（计算机应用技术专业论文）基于gprs网络的无线数据通信设备的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着通信业的发展，人们已经逐渐习惯了随时联上网络了解最新资讯，分享 工作成果，购买心仪产品的生活。从以单个计算机为主的远程通信系统，到多个 主计算机通过通信线路互连起来的系统，再到计算机网络；从开始的电话线拨号， 到小区宽带，再到手机无线上网，网络技术的发展日新月异，在很短的时间内就 使我们的生活发生了翻天覆地的变化。当前，网络的发展不再仅仅局限于速度，“无 线、安全、稳定、方便 已然成为了人们心目中衡量一种网络的标尺。 g p r s 网络正是这样的一种无线网络。g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简称，是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的 分组数据承载业务。g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种 电路交换系统，而g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、 突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。这一特点 正适合于大多数移动互联的应用和需要。 g p r s 无线数据通信设备利用了g p r s 的“实时在线”、“按量计费”、“快捷登 录”、“高速传输”、“自如切换”的特点，随时随地的将各种实时数据，通过g p r s 网络，快速高效的发送到数据中心端。并且在数据发送的同时，g p r s 无线数据通 信设备也能接收数据中心端的数据，并将这些数据交给监控设备，实现即时传输， 即时控制的功能。该设备运营成本低、准确性高、对环境适应性好、易于安装、 易于维护，能够为用户提供高速、永远在线、可靠的数据传输服务，能够被应用 于各种广阔的行业中。 本论文将按照下面的顺序，从功能和性能上介绍一种g p r s 的无线数据通信 设备： ( 1 ) 基本技术知识； ( 2 ) 产品硬件构成； ( 3 ) 需求分析； ( 4 ) 概要设计； ( 5 ) 系统测试； 该通信设备和当前同类的产品比较起来有以下一些优点： ( 1 ) 内嵌t c p i p 协议栈，能够方便的连入i n t e l n e t 网络； 摘要 ( 2 ) 在没有用户干预的情况下，自动和网络连接，方便操作； ( 3 ) 数据传输速度快，系统效率高； ( 4 ) 能够满足各种行业的应用标准，无需定制； ( 5 ) 安全性能高，在极端情况也能保存和备份数据； 关键词：g p r s 网络，无线数据通信设备，设备功能分析，设计与实现 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , h u m a nb e i n g sh a v eb e i n g a c c u s t o m e dt ou s et h ei n t e m e ta ss o o na s l e yc o u l d f r o mt h ei n t e r n c t ，p e o p l ec a n o b t a i nl a s tn e w s ，s h a r et h e i rw o r ko rp u r c h a s ep r o d u c t st l l e yl i k eb e s t f r o mh i s t o r y , w e c a r ls e et h a t ，a l lt h et h i n g sc o u l dn o tb ea c c o m p l i s h e di no n em o v e ，b u ts t e pb ys t e p f r o mt h er e m o t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hu s e db ys i n g l ec o m p u t e r s ，t ot h es y s t e m w h i c hl i n k e db yc o m m u n i c a t i o nl i n e sf r o ms e r v e r a lh o s tc o m p u t e r s ；f r o mt h eb e g i n i n g o fd i a l i n gt h r o u g hp h o n el i n et ot h ea r e o l aw i d eb a n da n dt h eb r o w s ew e b si nm o b i l e p h o n e ，n e t w o r kt e c h n o l o g yc h a n g e ss oq u i c k l yt h a tm a k eo u rl i v e sa l s oc h a n g eg r e a t l y n o w , t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o