车辆状态信息等多种全面反应车辆信息的 数据的传输成为了可能，也让车辆信息的传输速率不断提升，即使是在对带宽和速度要求 严格的紧急情况下，也能提供很好的信息接入和接收，保证智能交通系统的正常使用。 1 3 设备接入网关研究的必要性 在我国，i t s 起步较晚，在许多道路的建设设施上，没有预留发展的空间，导致车载 设备和g p s 定位设备等应用较差。同时，存在着各个部门、行业、企业自行自主开发的 交通系统，其没有统一的规划，系统的平台、数据的结构、通信方式等存在着不兼容的情 况，这在当今需要信息大联通以提高智能交通应用的背景下显得非常的不适用，造成了一 个又一个各自独立的系统。这些状况，一方面导致信息环境的混乱、数据各异，花费大量 人力在数据处理上；同时，由于资源无法共享，人为造成数据隔离，导致相似功能和设施 的重复建设。以上现状已经严重的影响到了我国信息现代化的进程，也影响到了全国交通 领域的改革。 随着改革开放的深入，各部门之间的信息交流，跨平台的信息互联、消息共享越来越 频繁，使得现有杂乱的交通系统，特别是其中的网络接入方式面临着巨大挑战。因此，将 车载设备接入到一个整合的大型网络中，实现在统一协议下传输的目的，实现g p s 数据 等车辆自身数据和音视频数据等统一管理，同时减少设备更新的开销。基于此目的的接入 网关也就应运而生。一般的接入网关分为协议转换网关、应用数据转换网关和安全网关三 浙江工业大学硕士学位论文 大类。在车载设备领域这里，由于现实存在着多种类型的数据传输的协议，也存在着多种 不同的数据格式，同时也有一定的网络安全的需求，所以本文所研究的接入网关实际上是 以上几类网关的整合。 1 4 本文研究的主要内容及结构安排 本文主要完成g p s 车载终端接入网关的设计与实现。完成的主要工作包括：接入网 关系统的整体框架设计、系统通信协议的设计、接入网关的分层设计和实现。最终实现 g p s 车载终端接入到新服务器的网络中、完成设备注册、定位信息上发等功能。 本文主要内容安排如下： 第l 章：分析了智能交通系统和其中的车载终端在国内外的研究现状和发展趋势，指 出了本文的研究对象、研究目的和研究意义，最后确定了本文研究的主要内容。 第2 章：研究了本文所涉及到的相关知识和技术，包括g p s 技术、t c p 协议、l i n u x 相关技术、s i p 协议，这些技术知识作为全文的理论基础。 第3 章：研究设计了本网关的系统。首先介绍了整体的架构，简单介绍了系统中的 g p s 车载终端和服务器的相关内容，分析了设计的需求，具体介绍了g p s 车载终端接入 网关的系统设计、体系层次结构以及通信协议的设计等内容。 第4 章：研究了接入网关的分层设计与实现，包括系统中各层次结构的设计和具体功 能模块的实现，如t c p 模块、s i p 模块、协议解析模块。实验比较了底层的功能，并按 需求分析加以实现。 第5 章：对系统进行了总体的测试，同时对全文做了总结与展望，包括本文的总结研 究成果和指出存在的不足。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章g p s 车载接入网关相关技术及原理 本文所研究的g p s 车载接入网关涉及到许多相关技术及原理，包括g p s 技术、t c p 协议、l i n u x 相关技术和会话初始化协议等，本章对这些相关技术及原理进行详细介绍。 2 1g p s 技术概述 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) ，是一个中距离圆型轨道卫星导航系 统。该系统由美国国防部于1 9 7 0 年开始研制，在1 9 9 4 年完成全部的建设，可为全球将近 9 8 的地方提供连续精确的三维位置、运动测速和精确定时。g p s 分为民用的标准定位服 务( s t a n d a r dp o s i t i o n i n gs e r v i c e ，s p s ) 和军事的精确定位服务( p r e c i s ep o s i t i o n i n gs e r v i c e ， p p s ) 两类。