（计算机应用技术专业论文）流媒体应用层组播技术研究.pdf

摘要 摘要 伴随着嵌入式技术与互联网技术的结合，信息技术将给人们的工作和生活提 供更多的便利。与传统的互联网接入设备相比，嵌入式设备固有的处理能力不足、 人机接口不够丰富等问题，导致不能很好地直接使用传统的互联网服务。而利用 嵌入式设备作为服务的提供者时，其处理能力的不足也容易造成服务瓶颈。因此， 嵌入式环境中的互联网应用必须根据设备的能力进行适应性的修改，才能使应用 更好地适用于嵌入式设备。 本文研究了嵌入式互联网应用的特性，从使用服务的角度分析设计了无线应 用协议w a p ，并从嵌入式设备作为服务提供者的角度探讨了嵌入式互联网中的流 媒体服务模型。 文章首先对使用无线接入技术的移动互联网进行了讨论，从无线技术和嵌入 式技术本身的固有缺陷两个角度阐述了移动互联网的特性，然后研究了专门针对 移动互联网应用设计的无线应用协议，并设计、实现了基于嵌入式l i n u x 系统的无 连接模式w a p 。 接着，本文对目前在互联网上迅速发展的流媒体技术及其服务模型进行了讨 论，并结合嵌入式环境的特点，分析了以远程监控为代表的嵌入式视频服务应用 容易碰到的服务端瓶颈问题，比较了针对此问题的各种解决方案，指出了应用层 组播服务模型的优越性以及将其应用于嵌入式视频服务中的可行性。 应用层组播主要有基于树的协议和基于g o s s i p 的协议两大类。论文对这两类 协议的典型模型进行了分析和比较，提出了基于g o s s i p 协议的v a l e p p 应用层组播 模型，并用模拟工具对模型进行了仿真测试，验证了它的正确性。目前已经成功 在局域网环境中实现了模型的原型，以后的工作将把它实际应用到嵌入式互联网 中去。 【关键词】嵌入式技术，嵌入式互联网应用，无线应用协议，流媒体技术，应用 层组播技术 a b s 仃a c i a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t a n dc o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m sa n di n t e m e t ， i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yw i l lp r o v i d ep e o p l ew i t hm o r ec o n v e n i e n c e c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a ls o l u t i o n s ，e m b e d d e dd e v i c e sd o n th a v ee n o u g hr e s o u r c e s ，s oi tc a nh a r d l y u s eo rp r o v i d et r a d i t i o n a li n t e r n e ts e r v i c e s t h e r e f o r ee m b e d d e d i n t e r n e ta p p l i c a t i o n m u s tb e w a r eo ft h e s ef a c t sa n dd os o m ea d a p t i v ec h a n g e st om a k ei tm o r es u i t a b l ef o r e m b e d d e dd e v i c e s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e do nt h i sf e a t u r eo fe m b e d d e d i n t e r n e t a p p l i c a d o n ， r e s e a r c h e dw i r e l e s sn e t w o r ka n dw a p ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) f r o mt h e v i e w p o i n t o fs e r v i c eu s e r , a n dr e s e a r c h e dm u l t i m e d i a s t r e a m i n g m o d e lo n e m b e d d e d i n t e r n e tf r o mt h ev i e w p o i n to fs e r v