ni sn o to n l yt h es p e e do ft h en e t w o r k ，b u t ”w i r e l e s s n e s s ”，”s e c u r i t y ”，”s t a b l e n e s s ”，”c o n v e n i e n c e ”h a v eb e c o m et h en e ws t a n d a r d s i no u rh e a r t sf o rt h en e t w o r k g p r sm a y b ei st h a tt y p eo fn e t w o r ks y s t e mw h i c hc a nf u l l f i lp e o p l e sw i s h g p r s i st h es h o r tn a m ef o r ”g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ”，w h i c hi sd e v e l o p e df r o mt h e g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) s y s t e m t h e m o s td i f f e r e n c e b e t w e e ng p r sa n dg s mi st h eb a s e e x c h a n g i n gs y s t e m g s mi sat y p eo fc i r c u i t e x c h a n g es y s t e mb u tg p r st r a n s m i t ea n dr e c e i v ed a t ab yp a c k e t s s o ，g p r si sp r o p e r f o rt r a n s m i t i n gi n t e r m i t t e n to rf r e q u e n ta n ds l i g h td a t a s o m e t i m e s ，i ta l s oc a l lb eu s e d f o rt r a n s m i t i n gag r e a td e a lo fd a t a t h i ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t ya p p r o p r i a t et oa l m o s ta l l m o b i l ea p p l i c a t i o n s g p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v i c e st a k ea d v a t a g eo ft h eg p r ss y s t e mw h i c h c a nb er e a l t i m eo n l i n e ，f e eb yf l o w , f a s tl a n d i n g ，h i g l l s p e e dt r a n s m i s s i o na n df l e e e x c h a n g e s o ，d e v i c e sc a nt r a n s m i t ed a t at od a t ac e n t e rt h r o u g hg p r ss y s t e mf a s t l ya n d e f f i c i e n t l y a tt h es a m et i m e ，d e v i c e sc a l la l s or e c e i v ec o m m a n dd a t af r o md a t ac e n t e r a n ds e n di tt om o n i t o r i n ge q u i p m e n t st o a c c o m p l i s ht h e f u n c t i o no fr e a l t i m e t r a n s m i t i n ga n dr e a l t i m ec o n t r o l i n g t h i sd e v i c ei sl o w - c o s ta n dh i g ha c c u r a t e ，c o u l d d on o n ed a m a g et oc i r c u m s t a n c e i tc a nb ei n s t a l l e da n dm a i n t a i n e de a s l yw h i c hw i l l p r o v i d eh i g h s p e e d ，o n l i n ef o r e v e ra n dr e l i a b l es e r v i c e s i tc a nb eu s e di n l o t so f d i f f e r e n tb u s i n e s s e s i i i a b s t r a c t t h i