（通信与信息系统专业论文）短信平台与指纹验证应用技术的研究.pdf

摘要 随着移动互联网的出现，移动增值业务的内容日益丰富，计算机与移动通信网络之间的结合 越来越紧密。本课题基于现有互联网和移动通信的网络环境，充分利用目前较为普及的手机电话， 把验证结果发送到监测的记录者。本课题属于此技术的软件开发部分，是指移动通信网关的开发、 通信接口技术。指纹图像的采集计算方法等。所以本课题从两个技术方面说明：一、短信网关设 计开发；二、指纹图像采集；首先着重讲述了网关接入模块的设计与实现。平台设计方面对典型 的业务流程进行细致而具体的分析，从平台应该具有的功能和需求入手，进行系统的架构设计。 对网关接入模块进行了深入的研究，并给出具体的实现方法。从模块的框架设计、概要设计到详 细设计和代码实现，到最终的测试；指纹图像的采集方法，由于对拒真率、认假率、比对时间、 模板占用空间等指标都有较严格的要求，指纹验证是一项复杂且具有挑战性的任务。本课题提出 了复合方向特征这一新颖的特征用于指纹验证，该特征则由脊线旋转方向和四个相对方向组成。 指纹验证由两个过程组成；基于复合方向特征的细节点对搜索，它加速了指纹校准；基于复合方 向特征的匹配分值计算，它使匹配的鲁棒性增强。用国际指纹验证比赛的测试样本进行了测试， 实验结果表明能够实现可靠、快速的指纹验证。 【关键词】短信平台；网关接入；指纹验证：细节特征点；复合方向特征 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l en e t w o r k , t h ea c c e s s o r i a ls e r v i c eo fm o b i l en e t w o r ki n c r e a s e s t h ec o m p u t e ra n dt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nh a v em o r er e l a t i o n s h i p t h er e s e a r c hb a s e do i lt h ei n l e r n e t a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，u s i n gm o b i l ep h o n e st os e tt h ev e r i f i e dr e s u l t st ot h em o n i t o rr e c o r d e r s t h e r e s e a r c hi so n ep a r to ft h et e c h n i q u e ss o f t w a r ed e v e l o p m e n t , i ti n c l u d e st h ed e v e l o p m e n to fm o b i l e c o m m u n i c a t i o ng a t e w a y , t h et e c h n i q u eo fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t h ec o l l e c t i n ga n dc a l c u l a t i n go f f i n g e r p r i n ti m a g e sa n ds oo n t h er e s e a r c hd e s c n b e si nt w ow a y s o n ei st h ed e s i g n sa n dd e v e l o p m e n t s o fs h o r tm e s s a g e sg a t e w a y t h eo t h e ri st h ec o l l e c t i n go ff i n g e r p r i n ti m a g e s f i r s t , i td e s c r i b e sm a i n l yt h e d e s i g n sa n da c h i e v e m e n t so fg a t e w a yc o n n e c t i o nm o d u l e s t h et y p i c a ls e r v i c ef l o w sa r ea n a l y z e d c a r e f u l l yo nt h ep l a t f o r md e s i g n s t h em o d u l eo fn e t w o r kg a t e w a yi ss t u d i e dt h o r o u g h l ya n dt h ep a p e r p u tf o r w a r d st h en e wc h a r a c t e r i s t i cu s e dt of i n g e r p r i n t sv e r i f y i n g t h ec h a r a c t e r i s t i ci sc o m p o s e do f f i n g e r p r i n tv e r i f y i n gi sm a d eo ft w op r