初期，美国鉴于国家安全的考量，故在民用讯号中加入选择性误差以降低精度。 2 0 0 0 年以后，美国政府决定取消对s p s 讯号的干扰。从此，民用g p s 的定位精度也可以 达到十米左右，这大大加强了g p s 进入商用和民用领域的步伐。 g p s 系统包括三大部分：空间部分，为太空中的2 4 颗g p s 卫星：地面监控部分，为 地面上的1 个主控站、3 个数据注入站和5 个监测站；用户部分，为各种型号的g p s 信 号接收孝几【5 1 。空间部分的卫星以4 颗一组，均匀分布在6 个轨道平面内，这保证了在同一 时间内，观测者最少能同时观测到4 颗卫星，同时，地球上任意位置的g p s 接收机只要 保证能接收到3 颗卫星的定位信息就足以获得自身位置、速度和时间的信息，这就保证了 g p s 系统的服务能做到全球性、全天候、连续不断。备用的3 颗卫星，也能在主工作卫 星发生故障的时候完成任务，保障g p s 空间部分正常而高效的工作【6 1 。地面监控部分的 站点，主要是计算和测量卫星的标准时间、运行速度、轨道位置等信息，通过分布于美国 本土、大西洋等地区的站点获取这些信息并将这些数据发送给太空中的卫星，以确保太空 卫星定位的准确性，同时也起到了监测卫星工作状态进行故障排查等功能。地面的用户部 分，主要部分是g p s 信号接收机，该模块通过接收天空中卫星发送的信号并持续跟踪卫 星的运行以获得连续的定位信息，同时对收到的信号进行分析，获得具体的位置、速度和 时间信息。 g p s 车载设备的g p s 模块获得数据，通常是n m e a 0 18 3 标准的，其有7 种大的类 型，均以a s c i i 码为编码方式，数据开头部分均为“$ ”，后为各个格式独立的经纬度信 5 浙江工业大学硕士学位论文 息、时间信息、方向信息和速度信息等，均以“，分隔，最后以 结束。对于 g p s 模块接收到的信息，并不全是系统需要的信息，这里，g p s 车载终端设备通过对从 串1 3 接收到的g p s 信息的筛选处理，获取必要的信息，然后整合车辆自身的信息以及其 他报警信息等，一起发往远程的服务器。 2 2t c p 协议概述 t c p 协议是在主机间实现高可靠性数据交换传输的协议，位于传输层1 7 , 8 】。该层是o s i 七层模型的第四层，既是负责数据通信的最高层，又是面向通信子网和面向信息处理的资 源中间层，通过网络互联的用户之间要实现任何远程的信息交换，就必须要使用该层所提 供的服务。传输层的主要功能如下： 寻址。主要要完成的就是如何识别一台主机上哪一个应用程序和另一台主机上的哪一 应用程序通信，实现在网络中标识自身和其他用户的工作； 建立连接、数据传送和连接断开。主要完成通信双方的确认，协商通信参数，然后以 相同的格式和大小进行数据发送，最终在通信完成或者中断等异常情况发生时，实现连接 的断开，回收资源： 差错控制。能实现连接状态异常的监测，或者能对发送的数据实现一定的差错检测， 实现数据的重传等。 应用层 传输层 网络层 网络接口层 图2 1 简化t c p 网络层次 在图2 1 所示的简化t c p 网络层次中，可以看到，t c p 并没有对其下层的网络做任 何的假定，下面的i p 协议可以提供各种不同大小的数据和各种基于不同网络的传输服务， 使得t c p 可以在多种硬件构成的不同网络上运行。虽然t c p 假定下层所提供的服务是不 可靠的，但其承担着解决传输可靠性的问题，这就要求其为上层的应用程序提供多种接1 3 ， 能够实现计算机中不同程序的同时通信。这通常使用的是端口进行不同应用程序的区分。 端1 2 1 是一个1 6 位的二进制数，用来标识某一个特定的计算机服务，通常小于2 5 6 的端口 浙江工业大学硕士学位论文 用来表示通用端口，而2 5 6 到6 5 5 3 5 之间的任意端口号则可被应用程序指定来表示其所提 供的服务和连接。使用端口，t c p 协议就能保证连接的正确性，实现传输层所要求提供 的寻址和建立连接的部分功能，同时也为后续的数据传输提供保障。 数据传输是t c p 协议的重点，其中的数据格式如图2 2 的t c p 消息格式所示。