ss u b j e c tf o c u so nt h ei n t r o d u c t i o no fag p r sc o m m u n i c a t i o nd e v i c ei nt h e f o l l o w i n gs e q u e n c e ： ( 1 ) b a s i ct e c h n i ck n o w l e d g e ； ( 2 ) h a r d w a r ec o m p o n e n t ； ( 3 ) r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ； ( 4 ) p r e l i m i n a r yd e s i g n ； ( 5 ) s y s t e m a t i ct e s t i n g ； a n dc o m p a r e 谢廿1t h es a m ek i n do fp r o d u c t i o n s ，i th a sl o t so f a d v a n t a g e sa s ： ( 1 ) e m b e d e dt c p i ps t a c k ； ( 2 ) l i n k i n g 晰t l li n t e r n e ta u t o m a t i c l yw i t h o u ti n t e r v e n t i o n ； ( 3 ) h i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o na n de f f i c i e n t ； ( 4 ) s a t i s f yw i t ha m o s ta l li n d u s t r y s t a n d a r d sw i t h o u tc u s t o m b u i l d i n g ； ( 5 ) s a f e t ya n dr e l i a b l e ，c a np r e s e r v ed a t ai ne x t r e m i s ； k e y w o r d s ：g p r sn e t w o r k ，w i r e l e s sc o m m 赫e q u i p m e n t , e q u i p m e n tf u n c t i o n a n a l y s i s ，d e s i g na n dd e v e l o p m e n t i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特， , l j t l 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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：蛆导师签名：监 日期：年 月日 第一章绪论 1 。1 课题背景 第一章绪论 随着网络的逐步应用和推广，人们已经能够在各方面享受网络所带来的快捷 与方便。通过网络看书读报、交友聊天、买卖商品这些早已成为人们日常生活 中不可缺少的部分。 从有线网络到无线网络，区别不仅仅是物理连接方式的不同，而是改变了人 们对网络的使用方式和行为习惯。人手一根电话线或者网线的时代已经渐渐过去， 随时随地无线上网已经成为一种必然的趋势。 为了顺应这样的趋势，我们希望能够利用无线网络的各种优点，设计出一种 能够被大众所接受，以及能为大家带来巨大方便的设备。希望通过这种设备的使 用，能够达到即使是在自然条件恶劣、人迹罕至的地方；或是在硬件设施缺乏、 操作人员素质低下的条件下，人们都能够将各种重要的关键数据，即时高效的传 送出去，同时能够节约大量的人力物力，降低成本。 g p r s 网络的出现，为我们想法的实现提供了一个机会。随着越来越多的业务 在g p r s 网络上开展，我们也逐渐意识到：使用g p r s 网络来实时、快速、高效 的传输数据，这种方案是可行的。 当前，世界各家通信厂商已经在市面推出了各种g p r s 通信模块。国外的企 业如西门子公司的m c 系列，w a v c o m 公司的w m o d 2 b 等；而国内的企业如中兴、 华为等，也适时推出了如m e 系列、g t m 系列的产品等。这些产品功能强大、工 作稳定，能够在各种恶劣的条件下进行工作，并且其中一些已经内置了t c p i p 协 议栈，能够非常方便的和各种非i p 设备进行整合，使其和i n t e r n e t 互连，实现数 据的无线传输。 但是，为了能够加大力度的推广g p r s 业务的应用，仅仅是靠g p r s 通信模 块还是远远不够的。还需要有更加优秀的解决方案与之整合，才能真正满足各个 行业对无线数据通信的迫切要求。 g p r si pm o d e m 产品解决方案是电子科技大学嵌入式软件工程中心结合自身 多年嵌入式操作系统、嵌入式网络系统、移动应用开发经验，开发的g p r s 无线 通信设备解决方案。 电子科技大学硕士学位论文 该方案满足目前市场流行的移动终端硬件能力，能够达到良好的运行效果， 同时解决应用的开发、部署及运营管理的问题。 