o c e s s e s o n ei st h es a m p l e si n t h ei n t e r n a t i o n a lf i n g e r p r i n t v e r i f y i n gc o m p e t i t i o na i et e s t e da n dt h a ts h o w st h eq u i c ka n dr e l i a b l ef i n g e r p r i n t sv e r i f y i n gc a nb e a c h i e v e d 【k e y w o r d s s m sp l a t f o r m ；c o n n e c t i o no fg a t e w a y ；f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o n ；m i n u t i a e ；c o m p l e x d i r e c t i o nf e a t u r e 学位论文独创性声明 本人所至交的学位论文是我在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果据我所知， 除文中已经注明引用的内容步卜，本论文不包含其他个 已经发表或撰写过韵研究成果对本文的研究 做出重要贡献的个 和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢氪 作者签名： 学位论文使用授权声明 本人完全了解大庆石油学院有关保留，使用学位论文的规定，学校有权保留学位 论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用 于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容 编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文 在解密后适用本规定r 学位论文作者签名：圣志导师签名爿堑毛次 日期：0 t - 7 ；夕。日期：- d 。狙7 争 创新点摘要 一、基于j a v a 开发环境和j m s 消息队列缓存技术的的解决方案 二、复合方向特征用于指纹验证基于复合方向特征的细节点对搜索，它加速了指纹校 准，它使匹配的鲁棒性增强。 i v 大庆石油学院硕士研究生学位论文 引言 近几年来，伴随着科学技术的飞速发展，身份鉴别技术也倍受关注。据了解，仅 在2 0 0 4 年，美国就有上千万人的身份被盗用，损失达5 0 0 多亿美元；同样在美国，手 持假证走天下，港口机场任你行。这种情况表明，即使在美国这样的技术发达国家， 尚存在如此重大的安全隐患，更不用说其他国家情况。 针对这一状况，一种以防伪为特征的高新技术生物认证技术兴起于2 0 世纪末 期。生物认证技术说得通俗易懂一点就是通过人体自身的生理特征进行身份鉴别的技 术。身份鉴别，看似简单，实际它是一项横跨当今最有代表性的信息技术和生物技术 两大领域的高新技术，是多学科交叉的前沿科技。 这项技术相对于传统的以密码、钥匙等方式鉴别身份，生物认证技术使用的是脸 相、指纹、虹膜、笔迹、声纹、步态、d n a 等这些人体本身特征进行身份确认方式。 这种技术相对传统而言，是一次重大飞跃，其特点是确认身份具有唯一性，不会遗失， 难以伪造。它将最大限度地保证个人权益乃至国家安全。 本课题是研究短信平台与指纹验证应用技术的研究，从两个技术方面说明：一、 短信网关设计开发：二、指纹图像采集；首先着重讲述了网关接入模块的设计与实现， 其次是指纹图像采集，研究一种新的基于复合方向特征指纹算法，加速了指纹特征从 图像中抽取，也提高了准确度。 j 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 进入二十一世纪以来，计算机技术、生物技术飞速发展，特别是通信领域日新月 异。使得计算机网络通信的应用技术迅速在多个领域取得了突破性进展，如实现了光 纤密集波分复用的超大容量光通信系统，还有即将投入使用的具有多种业务、多种功 能的第三代移动通信系统，再就是牵动全世界的、即将使1 0 0 多年来的电话网发生变 革的、在一个网上实现话音、数据和广播电视三网融合的新一代互联网。 基于短信平台与指纹验证应用技术的研究在国内还不是很多，可以预测，随着3 g 环境渐趋成熟，面向浏览器的移动终端应用平台的推广，移动设备、标记语言、通信网络之 间通用标准的制定，以及语音技术、定位技术、数据安全技术、生物认证技术等关键技术的 解决，基于移动网络的短信甲台和指纹图像相结合的验证方式将有极大的发展空间。 1 2 短信平台的发展及现状 信息技术作为2 l 世纪的领先科技之一，处于空前的发展时期。传统的三网一电信 网、计算机网、有线电视网将很快走向融合。促使三网融合的动力主要来源于市场和 技术的发展，其中i n t e r n e t 的爆炸性发展功不可没，目前整个互联网上的数据流量已 经超过传统电信话音业务的数据量。另一方面，人类通信的远景可以用3 a 来概括 a n y w h e r e ( 任何地点) 、a n y t i m e ( 任何时间) 、a n y o n e ( 任何人) 。