每个 t c p 消息的头包含了源端口和目的端口，结合下一层i p 协议的报文中的源地址和目的地 址，就可以唯一寻找到发送端和目的端，确立唯一的网络连接。t c p 的传输是保证数据 包的顺序的，其实现机制就是通过t c p 消息内的序列号来标识数据的先后。发送端发送 数据时，会将待发送数据包放到重发队列中，并启动定时，如收到接收端的确认信息则从 队列中删除该包，否则重发。发送端发送数据时，会依次递增序列号以标识数据的顺序， 而接收端则通过判别序列号的内容，识别是否出现丢包现象，同时在确认收到包时回复相 应序列号的确认信息到发送端。确认号表示的是一个准备接收下一个包的序列号。数据偏 移则指定的是t c p 消息中数据所在的位置，同时，整个t c p 消息最大为6 0 个字节，这 就限定了一个消息所能附带的数据数量，保证了传输信息不会过大，防止破坏网络的稳定 性。窗口则主要用于流量控制，通过其设定值的大小，确定了接收端的缓存大小，保证数 据传输能有效的使用网络，不造成阻塞。校验和是一强制性的字段，用于接收端验证收到 的完整t c p 消息，保证网络传输数据的正确性。最后的数据部分则是最多可包含3 6 字节 的二进制数据段，这部分可以为上层应用程序所使用，实现上层数据到网络数据的填充。 图2 2t c p 消息格式 t c p 通信是以虚通路的形式，建立在面向连接的基础上的。有别于同层的u d p 协议， t c p 在实际数据发送前，必需确保源地址和目的地址之间已经建立起了一条连接，然后 才能开始数据的发送和接收。三次握手的过程被用来建立两个t c p 端的连接。一个简单 的连接过程如下： 7 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) t c p 主机a 初始化，请求处于监听状态的t c p 主机b ，这里主机a 通过向主机b 发送一个同步标识置位的数据来发起请求。 ( 2 ) 监听状态的t c p 主机b 收到了主机a 的请求，此时主机b 的状态改变为等待连接 请求确认，主机b 会发送一个带有同步标识置位、发送数据起始顺序号等信息的应答数 据到主机a 。 ( 3 ) 主机a 在收到这个应答数据后，其状态变为建立连接，同时，会发送一个带有确 认顺序号的回复数据到主机b ，最终收到该数据的主机b 也会更改其状态为建立连接， 这样两个主机之间的t c p 连接就建立了。 建立起来的t c p 连接是全双工的，数据能在连接当中双向的传输。当通信完成时， t c p 的结束方式很简单，其中的一方发送断开连接的请求，在接收到另一方的断开请求 的应答之前，仍可以收发数据；收到断开连接请求的一方，则发送相应的应到到发送方， 此时也进入等待中断应答的状态，也可收发数据；收到从接收方发来的应答响应的发送方， 则会向接收方发送中断确定，使得连接的双方都进入无连接的状态，连接终止。 在本文的设计中，主要就是要保证待连接的网关能一直处于监听状态，做好建立和 g p s 设备连接的准备，而g p s 设备只需要简答的发送连接请求，之后就进入t c p 建立连 接的过程中。而网关是一个必需要长时间保持在线的应用，因此，t c p 中断的请求通常 来自g p s 设备主动断线或者出现连接异常等情况，由于t c p 的断开机制简单易用，非常 适合g p s 设备可能大量连接，频繁切换的情形。 2 3l i n u x 系统概述 2 3 1l i n u x 操作系统 l i n u x 操作系统是从u n i x 操作系统发展而来的。该系统由芬兰人l i n u xt o r v a l d s 于 1 9 9 4 年3 月开发完成第一版，其设计思想则来源于g n u ，在其被开发出来之后，吸引来 了i b m 、i n t e l 、o r a c l e 等i t 巨头，使得该系统迅速普及。l i n u x 系统拥有如下特剧9 , 1 0 】： 具有u n i x 系统的特征 其包括了丰富的函数库、文字编辑器e m a c s 为代表的各类工具、c 语言的编译器g c c 、 优秀的内存管理，开发者同样能在l i n u x 中使用到这些在u n i x 系统中作用明显的组件。 