i c ep r o v i d e r _ a tf i r s t ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e df e a t u r e so fm o b i l e i n t e m e ta n dw a p , w h i c hi s d e s i g n e dt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fw i r e l e s sn e t w o r k s af r a m e w o r ko fc l i e n t w a pp r o t o c o ls t a c kw a sd e s i g n e da n dt h ec o n n e c t i o n l e s sm o d eo fw a pw a s i m p l e m e n t e d t h e n ，s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fs t r e a m i n gw e r ei n t r o d u c e d t h ec a p a b i l i t y b o t t l e n e c ko f s t r e a m i n g s e r v e ri nt r a d i t i o n a lc e n t r a l i z e ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ( c l i e n t s e r v e rm o d e l ) w a sa n a y l i z e d t h eb o t t l e n e c ki s m o r es e r i o u sf o re m b e d d e d s t r e a m i n gs e r v e r , s u c ha se m b e d d e dw e bc a m e r a ，b e c a u s eo fi t sl e s sc a p a b i l i t y f o r t h e s ep r o b l e m s ，s e v e r a lt e c h n o l o g i e sw e r ep r o v i d e d a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s ti st h e m o s ta t t r a c t i v eo n ea m o n gt h e mb e c a u s ei ti sc h e a pa n de a s yt od e p l o y t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t e dag o s s i p - b a s e da p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s tm o d e l ：v a l e p p ， a n dv e r i f i e di t sc o r r e c t n e s sb ys i m u l a t i o n t h ep r o t o t y p eo ft h em o d e lh a db e e n i m p l e m e n t e d o nl a na n dw i l lb ed e p l o y e do ne m b e d d e d - i n t e m e ti nf u t u r ew o r k k e yw o r d s ：e m b e d d e dt e c h n o l o g y , e m b e d d e di n t e m e ta p p l i c a t i o n ，w i r e l e s sa p p l i c a t i o n p r o t o c o l ，s t r e a m i n g ，a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t l l 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 苏硬 日期：弘年争月廖日 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：导师签名彦彳殇 日期：年 月序日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着计算机网络、电子技术的迅猛发展，计算机迈入了一个新的阶段一一后 p c 时代，嵌入式系统成为人们接触越来越多的一个概念。