作为实现人类通信远景 的重要方式，无线通信尤其是6 s m 的发展也和i n t e r n e t 一样呈指数增长。在中国，g s m 移动通信的年增长率均超过1 0 0 9 6 g s m 用户只经过短短几年发展，用户数已经上亿， 使中国成为g s m 用户最多的国家。 短消息作为一项极具吸引力和人气的增值业务，愈来愈成为以话音业务为主导的 移动通信网络的另一个重要业务增长点。据有关调查表明：目前全球1 个月的短信息 发送量己达到1 5 0 亿条。率先开展此项业务的欧洲，每天发送的短消息为2 0 0 0 万条， 6 s m 运营商8 至2 0 9 6 的收入来自短消息。在中国，两大移动运营商也逐步实现了短消 息的互连互通，促进了短消息和基于短消息的各种新业务层出不穷。由于短信息服务 具有开通方便、收费低廉、内容丰富、应用广泛等特点，迅速获得了移动用户的青睐。 据预测，至2 0 0 5 年底，中国移动用户将达到3 8 4 亿，无线数据用户达1 8 7 亿。短信 所蕴涵的巨大的潜在商机受到运营商们的高度重视。若有了短消息可靠传递的基础， 6 s m 网络与国际互联网技术的结合将给目前以提供话音服务为主的g s m 移动通信网络 带来新的生机。 短信市场营销手段创新空间有限，营销资源开发程度很高以及短信业务的高渗透 是短信市场进入成熟期的内在原因。市场规模增幅放缓，市场规范和监管力度加大以 及市场竞争格局趋于稳定是短信市场进入成熟期的三大标志。 第1 章绪论 1 3 指纹验证技术发展及现状 生物认证技术兴起于2 0 世纪末期。生物认证技术说得通俗易懂一点就是通过人 体自身的生理特征进行身份鉴别的技术。身份鉴别，看似简单，实际它是一项横跨当 玲最有代表性的信息技术和生物技术两大领域的高新技术，是多学科交叉的前沿科 技。 这项技术在开始几年并未受到太多重视，然而“9 1 l ”事件发生后，由于在身 份鉴别上发生的重大漏洞，引起美国及西方各国高度重视。美国最近连续签署了3 个 国家安全法案( 爱国者法案、航空安全法案、边境签证法案) ，要求必须采用生物认证 技术。 。 相对于传统的以密码、钥匙等方式鉴别身份，生物认证技术使用的是脸相、指纹、 虹膜、笔迹、声纹、步态、d n a 等这些人体本身特征进行身份确认方式。这种技术相 对传统而言，是一次重大飞跃，其特点是确认身份具有唯一性，不会遗失，难以伪造。 它将最大限度地保证个人权益乃至国家安全。有专家预测，未来1 0 一1 5 年，生物认证 技术将深入到我们生活的方方面面，从而被认为是保障国家经济、国防安全以及普通 公民财产、人身安全的最重要的技术，其综合影响力不亚于互联网。 随着基于计算机的自动指纹识别技术诞生及不断发展完善，指纹识别技术已应用 到越来越广的领域。目前指纹自动识别的主流方法是基于细节点的，即提取细节点作 为特征来表征指纹图像，通过比对这些细节点进行识别。近年大量研究工作都是围绕 着如何更好更快地提取细节点和匹配细节点进行的文献 1 。随着指纹识别应用的推 广，细节特征点方法的不足也越来越显现出来，质量不好的指纹，识别效果很不理想， 严重制约了指纹识别在社会保险、银行储蓄等大范围的应用。可以说，这一问题已成 为指纹识别的瓶颈问题。 目前已研究出一些方法使基于细节特征点的指纹匹配具有更强的鲁棒性。 k o v d c s v a j n a 文献 2 采用三角匹配克服指纹变形并用动态时间规划对匹配进行验 证。r o s s 文献 3 则采用了细节特征和纹理特征相结合的指纹鉴别方法。r a t h a 和k a r u 文献 4 采用了基于h o u g h 变换的方法，通过指定不同的缩放尺度、旋转和平移参数来 对特征点集进行h o u g h 变换，并用最大分值衡量两个指纹的相似度。罗希平和田捷文 献 5 在匹配过程中采用了可变大小的限界合来克服指纹的非线性形变，取得了好的实 验结果。 b a z e n 等人提出了通过两步匹配实现指纹验证的方法文献 6 ，在这个方法中首先 在第一阶段通过严格的阈值使一部分的点匹配上，然后在第二阶段通过建立指纹的弹 性形变模型使大部分扭曲的特征点匹配上。t i c o 等人提出了通过基于方向的细节点描 述符来进行指纹匹配的方法文献 7 。在该方法中先对特征点求取基于方向的细节点描 述符，然后根据基于细节点的描述实现了细节点的匹配。 j a i n 等人提出了基于点模式校准的匹配方法文献【8 】，在他们的方法中关联的脊线 2 大庆石油学院硕士研究生学位论文 用来实现模板的校准，并报告了好的实验结果。但是，如果只保存较短长度的脊线， 模板校准的精度会较低，如果保存脊线的长度较长，模板会占用很大的存储空间，这 是大模板库所不能容忍的。 j i a n g 和y a u 提出了使用局部结构和全局结构信息的匹配方法文献【9 】，在这个方 法中局部结构用于确定特征点集的对应关系，而全局结构特征用于确定指纹的唯一性。 但是如果局部结构中只包含了较少数目的特征点，在出现伪特征点及漏掉真特征点的 情况下容易发生拒识，如果局部结构中包含了较多数目的特征点，则局部结构会过于 复杂，从而增加算法的复杂度并同样导致模板占用过大的存储空间。 除细节特征点的位置和方向外，目前已有很多特征被用于指纹验证，例如特征点 类型特征【9 ，l o 】，特征点间的脊线数目特征【4 ，9 】，与特征点相连的脊线形状特征【5 ，8 】 等。