支持g n u 的g p l g n u 通用公共许可证( 6 n t jg e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ，g p l ) ，要求所有参与g n u 工程 的软件都可无条件的使用、复制、更改和发布。同时，l i n u x 还完善了g n u 在内核、驱 浙江工业大学硕士学位论文 动等方面的不足，推出了整块性内核，实现分模块的动态加载和卸载，各软件组件耦合性 高，拥有优良的运行效率。 兼容p o s i x 标准 p o s i x ( p o r t a b l eo p e r a t i n gs y s t e mi n t e r f a c e ，p o s i x ) 是i e e e 定义的一系列u n i x 操作 系统的a p i 标准总称，它可以提高类u n i x 环境下应用程序的可移植性，保证了跨平台 程序的相互转换，根据标准而制定的应用编程接口，大大简化了程序开发的难度。 支持多平台 l i n u x 能支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 和p o w e r p c 等多种体系结构的微处理器， 结合c 、c 抖、p 肿、p y t h o n 等多种语言开发平台，实现类型广泛的完整开发体系。 良好的网络支持 l i n u x 支持各类标准的i n t e m e t 网络协议，结合其高效的内核以及完善的安全制度， 能够实现文件服务器、w e b 服务器、代理服务器、网关、v p n 等等服务器功能。 图2 - 3l i n u x 系统软件结构 l i n u x 系统软件结构如图2 3 所示f l l 】。l i n u x 平台下的应用程序需要基于下层的函数 库和系统内核提供的函数来实现。函数库一般实现一些特定的功能，这些功能由专业的开 发组织设计开发，经过多方修改，最终形成一套标准，其内容有一定的移植性，通常可以 在相似的体系平台中通用，甚至实现跨平台。应用广泛的c 语言，也因其强大的c 函数 库和其具有良好支持的c 语言编译器，而大大减少了移植的开销。系统调用函数是和操 浙江工业大学硕士学位论文 作系统紧密相关的部分，其直接调用内核所提供的系统调用接口，这使得无法在两个差异 很大的系统之间移植调用了系统调用的函数。一些比较抽象的函数库中的函数，也会使用 系统调用，但通常的做法是会对系统调用的部分做好封装，而不管其中具体的实现。， 2 3 2 进程与线程机制 l i n u x 系统是真正实现多用户多任务的操作系统，而其并发的特性，正是来自于进程 和线程。进程是指程序的一次执行过程，在机器语义上，表现为一组指令序列在处理器上 的一个执行，是机器上运行管理程序的最小单位【1 2 】。线程主要是一个执行过程中的某一 个路径，在l i n u x 环境下，线程是一个简化的了进程，称为轻量级的进程。两者的关系非 常的紧密。在进程中，至少要有一个线程，线程是由进程创建的，当有多个线程存在时， 其会共享同个进程分配的公共地址空间。公共的地址空间主要包括4 个部分：正文的代码 段，存放全局变量的数据段，程序分配临时变量的堆栈段以及b s s 区。进程与线程的联 系如图2 4 所示，一个进程需要单独拥有这些空间，相互独立，而线程可以共享创建它的 父进程的资源，仅仅只需要创建自己的程序计数器以及用于存放临时变量的栈，同一个进 程下的线程共享如下的内容：进程的正文和堆栈；文件的系统信息；程序使用的文件描述 符；通用的信号处理信息；i o 数据。进程使用时占用大量的内存空间，同时，进程之间 相互进行通信时，需要使用到操作系统层的机制，而线程不需要像进程一样使用这些机制， 而仅仅只需要使用简单的进程内变量的共享，就能实现数据的共享，易于形成一种大量线 程协同工作的方式，这就是近年来流行的多线程【1 3 】。 进程b 栈 堆 b s s 区 全局变量 代码段 图2 4 进程与线程的联系 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 线程的实现方式主要分为用户级、内核级以及用户和内核相结合三种i l4 i 。