在日常生活中，嵌入式 设备无处不在，像手机、p d a 、机顶盒、车载g p s 系统、网络冰箱等都是嵌入式 系统。形式多样的嵌入式数字化产品已经丌始继p c 机之后成为信息处理的一大主 要工具，并逐步形成一个巨大的产业。 另一方面，i n t e r n e t 实现了有史以来最大范围内的信息共享，使人们能够在全 球范围内以较低成本方便、快捷的访问大量信息。使用e m a i l 收发电子邮件、上 网浏览信息等i n t e r n e t 使用方式已被广泛接受和使用，并逐渐渗透到日常工作、生 活和学习的方方面面。i n t e r n e t 技术的不断成熟及其用户数的迅速增长使得各种增 值信息业务的开展和使用成为可能。 随着嵌入式技术的越来越成熟，嵌入式设备的处理能力不断提高，将嵌入式 技术和互联网技术结合成为了可能。被赋予网络连接功能后，嵌入式设备的功能 可以更加灵活和强大，给人们的工作生活带来更多的便利，如信息家电及远程监 控等应用。 采用何种方式将嵌入式设备接入网络是嵌入式互联网首先必须考虑的问题。 相比有线接入，无线接入方式无疑可以提供更高的灵活性，也更能配合嵌入式设 备无处不在的特性。嵌入式设备利用无线技术接入互联网即移动互联网技术，是 嵌入式领域重要的发展趋势。通过移动终端，人们可以真正实现将i n t e m e t 随身携 带，随时随地使用其丰富的信息和服务。比如通过手机浏览网页，或者网上进行 股票查询交易或其他电子商务等操作。 但是，与传统的互联网主要应用p c 高带宽接入不同，移动互联网采用的嵌入 式接入设备存在计算能力上的缺陷，人机接口也不丰富，无线接入方式也存在通 信带宽不足及不稳定等问题，因而不能很好地支持传统互联网提供的服务。比如 传统的网页就没能考虑到嵌入式设备c p u 主频及计算能力都较小，存储器容量、 显示屏和输入设备大小也受到限制等问题，因而难以直接在移动互联网上应用。 因此，移动互联网应用必须针对嵌入式无线环境做专门的考虑才能提供更好的服 电子科技大学硕士学位论文 务效果。 在传统的互联网业务中，随着网络宽带化的趋势，人们已经不再满足于信息 高速公路中仅有文本，图像或声音这一类简单的信息，而越来越渴望更直观、丰 富的新一代信息表现形式，于是以多媒体为基础的流媒体技术应运而生并发展迅 速。虽然因为存在着带宽和处理能力不足的难题，流媒体技术目前还没能在嵌入 式网络上广泛应用，但是可以预见，随着嵌入式技术的成熟和发展，流媒体业务 最终会进入嵌入式网络应用成为人们生活的一部分。 通过提高网络带宽、增强处理能力可以很好地为嵌入式终端使用流媒体服务 提供支持。但是对于以远程监控为代表的嵌入式网络视频服务应用来说，这样的 支持只能说是保障了最基本的服务的可能性，因为嵌入式视频服务设备本身服务 能力较弱，带宽也不可能太高，相比传统互联网中的流媒体服务设备，它更容易 产生服务端瓶颈而影响服务质量。因此，解决服务端瓶颈问题是嵌入式网络视频 服务应用的重要工作之一。 本论文对嵌入式网络进行了探讨，对无线网络及无线应用协议进行了研究， 此外对流媒体及其发布模型进行讨论，并在此基础之上对流媒体应用层组播技术 在嵌入式网络视频服务中的应用进行了研究。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪9 0 年代中期以来，通信领域发展迅速，以手机为代表的移动通信终端 越来越普及。但是，以往手机的功能多仅限于语音通信，移动数据业务还没有得 到广泛的应用。移动数据中最常用的短消息业务( s m s ：s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 每次仅能发送很短的简单信息。可以想象，在需要传送的数据量很大的时候，其 传送速率将达到令人无法忍受的程度。在移动互联网应用中，这样的问题必须得 到解决。 与传统的互联网相比，移动互联网主要存在如下一些局限性： 1 ) 现有的互联网技术所面向的终端大都是p c 或其他具有更强计算能力的机 型，其传输媒介为带宽和可靠性均较高的数据网络；而基于嵌入式技术的移动终 端受其移动性和便携性的制约，与桌面机相比，c p u 主频及计算能力都较小，存 储器容量，显示屏和输入设备等人机接口大小也受到限制。 2 ) 移动互联网采用的无线数据网与有线网相比，带宽，连接可靠性及网络的 可预测性都相对较低，网络时延也比有线网大。 