鉴于特征点类型特征、脊线数目特征等在低质量图像中不够稳定，我们讨论一种 新颖且稳定的复合方向特征用于指纹验证。 1 4 课题来源、主要研究内容 在社会日益发展的今天，社会环境愈益复杂化，学校和学生家长越来越迫切地要 求加强相互间的联系和沟通，共同教育青少年健康成长。传统的方式显现出越来越多 的不足和弊端。 教育业能否有个持续、快速、健康的发展，不仅仅只靠教育部门一家的努力， 还要靠全社会和各个部门的关心参与，包括社会各界特别是广大家长们的理解与支持。 尤其要指出的是如何利用先进的信息技术，积极发挥家庭和社会在培养和教育青少年 学生中的重要作用，为青少年的健康成长创造良好的社会育人环境。成为一个重要的 研究课题。本论文就是基于此课题，研究短信平台与指纹验证相结合的应用技术。 本课题研究内容分为软件开发、硬件设计两个部分。其中以软件开发为主。硬件 部分主要完成识别验证平台的搭建和实现通信模式转换的硬件连接。软件开发部分以 开发移动通信短信网关模块、基于复合方向特征指纹算法( 一套新的算法) 的指纹验 证模块为主，最后完成系统的调试。 3 第2 章短信网关技术体系 第2 章短信网关技术体系 2 1 短信网络技术 短消息服务( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ，s m s ) 是为手机用户提供的一种增值服务。 用户通过手机或i n t e r n e t 发送短消息到短消息中心( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ， s m s c ) ，获得需要的信息，满足自身个性化的需求。短消息服务是相互之间联系比较便 利的一种手段，各个业务提供者( s e r v e rp r o v i d e r ，s p ，即信息资源站实体) 通过开 发特色的短消息服务应用系统来开拓这一市场。开发短消息服务应用系统主要涉及到 短消息服务相关的协议、与相关的协议接口和具体业务系统的实现。，。 短消息业务处理系统独立于g s m 网络，主要功能是提交、存储、转发短消息，并 完成壤于短消息的各种业务。由于短消息发送占用的是信令通道，这样对于由于占线、 久叫不应咂造成的无法建立通话情况下的用户仍可囱其发送短消息。对于移动台关机 或不在服务区而造成的无法联系，短消息发送会失败，但短消息中心会保存该消息， 并在h l r 中设置等待标志，一旦用户开机或返回服务区，g s m 系统会及时通知短消息 中心重发保存的短消息，用户会在最早的时间收到短信息。 2 1 1 短信网络特点分析 g s m 系统除了提供电路交换的各种电信业务和承载业务外，还提供基于分组交换 的短消息业务。在g s m 网中发送短消息是通过复用信令控制信道s d c c h 或s a c c h 传输 的文献 1 0 。s d c c h 称为独立专用控制信道，用于分配业务信道之前的呼叫建立等信 令交换。s a c c h 是慢速随路控制信道，它伴随业务信道t c h 或独立专用控制信道s d c c h ， 主要用于临近小区的监视、功率测量及测量报告的发送等。当话音信道t c h 空闲时， 短消息采用独立专用控制信道s d c c h 传输，当话音信道t c h 被占用时，短消息采用慢 速随路控制信道s a c c h 迸行传输，由于短消息不占用话音信道，因此，移动用户在处 于完全通信状态下，仍然可以进行短消息的传输。在短消息的整个传输过程中没有呼 叫连接建立和释放的过程，因此具有节省无线资源、传输迅速和价格低廉的特点。 2 1 2 短信系统网络结构 g s m 网络的点对点短消息包括两种基本业务： s m m t ，是到达移动台m s 的短消息业务，描述g s m 系统从短消息业务中心s c 向 一个m s 发送短消息的能力； s m m o ，是由移动台m s 发起的短消息业务，描述g s m 系统通过短消息中心s c 向 一个短消息实体s m e 发送短消息的能力。消息必须包括短消息的最终到达地址，即s m e 地址。短信网络结构如图2 一l 所示。 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 图2 1 短信网络结构 图解如下： s m e ：s h o r tm e s s a g i n ge n t i t y ，短消息实体。它可以接收或发送短消息，位于固 定网络、业务中心s c 或移动台惦中。 s m s c ：s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短消息服务中心，负责在基站和s m e 问 中继、储存或转发短消息，移动台( m s ) 到s m s c 的协议能传输来自移动台或朝向移动台 的短消息，协议名为s m t p ( s h o r tm e s s a g et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 。 s m s _ g w m s ：s m s - g a t e w a ym s c ，s m s 网关。负责s m m t 类型的业务，查询位置归属 寄存器h l r 获得路由信息，然后经由g s m 电路交换网络路由到m s 所在的目的拜访移动 交换中心v m s c 。和s m s _ g w m s 对应的还有s m s _ i w m s c 。