前两者主 要是在线程的调度和上下文切换上有区别，用户级方式的是在用户的程序中实现，而内核 级方式则是由内核完成上述工作。在一些多线程的应用中，l i n u x 的创始人以及一些专家 都建议使用内核级的方式来实现【l5 1 。其相对于用户级的方式，内核级的线程虽然会因为 内核要参与用户层的调度而稍慢于用户级的线程，但是在内核级方式下的线程即使阻塞也 不会影响其他线程，在多处理器平台下，其运行状态稳定性和速度都要优于用户级的方式。 2 4s i p 协议 会话初始化协议( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ，s i p ) 是由互联网工程任务组i e t f 在19 9 9 年提出的，一种用于i n t e r n e t 网络电话信令控制的协议。作为i e t f 提出的各种标准之一， s i p 也借鉴了之前的许多协议，特别是h t t p 协议，s i p 与其同样是一种基于文本的协议 【1 6 】。s i p 作为一种实时通信的应用层协议【1 7 】，可以用来创建、修改和停止一个或多个参与 者参与的会话，实时动态修改会话中的参数。s i p 协议在网络协议栈的位置如图2 5 所示 n 踟。如图中所示，s i p 所提供的服务是要基于其他协议的，其只是对会话进行管理，完善 整个网络上层对网络通信的管理。 应用层 传输层 网络层 接入层 2 4 1 s i p 协议的功能 1 信令应用 图2 5 网络协议栈 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 1 s i p 协议的功能主要体现在以下4 个方面： 用户寻址和定位。 s i p 协议使用u r l 来定义一个用户的地址，结合s i p 消息体内的域实现对用户的描 述，唯一确定一个s i p 终端。同时，s i p 也能利用位置服务器d i n s 、l d a p 等，来提升用 户寻址和定位的功能。最终，无论s i p 用户处于什么位置都能保证消息的准确到达，这功 能则是多媒体通信系统所必须实现的【1 9 】。 会话协商。 s i p 协议通过信息的请求和应答，实现多媒体通信的参数、带宽、多媒体编码类型等 的协商。同时，可以在会话期间，对会话的所有属性进行调整。 呼叫管理。 s i p 能对呼叫进行转移，实现重定向。还能通过消息体中的字段实现网络的广播。同 时提供基本的呼叫建立、会话结束等功能。 会话参与者管理。 s i p 的用户可以实现多人同时向某一用户发起会话的功能。在一会话中，可以通过该 机制实现会话中用户的替换、删除或者将会话外用户加入到这个会话中【2 0 】。 扩展性是s i p 协议的一个重要特征，在s i p 网络中添加新的服务时，只需对添加相对 应的s i p 消息和应答机制即可。网络中基于s i p 的旧设备不支持s i p 的新服务也不会影响 使用，在收到新的应用消息时，只需要简答的忽略即可保持原网络的特性。 2 4 2s i p 系统的结构 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 6s i p 系统结构模型 用户代理 s i p 系统采用的是客户一服务器的网络模型，如图2 6 所示，在s i p 的系统中，客户 和服务器分别被称为：s i p 用户代理和s i p 网络服务器。s i p 用户代理是系统中的会话终 端设备，s i p 网络服务器是处理呼叫相关事务的网络设备【2 。 根据会话中用户代理作为会话发起方和会话接收方的不同，s i p 用户代理分为，用户 代理客户端( u a c ) 和用户代理服务器( u a s ) ，前者为发起会话的用户，后者为应答会话请 求的用户。s i p 用户代理通常需要同时包含这两方面的功能。 s i p 中的s i p 网络服务器有四种，分别为代理服务器、重定向服务器、注册服务器和 位置服务器瞄】。代理服务器是s i p 网络中的核心，它主要完成s i p 用户消息的转发，而不 管消息的内容是否正确，只保证该消息能达到网络的目的地或者下一个地址。