1 2 课题综述 论文课题源自电子科技大学嵌入式软件工程中心与其他相关公司合作研制的 g p r si pm o d e m 设备，该设备利用其无线上网的优势，可应用于电力、自来水、 天然气等领域表计的计量；可实现自动测量读取、自动计量发送、远程信息处理、 远程设备监控，以及安防、车辆调度、公众流量业务、工业处理自动化等任何需 要统一管理服务终端的应用方案；还可广泛应用于金融、保险、证券、商业、公 安、交通、税务、气象、石油等各大行业和领域。该设备经过了一年多时间的策 划和预研，从开始时的硬件选择到后来设备的试销售，再到设备的最终稳定，整 整经过了3 年多的时间。其间主要工作内容有： ( 1 ) 分析g p r s 网络的特性，提出该设备的可行性报告。 ( 2 ) 分析和了解市面上各种嵌入式c p u 芯片以及g p r s 无线上网模块，完成设 备的硬件制版。 ( 3 ) 走访潜在客户了解各种行业的需求，提出需求分析报告。 ( 4 ) 按照需求分析报告的要求，设计与之相匹配的软件系统，实现其指定的功 能。 ( 5 ) 测试。 1 3 我的工作 在这个设备的研究和开发中，我的主要工作包括： 策划和设计部分： ( 】) 需求分析说明书； ( 2 ) 概要设计说明书； 实现部分： ( 1 ) 链路层拨号协议( p p p ) 的设计和实现； ( 2 ) 应用层t e l n e t 协议的实现； ( 3 ) s a m s u n g s 3 c 4 5 1 0 b 上驱动程序的实现，包括：以太控制器、串e l 、d m a ； ( 4 ) s i m e n s e m c 3 5 i m c 3 9 i 上短消息的接收和发送； 2 第一章绪论 ( 5 ) 产品应用的设计和实现； ( 3 ) 异常处理； ( 4 ) 系统性能优化； 1 4 论文结构 整个论文的结构安排如下： 第一章：说明了课题的背景、来源和内容安排 第二章：介绍必要的技术，如g p r s 技术、p p p 拨号连接、n a t 协议、短消 息的发送方法等等，为后面分析g p r s 无线传输通信设备的功能和特点作铺垫 第三章：介绍我们的课题g p r s 无线数据通信设备g p r si pm o d e m 的应 用场合和应用模式，并重点介绍该设备的硬件组成以及各硬件模块的特点 第四章：深入分析该无线数据通信设备软件的功能和性能，确定软件设计的 限制以及软件同其他系统元素的接口细节，定义软件的其他有效性需求，并将各 种功能分配到模块一级 第五章：把第四章的软件需求变换成软件表示的过程，为该软件划分出框架、 层次、流程和模块，并细化各个模块的接口以及一些关键性的数据结构 第六章：提出各种测试方案，并使用这些测试方案对设备进行测试，给出测 试最终的结果 第七章：分析该设备在硬件和软件上的优缺点，提出进一步修改的意见和方 法 3 电子科技大学硕士学位论文 2 1g p r s 2 1 1 什么是g p r s 第二章基础技术说明 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i e e ) 的简称，它是g s m 移动电话用户可用的一种移动数据业务。 g p r s 对于旧的基于电路域的g s m 来说，是一种全新的数据通信业务。它在 移动终端和数据网络之间提供了一种高速、无线、稳定的传输通道，而且该通道 基于婵协议，能够方便和同样基于p 协议的1 1 1 t e m e t 网络互联。 g p r s 使用分组交换技术，同时提供多个无线数据通道，当进行数据传输时， g p r s 系统可以根据当前的使用情况来重新分配数据通道。这样的话，在带宽充足 的情况下，可为终端分配更多的数据通道，进行更快的数据传输，更加合理的利 用资源。g p r s 理论带宽为1 7 1 2 k b p s ，虽然该速度并不是特别快，但是在各种传 输的数据量不多但是突发性很高的情况下非常适用。即使有时进行大数据量的收 发也不会造成任何问题。 g p r s 将数据按照帧的形式进行收发，而且收费方式也从传统的按时收费转变 为按照流量收费。从长远来说，这样的方式可以大大降低用户的使用成本。 2 1 。2g p r s 结构 g p r s 的系统结构图如下图所示： 图2 - 1g p r s 系统结构 g p r s 网络并非是一种全新的网络，而是利用现在的g s m 基础，并在此基础 4 第二章基础技术说明 上进行扩充和改进而成的。从图2 1 可以看到，g p r s 系统主要是在现有g s m 网 络中增加了服务支持节点( s g s n ) 和g p r s 网关支持节点( g g 来实现的。 