它代表短消息业务互联，负责 s m m o 类型的业务，接收p l m n 网内部m s 发来的短消息，并提交给短消息中心s c 。 h l r ：h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，归属位置寄存器。用于永久储存管理用户和服务 记录的数据库，由s m s c 产生。s m s 网关与h l r 之间的协议使前者可以要求h l r 搜索可 找到的用户地址。它与m s c 与h l r 之间的协议一起，能在移动台因超出覆盖区而丢失 报文、随后又可找到时加以提示。 m s c ：m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ，移动交换中心。负责系统切换管理并控制来自 或发向其他电话或数据系统的拨叫。 v l r ：v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ，访问位置寄存器。含有用户l 临时信息的数据 库。交换中心服务访问用户时需要这些信息。 b s s ：b a s es t a t i o ns y s t e m ，基站系统。是移动终端通过无线信道接入网络的接 口文献 1 1 。 其中m s c 与v l r ，h l r ，s m s _ _ g w m s 之间通过7 号信令网承载消息。m s c 与b s s 之 间采用2 0 4 8 k b s 的e l 线路承载消息。 2 1 3 用户侧协议结构 在s c 和m s 之间，点对点短消息业务的协议共分为4 层：短消息应用层s m a l 、短 消息传输层s m t l 、短消息中继层s m r l 、短消息底层s m l l 。上下层之间使用请求原语 和指示原语进行信息传递。 第2 章短信剐关技术体系 数据单元即为来自用户的短消息，每次只能发送最大长度为1 4 0 字节的信息，超 过1 4 0 字节的用户长信息，可以自动分成几次发送。g s m 标准规定，能够自动分发的 长信息至多分为2 5 5 次发送完毕。 1 s m t l 提供的服务文献 短消息传输层s m t l 1 2 为短消息应用层提供服务，使得s m a l 能够向对等实体发 送、接收短消息，并接收早前请求传送短消息的有关报告。为了跟踪、区分这些消息 和报告，s m a l 和s m t l 之间垂直通信的原语包含有s m i 短消息识别，这是和原语相关 的消息参考号。该s m i 并被s m t l 映射到s m r l 。实体之间水平通信并不携带s m i ，因此 对于一条短消息，它在收发两侧( m s s c 或s c m s ) 的短消息识别号s m i 可以是不同 的。例如s c 向m s l 发送消息a ，这是s c 发送的第4 条消息。前面3 条是发送给其它 m s 的，因此s m i = 4 ，而这是m s l 接收到的第1 条消息，因此在m s 侧s m i = i 。 s m t l 层对s m a l 层的用户短消息数据进行封装，并添加相应的地址、控制信息后， 形成s m t l 层的协议数据单元t p d u 。其中的用户数据单元部分称为t p u d 。t p u d 携带来 自s m a l 的用户短消息，可能仅包含短消息本身，也可能除短消息外，还包含用户数据 头t p u d _ h e a d e r 。短消息本身有7 b i t ，8 b i t 和1 6 b i t 三种编码方式，例如汉字、阿拉 伯文字即采用1 6 b i t 编码，拉丁字母采用7 b i t 编码文献 1 3 。根据编码方式的不同， 以及是否有用户数据头开销，t p u d 能携带的最大短消息长度是不同的。 1 ) 没有数掘头开销时，t p u d 域中短消息的最大长度为1 4 0 字节，即7b i t 编码方 式下1 6 0 个字符，8b i t 编码方式下1 4 0 个字符，1 6b i t 编码方式下7 0 个字符。 2 ) 有数据头开销时，t p u d 域中能携带的最大短消息长度分别如下： 采用无压缩8b i t 数据编码时，最大长度为1 3 4 = 1 4 0 - 6 字节，6 字节开销。 采用无压缩g s m 缺省7b i t 编码时，最大长度为1 5 3 = 1 6 0 - 7 字节，7 字节开销。 采用1 6 b i t 无压缩u s c 2 编码时，最大长度为6 7 = ( 1 4 0 6 ) 2 字节，6 字节开 销。由于u c s 2 字符不能被从中分开，因此，如果用户数据头是奇数字节时，整个t p u d 域的最大长度为1 3 9 字节。 一条级联起来的无压缩短消息最大长度为3 9 0 1 5 = 2 5 5x1 5 3 个缺省字符， 3 4 1 7 0 = 2 5 5x1 3 4 个字节或1 7 0 8 5 = 2 5 5x6 7 个u c s 2 字符，即应用层s m a l 允许键入的 一条最长消息长度，它至多被分为2 5 5 条短消息发出。 2 s m r l 提供的服务 s m r l 层为s m t l 提供服务，使得s m t l 能向对端实体发送t p d u ，接收t p d u 和传送 t p d u 的有关报告。为了能够跟踪识别t p d u ，s m t l 和s m r l 之间的原语包含有s m i 。