一 篇一章绪论 为了这样的种种局限性，让人们能够通过移动终端使用现有i n t e r n e t 所提供的 丰富的服务，w a p 1 】【2 】技术应运而生。它通过重写现有的i n t e r n e t 协议，而与现有协 议兼容，但更适合于无线应用这一特殊环境。 w a p 是w i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l ( 无线应用协议) 的简称，中文一般翻译 为无线应用协议，也可以称为无线互连网协议，它是开发移动网络上类似互连网 应用的一系列规范的组合。w a p 协议与现在通行的互连网协议非常相似，但它是 专为窄带宽、高时延、小屏幕、有限存储容量、低处理能力的无线环境量身定做 的，可以很好地解决普通数据业务在移动互联网上的应用问题。 除了普通数据业务之外，流媒体技术在传统的互联网中也发展迅速。但也正 是因为流媒体技术的广泛应用，流媒体面对的用户群体越来越庞大，传统的集中 服务方式开始出现带宽瓶颈问题。其主要原因是：在集中服务方式中，采用d s ( c l i e n t s e r v e r ) 架构由一台中心服务器为每一个请求服务的客户端服务，中心服 务器必须通过网络给每个用户发送多份相同的数据，然而流媒体应用中数据量庞 大，随着客户端数目的增加，s e r v e r 端自然容易出现网络拥塞。 为了缓解服务器端的服务压力，人们发明t c d n 3 1 技术，其英文全称是c o n t e n t d e l i v e r yn e t w o r k b 互联网内容发布网络，它是一个建立并覆盖在互联n j ( i n t e r n e t l 之上、由分布在不同区域的节点服务器群组成的虚拟网络，专门负责把服务器的 内容高效、稳定地发布到离客户端最近的地方，确保内容以一种极为高效的方式 为用户的请求提供服务。其基本思路就是尽可能避开互联网上有可能影响数据传 输速度和稳定性的瓶颈和环节，使用户可以就近取得所需的内容，减少响应延时， 同时也能解决i n l e r n e t 网络捌塞状况。尽管c d n 扪j 有如此多的优点，但c d n 高昂的 部署成本始终是一个问题。 l p 组播的出现为解决流媒体服务瓶颈问题提供了新的思路。从本质上来讲， c d n 技术仍然是利用单播技术在为客户提供服务，只是因为采用了负载均衡使带 宽的分配更合理，从而避免了单服务器压力过大，但是总体上却并没有减少相同 内容在网络上传输对带宽的占用和浪费。为了适应大规模数据在i n t e r n e t 上的分发， i p 协议补充了一种新的、高效的网络传输方案一- - i p 组播技术5 j 【6 】o i p 组播在网络层由路由器等设备实现。组播技术创始人s i e v ee d e e r i n g 定义组 播为：“将i p 数据包发送到共享相同i p 地址的一个主机组中，该主机组的成员数目 可以为零个或多个。组播数据包的传输可靠性和i p 单播相同。主机组的成员是动态 的，任何主机可以在任何时刻加入或退出某个主机组，主机组对其成员没有位置 和数量的限制，且一台主机可以同时是多个主机组的成员”。他可以将份数据同 电子科技大学硕士学位论文 时发送给一组特定的用户，避免了数据的冗余。作为节省带宽和提高效率的虽佳 方案，i p 组播是理想的。然而因为i p 组播增加了网络层的复杂性，而且需要现有网 络的底层设备做巨大改动，因此到目前为止，i p 组播没有得到很好的支持。 结合p 2 p 思想，人们提出将复杂的组播功能放在端系统实现的新思想。于是出 现了一种以底层网络为基础的基于叠加网的端系统组播协议 7 1 。 叠加网( o v e r l a yn e t w o r k s ) 是一个位于一个或多个己知网络上的独立的虚拟网 络。它的主要优点在于它的架构，它不需要改变底层网络的结构，可以快速部署 所需的网络功能。如果在叠加网的基础上实现组播，可以把组播实现提高到应用 层。端系统实现组播业务的思想是将组播作为一种叠加的业务，实现为应用层的 服务，因此，端系统组播又称为应用层组播( a p p l i c a t i o nl a y e rm u l t i c a s t ) 。 应用层组播的基本思想是保持互联网原有的简单、不可靠、单播的转发模型， 由端系统实现组播转发功能，这也是“e n d t o e n da r g u m e n t ”f 8 】所倡导的思想。在 应用层组播网络中，节点间关系对等，以p 2 p 的方式共享内容。