终端同g p r s 系统通信的过程如下： ( 1 ) 设备通过g p r s 无线通信模块同g p r s 基站通信，将数据发送到基站： ( 2 ) 基站接收到数据后，将数据转发到s g s n , ( 3 ) s g s n 同g g s n 通信，由g g s n 处理接收到的数据，之后再转发到目的地； ( 4 ) 而从目的地过来的数据，先由g g s n 接收，之后交给s g s n ，最后交给终 端； s g s n 的功能主要是： ( 1 ) 通过帧中继连接基站收发台( b t s ) ； ( 2 ) 记录g p r s 无线终端设备的当前位置信息； ( 3 ) 和g g s n 进行基于i p 的通信，转发和接收无线数据帧； g g s n 的功能主要是： ( 1 ) 转发无线数据帧，起到网关的作用； ( 2 ) 对g s m 中的g p r s 数据帧进行协议转换； 下图2 2 为g p r s 网络结构的接入与参考点简图： 图2 - 2g p r s 总体结构及接入接口和参考点 从上图可以看出： ( 1 ) g g s n 通过g i 参考点同其它网络连接； ( 2 ) g p r s 网络之间通过c , p 接口相连； ( 3 ) 移动终端通过u m 接口同g p r s 网络相连； 从上面可以看出，g p r s 网络是通过g i 参考点和g - p 接口实现同其他网络互 通的。这些网络既可以是g p r s 网络，也可以是t c p i p 或x 2 5 等等。 g p r s 网络是一种由g s m 系统所提供的数据分组业务，能在口域中被广泛应 用。其中的移动终端可以通过g s m 网络提供的寻址方案和运营商的具体网间互通 协议实现全球网间通信。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 36 p r s 的特点 ( 1 ) g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络 资源和无线资源的利用； ( 2 ) 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活：每个t d m a 帧可分配 1 到8 个无线接口时隙。时隙能为活动用户所共享，且向上链路和向下链路的分配 是独立的； ( 3 ) g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接； ( 4 ) g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量 数据的传输。它支持四种不同的q o s 级别。g p r s 能在0 5 到1 秒之内恢复数据的 重新传输。g p r s 的计费一般以数据传输量为依据； ( 5 ) g p r s 的安全功能同现有的g s m 安全功能一样。身份认证和加密功能由 s g s n 来执行。其中的密码设置程序的算法、密钥和标准与目前g s m 中的一样， 不过g p r s 使用的密码算法是专为分组数据传输所优化过的。g p r s 移动设备可通 过s i m 访问g p r s 业务，不管这个s i m 是否具备g p r s 功能； ( 6 ) 蜂窝选择可由一个g p r s 终端自动进行，或者基站系统指示终端选择某一 特定的蜂窝。终端在重选另一个蜂窝或蜂窝组( 即一个路由区) 时会通知网络； ( 7 ) 为了收发g p r s 数据，终端会激活它所想用的分组数据地址。这个操作使 终端可被相应的g g s n 所识别，从而能开始与外部数据网络的互通； ( 8 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计费功能， 计费方式更加合理，用户使用更加方便； 2 2 拨号协议p p p 无线设备通常都通过p p p 的方式连接上g p r s 网络实现上网。 p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c o l 点到点协议) 是为在同等单元之间传输数据包这样 的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据 包。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成 为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。 2 2 1p p p 的链路建立过程 p p p 的报文格式如下图所示： 6 第二章基础技术说明 图2 - 3p p p 报文的格式 其中开头部分的字节0 x 7 e 为报文的开始指示、0 x f f 为协议地址、0 x 0 3 为p p p 协议标志。 p p p 的协商过程分为三个阶段，分别是：l c e ( l i n kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协商阶段； 认证阶段( 该阶段常使用“口令验证协议p a p ( p a s s w o r da u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 或 “挑战握手验证协议c h a p ( c h a l l e n g e - h a n d s h a k ea u t h e n t i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 来完成) ； n c p ( n e t w o r kc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 网络控制协商阶段。 2 2 1 1l c p 阶段 l c p 负责创建、维护或终止一次物理连接。 