s m r l 层对t p d u 进行封装，添加地址、控制信息后形成自己的协议数据单元r p d u 。其中r p d u 的用户数据部分携带了s m t l 层的协议数据单元t p d u ，t p d u 的最大长度为2 3 3 字节。 在s m r l 层定义了s m r 实体。s m r 对等实体之间利用s m l l 提供的服务相互通信。 3 s m l l 提供的服务 s m l l 层的构成主要是c m ( c o n n e c t i o nm a n a g e m e n t ) 子层向s m r l 层提供服务以支持 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 短消息业务。咪子层的短消息服务由称为s m c 的短消息控制实体进行控制。不同短消 息控制实体s m c 通过t i t r a n s a c t i o n i d e n t i f i e r 的不同取值来识别。 m s 侧的s m c 通过对等协议s 艟c p 短消息业务控制协议与m s c 侧的s m c 进行通信。 s m c 实体之间的通信协议数据单元称为c p d u ，c p d u 其中的用户数据部分携带了s m r l 层的数据单元r p d u ，r p d u 的最大长度为2 4 8 字节。 c m 子层的数据单元c p d u 经过m m 子层、r r 子层的协议鉴别后，送入数据链 路层的帧结构中封装。来自c m 子层的最大c p d u 长度为2 5 l 字节。然后每个数据帧 经过卷积编码、交织，形成一个4 5 6 b i t 的数据块，在物理层的信道上发送，连续占用 4 个t d m a 帧发送文献 1 4 1 。 2 1 4 网络侧协议结构 s m s 网关和s m s c 之间的协议末作规定。在移动台m s 和s m s c 之间规定的短消息传 输协议s m t p ，实际上是一个包括一些应用协议特点的端到端协议。由于m s c 只是负责 短消息的中继，因此不需要上层协议的处理能力，终端和短消息中心有上层处理协议 s m l 和s m a l 层，而m s c 在s m r l 层以下使用t c a p m a p 协议进行短消息的中继。 m s c 和s m s 网关之问的协议包括7 号信令m a p h 和支持7 号信令m a p 的底层协议 m t p ( 消息传送部分) 、s c c p ( 信令连接控制部分) 和t c a p ( 事务处理能力应用部分) 。短 消息的最大长度( 1 4 0 字节) 就是由m t p 最大帧长度得到的。 m s 与m s c v l r 的短消息控制协议s m c p 是一个简单的协议。它由一个包含三种消 息类型的命令应答规程组成，基本上是以发送等待的交替方式工作，是一些上层协 议的确认或是差错报告。短消息中继协议s m r p 包括参考管理和寻址。s m r p 协议与m a p h 协议在m s c n l r 内交互工作。s m r p 协议中定义了三种消息报文：携带报文( r p d a t a ) 、 传送确认( r p - a c k ) 、指示一个差错( r p e r r o r ) 。通过s m r p 协议产生的一字节报文消 息参考使报文消息互相相关，从而使得在这一层次上可以并行发送或接收不同的消息 报文。寻址是由在s m - r p 的r p - d a t a 报文消息中加入目的地址( 对于一个移动台发出的 消息) 或起始地址( 对于一个呼叫移动台的消息) 完成的。姒p h 提供的功能和s m r p 相 对应，也包括三条消息。m s c - v l r 对来自s m r p 和姒p h 的消息互相比照转换，对m s 与s m s c 相连的m s c 之间的短消息及其确认进行中继传送文献 1 5 3 。 在无线接口上，消息传送的底层协议使用包括在t c h 8 或s a c c h 上的一个确认模 式s a p l 3 ( 业务接入点识别符) 链路。这条链路再用a b i s 接口上的中继协议和a 接口上 的d t a p ( 直接转移应用单元) 协议将消息传送到m s c 。 s m s 网关与h l r 之间的协议使s m s 网关能要求h l r 搜索可找到的用户的地址，它 属于姒p c 协议的一部分。m a p c 和姒p d 能在移动台超出服务区接收不到消息后又 再次进入服务区时给以提示。 第2 章短信网关技术体系 2 2 网关应用协议 2 2 1t c p i p 协议 网络协议通常分不同层次进行开发，每一层分别负责不同的通信功能。t c p i p 通 常被认为是一个四层协议系统，如表2 1 所示： 应用层h t t p ，f t p ，d n s ，t e l n e t 等 运输层t c p ，u d p 等 网络层i p ，i c m p ，i g m p 等 数据链路层a r p ，r a r p ，设备驱动和接口卡 表2 - 1t c p i p 协议族的分层 每一层负责不同的功能： 链路层：有时也称作网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机 中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆( 或其他任何传输媒介) 的物理接口细节。 