因为不需要依靠网 络层路由器来实现组播功能，应用层组播不需要任何网络底层架构的改变，只需 改变端系统，便于实现和推广。而且因为是应用层的服务，这也便于针对特定应 用进行相应优化，应用层丰富的资源比如存储能力也能够为组播提供更为有力的 支持。 诸多优点使应用层组播成为了研究的热点，让它成为解决流媒体服务瓶颈问 题较为实际的方案之一。对于针对嵌入式网络的流媒体应用，比如远程监控，因 为服务端的服务能力和带宽较差，更容易出现服务瓶颈问题，而且不可能通过提 高服务能力来改善，因此应用层组播技术是流媒体在嵌入式网络应用中的最佳传 输方案之一。 1 3 课题来源及本文研究内容 论文的课题来源于“国家8 6 3 重大软件专题专项一面向信息与智能设备的嵌 入式软件平台”研究项目。 文章的研究主要针对以嵌入式无线环境为特征的移动互联网应用，包括无线 应用协议的研究与实现，和采用应用层组播解决流媒体服务瓶颈问题两个方面。 主要的研究工作包括： 1 ) 参考相关资料对无线应用协议进行了分析和研究，然后根据相关的实现方 案拟定了嵌入式无线应用协议栈的设计，并最终实现了面向无连接的无线应用协 4 第一章绪论 议。 2 ) 对流媒体及其传输技术进行了讨论，在此基础之上对适合嵌入式网络应用 的应用层组播传输方式进行了研究，分析了典型的应用层组播模型，并对他们的 优缺点进行了总结。 3 ) 提出t 基于g o s s i p 9 1 1 1 。】的应用层组播模型v a i e p p ，采用n s 2 对模型进行了模 拟验证，并用实验管理工具对实验进行了详细的过程分析。 4 ) 给出 v a l e p p 流媒体应用层组播方案设计，并进行了具体实现。 1 4 文章的组织 本文在第一章首先介绍了嵌入式互联网技术，以及结合无线技术的移动互联 网中应用的特点，和流媒体技术在嵌入式监控领域应用必须解决的服务瓶颈问题。 然后结合国内外研究现状引出了专门针对移动互联网应用的无线应用协议，给出 了采用应用层组播技术提供流媒体服务的方案。 后面的文章分为无线应用协议和流媒体应用层组播两个大的部分，重点介绍 了无线应用协议w a p n 流媒体应用层组播技术。他们是按如下的方式组织的： 第二章介绍了无线应用协议w a p 及面向无连接的w a p 设计。 第三章详细介绍流媒体技术及应用层组播的技术框架，包括媒体应用相关的 压缩技术、应用层的q o s 控制【1 1 】1 1 2 】、媒体同步技术和流媒体传输协议，以及应用 层组播技术等，并对几种典型的应用层组播模型进行了分析，主要包括p e e r c a s t 1 3 i ， z i g z a g “1 ，s p l i t s t r e a m 1 5 和1 d o n e t 【1 6 】。 第四章提出了一种基于g o s s i p 并结合了树状传输方法的应用层组播模型： v a l e p p ，并介绍了其实验模拟过程及实验结果分析。 第五章对v a l e p p 流媒体应用方案的实现进行了设计。包括软件的整体架构，功 能模块划分，及关键技术和算法的实现。 第六章总结全文，对下一步工作进行了展望。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 w a p 应用模型 第二章无线应用协议 w a p 是针对无线网络带宽窄、无线信道可靠性低的特点而设计的独立于底层 承载的应用协议，它使移动终端f 1 i n t e r n e t 相结合。w a p 的一般应用模型如图2 1 所 示。在大多数w a p 应用中，都采用这样一种结构。从图中可以看出其与普通的 i n t e r n e t 模型相似，只是在用户和i n t e m e t 之间多了w a p 网关( 代理) 这一实体。 c l i e n t w a p w e bs e r v e r g a t e w a y i ! 竺! l w m l ；叭 苎 e n c o d e r 吲 ； 厂同 ：w s p ，w t p ：h t t p ： 三 n 而 w m l s c r i p t 罢舞 s c r i p t 卜 c o m p i i ”l i ：3 占 厂百1【。p r o 。t o 。c o 。l l 2 ：竺：竺 宝 ； 图2 1w f j p 的一股应用模型 从图2 1 中可以看到，在用户与w a p 网关之间的是无线移动网络，对于目前各 国的实际情况，一般是指蜂窝移动通信网，而无需另建，上面运行的是w a p 协议。 而在w a p 网关与服务器之问的是有线网络，可以现在利用目前现存的i n t e r n e t 或者 是其他的数据传输网络，它们之间利用h 1 r r p 协议进行通信。