其建立过程如图2 4 所示： 设备蜡 服务端 协商报文，进行报文大小认证方式l p a p ，c h a f ：、头部压缩的协商 回复服务蛸协商报支，拒绝l 砌卫：或者要求重新协商( n a k ：某些选瑚 回复设备端协商报文，拒绝i l 硼：或者要求重新协商i n a k ：某些选瑚 协商报文，重新和服务端进行协商 - 协商报文- 重新和设备端进行协商 回复服务端协商报文同意( a c k ：其所有协商选项。 回复设备端的协商报文同意i a c k ：其所有协商选项 r 6 m t ，”m “t 1 图2 4l c p 的协商过程， 在l c p 的协商阶段，客户端和服务器通常就下面这些选项进行协商： ( 4 ) m t u ：发送报文的最大长度： ( 5 ) m a g i c ：魔术字； ( 6 ) 转义字； ( 7 ) 认证方式( 如使用p a p 、c h a p 还是m s c h a p 来认证) ； ( 8 ) 是否进行p p p 地址压缩； ( 9 ) 是否进行p p p 协议压缩； 只有当所有的协商选项都为客户端和服务器认可时，l c p 的协商才能成功完 成；否则链路协商将会被终止。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2 1 2 认证阶段 该阶段使用一种安全验证方式避免第三方窃取数据或冒充远程客户接管与客 户端的连接。在认证完成之前，禁止从认证阶段前进到网络层协议阶段。如果认 证失败，认证者应该跃迁到链路终止阶段。 ( 1 ) p a p 认证 p a p 是一种最简单的明文验证方式。在这种认证方式中，客户端通常以明 文的方式将自己的用户名和密码发送到服务器端。服务器端根据接收到的信 息，来确定用户的合法性。显然，这种认证方式并不安全，第三方可以很容 易的获取被传送的用户名和口令，并利用这些信息与服务器端建立连接。 ( 2 ) c h a p 认证 设备峭 服务增 包含会话l d 和一个任意生成的挑战字串的c h a p 挑战报文 包含使用m d 5 加密的用户名、密码、会话i d 、用户口令的报文。 服务端的同意( a c k ) 报文或者( n a k ) 报文 ，完成c m 心的认证 图2 - 5c h a p 认证过程 c h a p 协议是一种加密的验证协议，目的是避免在连接建立时以明文的方 式传送客户端的用户名密码。c h a p 协议在p a p 协议的基础上进行了改进， 不再直接通过链路发送明文口令，而是使用挑战口令以哈希算法对口令进行 加密。c h a p 为每一次验证任意生成一个挑战字串来防止受到再现攻击( r e p l a y a t t a c k ) 。在p p p 的整个连接过程中，c h a p 可以不定时的向客户端重复发送 挑战口令来避免第3 方的攻击。 2 2 1 3 网络控制协商阶段 当上面的链路协商和认证都成功通过以后，p p p 系统将会使用i p 控制协议 ( i p c p ) 来为客户端分配动态地址。 8 第二章基础技术说明 设备端 协商报文，请求服务端分匿i p 地址主d n $ 服务器的地址次d n $ 服务器的地址 协商报文发送服务器舻i p 地址也可以没有i p 地址 1 一 凰墨! 缝墨：堡墨堂笪煎塞 一 o 完成i p c p 的协商 1 i 图2 6i p c p 的协商过程 在i p c p 的协商中，客户端和服务器通常就下面这些选项进行协商： ( 1 ) 是否对i p 报文进行压缩； ( 2 ) 客户端的动态i p 地址； ( 3 ) 客户端使用的主d n s 服务器地址； ( 4 ) 客户端使用的次d n s 服务器地址； 其中，为客户端分配动态i p 地址是最为关键的一个协商项，客户端只有成功 获得一个动态i p 地址之后，才能够合法的连接i n t e r a c t 。 这样，经过三个阶段以后，一条完整的p p p 链路就建立起来了。 2 2 2p p p 协议的优点 p p p 协议是目前广域网上应用最广泛的协议之一，它的优点在于： ( 1 ) 可以同时支持同步或异步串行的方式进行传输，适用面较广； ( 2 ) 具备用户验证能力，并且可以提供多种验证方式供用户选择，安全性高； ( 3 ) 支持多种网络层协议，这个特点同样增加了其适用性； ( 4 ) 支持错误校验，从链路层开始就加入校验机制，提高了网络的容错性； ( 5 ) 支持各种数据压缩方式，可以显著的提高网络的吞吐率； ( 6 ) 较好的解决了i p 地址的分配问题，提供i p 地址的复用； p p p 协议简单、完整，使它在各行各业中得到了广泛的应用，相信在未来的网 络技术发展中，它还可以发挥更大的作用。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 3 网络地址转换协议( n a t ) 2 3 1 简介 网络地址转换( n a t ，n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n ) 被广泛应用于各种类型 i n t e m e t 接入方式和各种类型的网络中。其基本原因是：4 字节的i p 地址已经远远 不能够满足当前的需要了。在对整个i p 网络进行大的改动和扩容之前，能够进行 i p 复用并且还能进一步隐藏真实i p 地址的网络地址转换技术就成为了人们的首 选。 