这一层负责数据帧的发送和接收，帧是独立的网络信息传输单元。链路层将帧放在网 上，或从网上把帧取下来。t c p i p 支持多种不同的链路层协议，这取决于网络所使用 的硬件，如以太网、令牌环网、f d d ( 光纤分布式数据接口) 及r s - 2 3 2 串行线路等。 网络层：有时也称作互联网层，在t c p i p 协议族中，网络层协议包括i p 协议， a r p 协议，i c m p 协议，以及i g m p 协议。协议主要处理分组在网络中的活动，将数据包 封装成i n t e r n e t 数据报，并运行必要的路由算法。网络层各协议的功能如下： 网际协议i p ：负责在主机和网络之间寻址和路由数据包。 地址解析协议a r p ：获得同一物理网络中的硬件主机地址。 网际控制消息协议i c m p ：发送消息，并报告有关数据包的传送错误。 互联组管理协议i g m p ：被i p 主机拿来向本地多路广播路由器报告主机组成员。 网际协议i p 是t c p i p 协议族中最为核心的协议，它提供不可靠、无连接的数据 报传送服务。 不可靠( u n r e l i a b l e ) 的意思是它不能保证i p 数据报能成功地到达目的地。i p 仅 提供“尽力而为”的传输服务，则数据在被收到时，i p 不需要收到确认。如果发生某 种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，i p 有一个简单的错误处理算法：丢弃该 数据报，然后发送i c m p 消息报给源地址端。任何要求的可靠性必须由上层来提供。 无连接( c o n n e c t i o n l e s s ) 是i p 并不维护任何关于后续数据报的状态信息，每个数 据报的处理是相互独立的。这也说明，在交换数据前它并不建立会话，i p 数据报可以 不按发送顺序接收。如果一地址向相同的目的地址发送两个连续的数据报( 先是a ，然 后是b ) ，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此b 可能在 a 到达之前先到达。 运输层：主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在t c p i p 协议族中， 有两个互不相同的传输协议：t c p ( 传输控制协议) 和u d p ( 用户数据报协议) 。传输协议 8 大庆石油学院硕士研究生学位论文 的选择根据数据传输方式而定。 2 2 2s m p p 协议 短消息点对点协议是业界标准的s m s c 应用协议文献 1 6 ( s h o r tm e s s a g ep e e rt o p e e r ，s m p p ) ，是由爱尔兰的罗捷克公司开发的技术，基于t c p i p 或x 2 5 协议，为 s m s c 和扩展短信实体( 例如互联网短信网关( i n t e r n e ts h o r tm e s s a g eg a t e w a y ，i s m g ) 或联通公司的短消息网关( s h o r tm e s s a g eg a t e w a y ，s m g ) ) 之间提供数据传输的通讯接 口。s m p p 中规定了一系列的操作，操作采用请求应答方式，操作的发起方发送请求 数据包，接收方收到请求后进行相应的处理并返回应答数据包。s m p p 协议的3 4 版可 以在多种数字蜂窝网络技术中使用，包括g s m ，c d m a ，t d m a 和i d e n 。 i s m p p 协议可以支持以下几种功能： 一个扩展短消息把消息传送到一个或多个目的地。 一个扩展短消息实体( e s m e ) 能通过消息中心收到其他短消息实体( 例如基站) 发来的消息。 能够查询存储在短消息中心的消息状态。 能够取消或替代存储在短消息中心的消息。 能够发送状态报告。 能安排消息交付的日期和时间。 能选择消息模式( 数据报或存储转发) 。 能设置消息交付的优先级。 能定义消息的数据代码类型。 能设置消息的有效期。 2 s m p p 的会话方式 s m p p 协议运行在底层通讯协议( t c p i p ，x 2 5 ) 上，它定义了短消息中心和扩展短 消息实体之间的请求响应协议数据单元( p d s ) 。每一个s m p p 操作都包括一个请求p d u 及其相关的响应p d u ，接收消息的实体必须返回一个响应p d u 给请求实体。从发送请 求消息的角度，数据的交流分三种形式：只从e s 她( 这时称t r a n s m i t t e r ) 发送请求到 s m s c 、只从s m s c 发送请求到e s m e ( r e c e i v e r ) ，以及双方都可以发送请求( 这时e s m e 称t r a n s c e i v e r ) 。针对这三种形式，s m p p 提出了三种会话方式：b o u n dt x ，b o u n d r x ， b o u n d _ t r x 。 