这一模型说明了w a p 是建立在i n t e r n e t 基础之上的，充分考虑了现有的i n t e r n e t 协议，把用户的移动接入 性引入其中，是一种无线的i n t e r n e t 协议规范。 模型中各个实体的功能介绍如下。 2 1 1 用户 用户( c l i e n t ) 可以是任何移动终端，如个人数字助理p d a ( p e r s o n a ld i g i t a l 第二章无线应用协议 a s s i s t a n t ) 、移动电话、具有无线通信能力的掌上p c 等。用户中一个最重要的部分 就是w a e 用户代理，w a e 代理是用户端设备中为用户提供了特定功能的软件( 如 浏览器) ，它包括w m l 用户代理和w t a 用户代理等。其中w m l 用户代理的作用是： j i j - w m l 编码，对w m l s c r i p t 的编译。w t a 用户代理扩展在移动通信环境下的、w 出 规范，允许用户与移动电话的特性( 如呼叫控制) 进行访问与交互作用。 2 1 2w e b 服务器 w 曲服务器( w e bs e r v e r ) 中的应用或服务响应用户的各种请求，并根据移动 终端的用户代理产生相应的内容格式。w a p 中的w a e ( w i r e l e s sa p p l i c a t i o n e n v i r o n m e n t ) 未指定标准的内容产生器，但是希望它们是能在现在自g w w w 中标准 h 1 t r p 原始服务器上运行的。因此在现有w e b 服务器上的一些规范都可以方便的引 入，如用a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ) 和c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 与用户 进行动态交互，为用户提供交互功能的应用。 2 1 3w a p 网关 w a p 网关( w a pg a t e w a y ) 起到了非常重要的作用，它不但将i n t e 加e t 和无线 移动通信网这两个不同的网络连接了起来，而且还担负着w a p 与i n l e r n e t 协议的转 换，包括w m l 、w m l s c r i p t 的编解码工作。 一旦网关收到原始服务器提供的给用户的原文格式的卡片组，就会在原文和 二进制格式之间做出必要的转换。在网关中的w m l 编码器将w m l 卡片组转换成二 进制格式，传给终端用户，在网关与用户之间可以进行必要的性能协商以便在网 关上做出一些优化，从而更好的适应用户代理的环境，为用户提供个性化的服务。 若用户代理请求的是w m l s c r i p t 内容，网关中的w m l s c r i p t 编译器将原始服务器的 脚本编译成字节码的格式并发送给用户代理解释和执行。对用户和服务器而言这 样的协议转换操作是完全透明的。 在实际的w a p 实现过程中，网关不一定要独立存在，它的功能可以被结合到 原始服务器中，就是将编解码和协议转换的工作全部由原始服务器完成。这样的 系统总成本较低，但容量相应的也比较小，适合于小规模的用户群。 2 2w a p 协议规范 w a p 协议栈的结构如图2 2 所示，他包括以下几层 电子科技大学硕士学位论文 1 1w a e 1 7 1 1 捌：a p p l i c a t i o nl a y e r ，应用层。 2 、w s p 1 9 】：s e s s i o nl a y e r ，会话层。 3 、w t p 2 0 】【2 1 】：t r a n s a c t i o nl a y e r ，处理层。 4 1w t l s 冽：s e c u r i t yl a y e r ，传输安全协议层。 5 1w d p | 冽【2 4 】：t r a n s p o r tl a y e r ，传输层。 6 1b e a r e r ：承载层，可以是现有的或将来的各种无线网络环境，如：g s m 、 c d m a 、c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) ，以及各类承载服务，如： s m s 、u s s d ( u n s t r u c t u r e ds u p p l e m e n t a r ys e r v i c ed a t a ) 等。 图2 - 2w a p 协议栈结构及它与 n t e r n e t 协议栈的对应关系 下面通过与i n t e r n e t 协议栈进行比较，介绍w a p 与i n t e m e t f l 对应关系。 