借助于n a t ，私有( 保留) 地址的“内部 网络通过路由器发送数据包时，私 有地址被转换成合法的i p 地址，一个局域网只需使用少量i p 地址( 甚至是1 个) 即 可实现私有地址网络内所有计算机与i n t e m e t 的通信需求。 在我们的g p r si pm o d e m 设备中，我们同样实现了n a t 协议栈以便同设备相 连的内部网络可以和i n t e m e t 相连。 2 3 2 实现方式 2 。3 。2 1 报文转发 具有n a t 功能的设备首先需要获得一个或多个能够合法接入i n t e m e t 的i p 地 址。之后，当设备从内部网络接收到一个i p 报文，并且发现该报文希望被发送到 i n t e m e t 中时，设备将按以下方式进行处理： 如果是i c m p 报文： ( 1 ) 在n a t 表中增加一条表项； ( 2 ) 在该表项中记录该i c m p 报文的目的i p 地址、源i p 地址、i c m p 报文的 i d 号； ( 3 ) 修改该m 报文的源i p 地址为设备的动态i p 地址： ( 4 ) 从连接i n t e m e t 的接口发送该i c m p 报文； 如果是t c p u d p 报文t ( 1 ) 在n a t 表中增加一条表项； ( 2 ) 在该表项中记录该报文的目的i p 地址、源i p 地址、目的端口号、源端口 号； ( 3 ) 修改该i p 报文的源i p 地址为设备的动态i p 地址； ( 4 ) 从连接i n t e m e t 的接口发送该报文； 1 0 第二章基础技术说明 当设备从连接i n t e r a c t 的接口接收到一个i p 报文时，将按照报文的类型从中 取出目的i p 地址、源i p 地址、报文i d 号或者是目的端口号和源端口号，之后使 用这些信息和n a t 表中的表项进行对照。一旦发现该i p 报文应该发送给内部网络 中的某台设备，n a t 协议栈将修改该i p 报文的目的i p 地址，并将该报文转发给 对应的设备。 2 3 2 2 报文修改 从上面的描述已经可以看出n a t 协议栈具有修改i p 报文的能力。在实际的应 用中，n a t 协议还常常修改i p 报文中的其它一些选项，如： ( 1 ) 源端口。以免造成端口重置，造成错误； ( 2 ) 目的端口。进行网络测试或者欺骗； ( 3 ) t c p 的连接协商选项，如报文承载数据的最大长度，避免p 分片； 2 3 2 3 访问控制 n a t 协议也常常被运用于访问控制中。 在一个典型的应用中，内部网络的某一台设备或者p c 被配置为服务器，外部 网络的设备在正常情况下无法访问该服务器。 通过在内部网络所连接的网关服务器上配置n a t 协议栈，当外部网络中的一 台设备通过某个特殊的端口访问网关服务器时，该网关服务器将所有访问该端口 的i p 报文进行地址转换，使这些口报文能够被转发到内部网络的服务器上。使用 这样的方式，内部网络上的服务器也能为外部网络中的其它设备提供服务。 2 4 短消息 收发短消息是g p r s 无线通信模块所必备的功能。在我们的设备中也在不同 的地方和情况下使用短消息来备份关键数据或者通知用户设置当前的运行情况。 短消息有两种收发模式：文本格式和p d u 格式。其中文本格式的短消息只能 收发可见的a s c i i 码，而p d u 格式就没有这样的限制。这里，我们将重点的介绍 p d u 格式短消息的发送。 电子科技大学硕士学位论文 2 4 1 发送短消息的a t 命令 2 4 1 1 设置短消息格式 我们通常都使用一套标准的a t 命令集来控制g p r s 无线通信模块。短消息的 收发控制也不例外。 当我们需要使用文本格式的短消息时，可以向模块发送“a t + c m g f = i 命令 字符串；而使用p d u 格式的短消息时，将使用“a r + c m g f = o 命令字符串来设 置。 2 4 1 2 发送短消息 “a t + c m g s ”命令字符串被用来发送短消息。 当使用文本格式短消息时，“a t + c m g s = 命令后输入目的端的手机号，当设 备返回“ 字符后，输入短消息内容，之后输入“c t r l + z 发送短信； 当使用p d u 格式短消息时，“a t + c m g s = ”命令后输入p d u 格式数据的长度， 当设备返回“ ”字符后，输入p d u 格式的数据，之后输入“c t r l + z 发送短消 息。 2 4 2 短消息的p d u 格式 发送短消息时，其p d u 格式如下图所示： 图2 7 短消息的p d u 格式 各数据域的说明如下： ( 1 ) s c a 短消息服务中心地址。其格式如下图所示： l e n t y p e a d d r 图2 8s c a 格式 l e n ：s c a 数据域的长度； t y p e ：“8 1 ”表示国内短信；“9 1 表示国际短信； a d d r ：i s d n 编号方式的短消息中心号码； ( 2 ) p d ut 1 门e ：p u d 类型。