b o u n d _ t x 这种会话方式首先在e s m e 和s m s c 之间建立一条网络连接，这时s m p p 会话处在 o p e n 状态；之后，这个建立了网络连接的e s m e 以t r a n s m i t t e r 的身份向s m s c 发送一 条b i n d _ t r a n s m i t t e rp d u s ，当得到s m s c 的响应之后，s m p p 会话就处在b o u n d _ t x 状态，这时e s m e 就可以通过s m s c 转发短消息给某个基站。若没有其他的消息发送， 任一方可以发送u n b i n dp d u s 以断开这次会话( 注：此时的网络层连接还存在) ，使s m p p 会话处在c l o s e 状态。 9 第2 章短信用关技术体系 b o u n d - r x 这种会话方式也需要先建立一条网络连接，让s m p p 会话处在o p e n 状态；然后e s m e 以r e c e i v e 的身份向s m s c 发送一条b i n d _ r e c e i v e rp d u s ，收到响应之后，e s m e 就是 一个r e c e i v e r 了。此时s m p p 会话就处在b o u n dr x 状态，e s m e 可以接收s m s c 发送的 短消息。 b o u n dt r x 这种会话方式是提供给e s m e 和s m s c 双方都需要发送短消息但只占用一条网络连 接的情况。当建立了一条网络连接，打开该会话之后，e s m e 发送b i n d t r a n s c e i v e rp d u s 请求建立b o u n dt r x 的会话方式。s m s c 响应之后，e s m e 和s m s c 就都可以通过一条网 络连接互发短消息了。 3 存储转发消息模式 s m p p 协议支持三种消息模式：存储转发消息模式( s t o r ea n df o r w a r d ) 、数据报 消息模式( d a t a g r a m ) 、交易消息模式( t r a n s a c t i o n ) 。通常采用存储转发消息模式。在 这种模式下，s m p p 通过s u b m i t _ s m 操作使e s m e 送消息给短信中心，短信中心存储这 条消息直到它被成功交付或者超过消息有效期限。存储转发机制也为查询、替换、以 及取消消息的操作带来了方便。图2 2 说明了一个存储转发的过程。其中e s 跹以 “t r a n s m i t t e r ”和“r e c e i v e r ”的身份注册，并且要求回复状态报告( s m s cd e l i v e r y r e c e i p t ) 。 1 0 e s m es 凝n s 6 抛“毽唧巍f i 槲 6 抽t n 捌l 彝t ，捌0 j _ e 印 - h 7 n o h 一_ 7 戢幽_ f t 一 凰峨t ，l 翻l ，甲 n o t w o r kd e l i v e z , a t t a r 一一 1配暂 哪唧一o e 曩哪， 茸u b m i l _ _ 乳嘲l ，乞蠡曩邝嘲， ；e t r r o z k 鲥j 竹a t t e 唰) t i朋讲 啦f _ 甜啸d e l f v e x 7a t t e s t 一 妇f j 一一w r 口一_ m 一 l o 一o - - r 7 图2 _ 2 存储转发过程 大庆石油学院硕士研究生学位论文 4 消息定义及格式 s m p p 协议和c m p p 协议有所不同，虽然s m p p 的数据也是由消息头和消息体构成， 但由于消息体中的某些字段根据具体情况长度可变，造成s m p p 消息是不定长的。s m p p 的消息头包括四个字段：c o m m a n d - l e n g t h ；e o m a n d _ i d ：c o t m a n d - s t a t u s ； s e q u e n c e n u m b e r ：它们都占4 个字节，分剐表示整个包的长度，命令标识符，请求消 息状态，以及消息序列号。 5 s m p p 协议消息分为两类： 1 ) 从e s m e 到s m s c 的消息 命令描述 b i n d r e c e i v e r e s m e 要求以接收者身份连接到s m s c b i n d - t r a n s m i t t e re s m e 要求以发送者身份连接到s m s c b i n d t r a n s c e i v e re s m e 与s m s c 互为接收者和发送者通信 u n b i n de s m e 要求断开连接到s m s c s u h m i ts me s m e 提交短消息到s m s c ，以便s m s c 下发此短 消息到指定的移动台 s u b m i t _ m u l t ie s m e 提交短消息到s m s c ，以便s m s c 下发此短 消息到多个指定的移动台 q u e r y s m e s m e 查询以前提交的消息的状态 c a n c e ls me s m e 要求取消以前提交的消息 r e p l a c e _ s me s m e 要求用薪消息替换以前提交的消息 e n q u i r e 一1i n k 询问与s m s c 的连接情况 g e n e r i c n a k 表示消息头有错误的响应 表