在w a p 中，应用层协议中的两种开发工具：w m “2 5 i f 1 w m l s c r i p t l 2 6 1 1 2 7 】就类似 于i n t e r n e t 中的h t m l ：f i j a v a s c r i p t 。二者都是为终端用户开发具体应用而设计的， 所不同的是w m 骈d w m l s c r i p t 更加精练，更为简单，使得开发出来的应用体积更 小，以方便在无线环境中传输。w a p 的w s p i w t p 两层对应于i n t e r n e t 中的h t t p 。 对于w s p ，可以简单的理解为“二进制”的h t t p ，而w t p 贝j j 是w s p 为上层用户提 供连接服务时所必需的。w a p 中的w t l s 提供了安全机制，如加密腩 密、鉴权等， 所涉及的也是这类操作的具体算法，它与i n t e m e t 中的t l s s s l ( t r a n s p o r tl a y e r s e c u r i t y s e c u r i t ys o c k e tl a y e r ) 是对应的。至于w 廿中的w d p u d p 和底层的承载 层则与下t c p i p 或u d e i p 相对应。 由上可知，w a p 协议栈实际上就是以i n t e r n e t 协议栈为基础而提出的，在借鉴 第二章无线应用协议 i n t e r a c t 协议栈的同时，w a p 针对无线环境以及移动终端的特点做出了相应的优化， 从而更适合于移动互联网应用。 对于w a p 协议栈中各个部分的简要说明如下。 2 2 1w a e w a e ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ) 是应用层的协议，融合了w w w 的技 术，并且专门针对无线通信的特性。w a e 使得网络系统和内容提供者能够提供多 样的应用服务，而用户通过在移动终端中的各种用户代理( 如w m l 用户代理， w m l s c r i p t 用户代理等) 来访问这些内容。可以将若干服务结合入一个用户代理中， 也可以将服务分散到若干用户代理中。总之，w a e 的实现由设计决策，及特定的 限制和目标环境状况来决定。一般来晓，终端中的微浏览器已经结合了这些代理 的功能，如图2 3 所示： d e 订c eo s s e r v i c e s 图2 - 3 w a e 的逻辑结构 w a e 结构主要考虑的是用户方面的w a p 系统结构，与用户代理相关。w a e 结 构首先根据网络计划，内容格式，编程语言和共享服务来定义的。接口没有标准 化，而是与特定的实现有关。这一方法可在浏览器模型下很好的工作。w a e 包含 部分详细介绍如下。 2 2 1 1w m l w m l ( w i r e l e s sm a r k u pl a n g u a g e ) ：种类似h t m l 的标记语言。它继承了 电子科技大学硕士学位论文 w w w 的h t m l $ 【 h d m l ( h a n d l e dd e v i c em a r k u pl a n g u a g e ) 的特点，是x m l 的一 种，并针对移动通信和终端的特点进行了优化。w m l 是h d m l 2 0 的一个子集。 w m l 实现了卡片和卡片组机制，它允许应用指定为由多个卡片组成的文档， 与用户的交换在一套卡片中被描述，这一套卡片被分类为一个片片组。一般用户 的导航通过一套卡片来实现。可在卡片上浏览内容，输入请求信息，做出选择， 内嵌于卡片中的指令可以引起原始服务器产生交互作用。卡片组在原始服务器中 可以是静态的文本，或者可以是运行的内容产生器动态产生的内容。 w m l 允许在各种设备上的表示，因而各生产商均可结合入自己的m m i ( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ) 。如对于用户输入请求方式，可以使用传统的w w w 方式，也可 以用基于语音的界面来实现。 2 2 1 2w m l s c r i p t 它是一种类似j a v as c r i p t 的脚本语言，它与w m l 结合，为w m l 提供逻辑判断 和计算功能。w m l s c r i p t 是一种轻量级的过程脚本语言。支持更先进的u 1 行为。为 用户加入了智能，为访问设备和外设提供了更便利的机制，并减少了与原始服务 器之间的通信。 