根据是否保 存信息状态，代理服务器可以分为无状态代理服务器和有状态代理服务器。有状态服务器 记录信息的状态，其在实现中会生成对应收到的请求，并尽可能多的和s i p 用户代理进行 尝试，最终回复其中最优的响应。但这会造成网络负担的增大，在需要快速处理请求的网 络中，无状态服务器不记录信息的状态而直接转发的性质，在需要频繁处理呼叫的情形下， 可以不影响系统的处理效率【2 3 1 。重定向服务器帮助用户代理获得被叫方的位置，但其不 会代替用户代理进行消息的转发，它会将获得的被叫方地址回复给用户代理，让用户代理 自己进行请求消息的重发。注册服务器主要负责接受用户代理登录注册，每个终端在进入 s i p 网络中的首要任务就是在其上完成注册，而终端的信息则会由注册服务器保存在相应 的位置服务器，以用于重定向服务器查询。位置服务器存储着从注册服务器上获得的用户 代理的信息，以供重定向服务器或者代理服务器使用，帮助它们实现s i p 的互通。 以上各服务器可以在一个设备中实现，也可以以不同的物理实体分布于网络中。实际 13 浙江工业大学硕士学位论文 上，s i p 会话可以只有s i p 用户代理参加，而不需要s i p 网络服务器。为了满足服务提供 者对于运营的要求，才需引入s i p 网络服务器，通过它们可以实现用户识别、管理和收费 等功能，并根据服务内容对用户会话进行控制。当然，引入服务器，不仅可提高s i p 网络 的吞吐量，还可以快速的引入一种新的服务，提供丰富的智能业务【2 4 】。当一个代理服务 器所管理的用户网络改变时，其就要实现重定向服务器的功能，来提供告之其他用户该用 户的位置的服务。 2 5s i p 消息 s i p 协议内的消息采用文本格式，使用u 1 1 f - 8 编码，其类型包含两种2 5 】：u a c 发起 的请求消息和u a s 回应的响应消息。这两类消息的构成是一样的，同样包括一个起始行， 一个消息头和一个消息体，其结构如图2 7 所示。其中，起始行和消息头根据是请求消息 还是响应消息，而会有所不同，下面分部分一一介绍。 起始行 消息头 空格 消息体( 可选) 图2 7s i p 消息结构 2 5 1s i p 消息的起始行 在s i p 网络中，可以通过分析s i p 消息的起始行来判别消息具体是请求消息还是响应 消息。起始行都是由三部分组成，中间以空格隔开。请求消息的起始行一般格式如下： s i p 请求消息起始行= 请求方法请求地址s i p 协议版本号 响应消息的起始行格式如下： s i p 响应消息起始行= s i p 协议版本号状态码原因描述 s i p 请求消息中的请求方法，决定了请求消息的类型和目的，s i p 协议定义了6 种方 式：r e g i s t e r 、i n v i t e 、a c k 、b y e 、c a n c e l 、o p t i o n s 2 6 1 。分别标记了用户注册、 会话邀请等请求，具体内容如表2 1 所示【2 7 】。 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - 1s i p 请求方法 请求方法 功能描述 s i p 实体在发送消息前要向注册服务器登记并记录地址信息 r e g i s t e r 到位置服务器，为之后的通信提供地址解析。 用于邀请用户加入某个会话。同时和请求消息的消息体中的 i n v i t e 内容，一起来协商会话的多媒体类型、数据传输方式等。 对i n v i t e 请求做出响应，表明已收到该请求。其中a c k 和 a c k i n v i t e 两种请求方法的消息头字段必须保持一致。 b y e用于会话参与方退出会话，通知其它用户退出会话。 发送i n v i t e 方法的请求后，在另一方同意会话前可用 c a n c e l c a n c e l 方法取消此次邀请。 o p t i o n s 用于u a c 晦 u a s 查询其状态和会话能力。 一般会话的开启和结束基于以上几种方式就足够了。但s i p 还是为了扩充协