其格式如下图所示： 图2 9p d u 类型格式 r p ：是否设置应答路径； 1 2 第二章基础技术说明 u d h i ：用户数据( u d ) 部分是否包含头信息： s r r ：是否需要状态报告； v p f 有效期格式( 是否提供有效期或以哪种格式提供有效期) ： r d t 短消息服务中心是否接收重复的短消息； m t i ：是否产生短消息的发送报告和提交报告； ( 3 ) m r ：信息参考。一直被设置为“0 ”。 ( 4 ) d a ：接收方的手机号码，其格式如下图所示： 图2 1 0 接收方号码 l e n ：s c a 数据域的长度； t y p e ：“8 1 ”表示国内短信；“9 1 表示国际短信； a d d r ：i s d n 编号方式的接收方号码； ( 5 ) p i d ：协议标识。一直被设置为0 。 ( 6 ) d c s ：数据编码方案。 o x 0 0 ：7b i t 数据编码默认字符集； 0 x f 6 8b i t 数据编码； 0 x 0 8 ：u s c 2 ( 1 6 b i t ) 5 叹字节字符集； ( 7 ) v p ：信息有效期。 ( 8 ) u d l 用户数据d ) 长度。 ( 9 ) u d ：用户数据。该数据域的长度最大为1 4 0 字节。 2 5 小结 本章介绍了设计一款g p r s 无线终端设备所需要了解和具备的基础知识，包 括g p r s 网络的基本构架和特点、p p p 拨号协议的功能和工作方式、网络地址转换 协议的概念和实现方式、短消息的发送方法和其p d u 格式的详细说明。 电子科技大学硕士学位论文 第三章g p r s ipm o d e m 设备介绍 g p r si pm o d e m 无线通信设备是电子科技大学计算机嵌入式软件工程中心与 成都中联信通科技公司合作开发的g p r s 传输设备。该设备以g p r s 网络为通信 平台，采用g p r s 、s m s 等承载方式，服务于行业用户的数据传输业务。特别适 用于间断性的、突发性的、频繁的和少量的数据传输，尤其适用于m 2 m 领域的应 用。 该设备利用g p r s 所具有的基于i p 、实时在线、按流量计费、方便、性价比 高的特点，实现了完整的p p p 协议及上层t c p d p 协议，是解决终端设备无线联网 的最佳选择。该系列产品在硬件上提供了工业标准的r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口，可以直 接与专业工控采集设备、专业的侦测器连接：整合了目前最先进的工业级g p r s 模块，利用最新的g p r s 移动通信技术与g s m 移动通信网络作为传输介质，有助 于实现行业管理现代化、数据采集自动化等目标，为行业用户机器到机器( m 删n e t om a c h j n e ，m 2 m ) 的无线数据传输业务提供服务。 g p r si pm o d e m 设备结合远程监控、资料传输等特点，提供稳定、可靠的工 业级产品。同时，也提供断线重连功能，定时侦测g p r s 线路通讯状况，自行调 整传输速率等功能。主要解决专业数据传输、工业设备控制等问题。 该设备具有运营成本低、准确性高、对环境适应性好、易于安装、易于维护 等特点，能够为用户提供高速、永久在线、可靠的数据传输服务和虚拟专用数据 通信网络服务，完全能够满足行业数据采集、传输和设备监控的需要。 3 1 设备适用领域 无线数据通信系列产品主要应用领域有： ( 1 ) 工业遥信、遥测、遥控 ( a ) 电信行业无人值守站机房监控和远程维护( 如移动基站、微波、光纤中继 站等) ( b ) 城市配电网自动化系统与抄表数据传输 ( c ) 高压供电设备监测 ( d ) 自来水、煤气管道、闸门、泵站与水厂监控 1 4 第三章g p r si pm o d e m 设备介绍 ( e ) 供热系统实时监控和维护 ( f ) 环境保护系统数据采集 q ) 三防与水文监测 ( 1 1 ) 气象数据采集 ( i ) 其他无人值守( 如仓库、办公楼等) 监控 ( 2 ) 金融、零售行业 ( a ) 车载移动银行 0 , ) p o s 机联网 ( c ) 自动售货机刷卡和商品信息报告 ( d ) 自动柜员机( a t m ) 联网 ( e ) 银行储蓄所机房监控 ( f ) 移动证券交易和信息查询 ( 3 ) 公安交通行业 ( a ) 公安移动性数据( 身份证、犯罪档案等) 查询 交警移动性数据( 车辆、司机档案等) 查询 ( c ) 城市路口交通信息指示牌信息发布 ( 4 ) 移动车辆监控调度系统 ( a ) 公安、1 1 0 、交警车辆监控调度 ( b ) 银行运钞车、邮政运输车监控调度 ( c ) 出租车刷卡与管理调度 ( d ) 公交车辆调度和指示 ( e ) 集团车辆监控调度 ( f ) 物流系统车辆调度 3 2 组网示意图 l _ 囵 图3 1 组网示意图 1 5 罢 一群 电子科技大学硕士学位论文 3 3 设备特色 ( 1 ) 运营成本低； ( 2 ) 使用方便、灵活、可靠； ( 3 ) 支持g s m 双频网络； ( 4 ) 产品功能丰富，对环境适应性好； ( 5 ) 易于安装、维护： ( 6 ) 内嵌3 2 位嵌入式c p u ，实现t c p i p 通讯协议栈； ( 7 ) 内嵌w a t c h d o g 芯片； ( 8 ) 提供实时时钟： (