w m l s c r i p t 的作用是：对用户的输入合法性进行检查，对设备及外设的访问， 与用户交互而无需引入与原始服务器之间的环路。 w m l s c r i p t 是弱类型语句，变量不被正式的类型定义。因此变量类型在生存期 中根据所包含的数据经常变换。基本的数据类型有：b o o l e a n ，i n t e g e r ，f l o a t i n g - p o i n t ， s t r i n g 矛1 3 i n v a l i d 。w m l s c r i p t 在需要时进行自动的类型转换，并且根据目标设备的能 力，支持不同的浮点数类型。w m l s c r i p t 支持不同领域的操作运算，如赋值、数学、 逻辑、比较运算。还支持函数，包括局部脚本函数( l o c a ls c r i p tf u n c t i o n s ) ：脚本函 数的定义在包含调用函数的语句块中；外部脚本函数( e x t e r n a ls c r i p tf u n c t i o n s ) ：脚 本函数定义不包含在脚本函数调用的另一个语言块中：标准库函数( s t a n d a r dl i b r a r y f u n c t i o n s ) ：函数在库中定义，w m l s c r i p t 包括了一些标准库，如语言库、字符串 库、浏览器库、浮点数库和对话库。 2 2 1 3w t a w t a ( w i r e l e s s t e l e p h o n y a p p l i c a t i o n ) 是基于w m l 用户代理的，但进行了功 能的扩展，从而形成了w 1 1 a 代理。引x w t a 的作用就是在应用中可以将语音功能 结合进来。该功能是通过w t a i ( w t ai n t e r f a c e ) 在w m l 或w m l s c r i p t 中调用，具 有呼叫管理、处理文本、地址薄管理等功能。w t a i 被分为三类： 1 0 第二章无线应用协议 1 ) 普通网络功能( n e t w o r kc o m m o n f u n c t i o n s ) ：在所有类型的网络中都适用。 2 ) 特殊网络功能( n e t w o r ks p e c i f i cf u n c t i o n s ) ：用于特定的网络上。 3 ) 公共功能( p u b l i cf u n c t i o n s ) ：可以从w m l 用户代理中调用，目前库中仅 包含呼叫建立功能。 许多w t a 服务要实时控制，这表明不能从服务器中找回内容，这样做将引入 延迟。而库的存在恰好可以解决这一问题，它把w 1 - a 服务存贮起来，以便随时调 用而无需访问网络。这样做的另一个好处在于节省了传输带宽。 2 2 14 内容格式 内容格式( c o n t e n tf o r m a t ) 便于相互的数据交换，交换的方法依赖于数据和 目标w a e 用户代理。最主要的有两种格式：编码w m l 干i w m l s c r i p t 的字节码格式。 采用该格式的目的是使得传输的数据量更少，使用户端的运算量更少。还包括其 他的一些格式： 1 ) 图像：支持多种格式的图像，根据以下的一些因素进行选择，如所支持色 素的深度、调色板、编码、弱c p u 和r a m 译码以及显示的需要和普通丌 发工具的支持。 2 ) 多方消息：w a e 提升了多方编码策略，在w s p 上的多种类型内容交换的 基础上进行了优化。 3 ) 特定用户代理格式：w a e 采用v c a r d 2 1 和v c a l e n d a f l 0 两种附加的格式用 以在客户与服务器之间和点对点之问进行数据交换。 2 2 2w s p w s p ( w i r e l e s ss e s s i o np r o t o c 0 1 ) 是w a p 的会晤层协议，w s p 通过相同接口为 w a p 中更高层次的应用即w a e 提供了两种会话服务： 1 ) 基于w t p 的面向连接的服务：通信双方在会话过程中发出的每一条消息， 都要求对方给予确认，根据消息类别不同，确认的机制有所不同。这项服 务可以保证数据传输的可靠性。 2 ) 基于w d p 的无连接的服务：在这种服务机制下，通信双方收到消息都不 向对方发出确认，因此不能保证数据传输的可靠性。它适用于对数据传输 的可靠性要求不高的业务。 w s p 实现了h t r p 1 1 中定义的全部功能，保证了和h t t p 协议良好的兼容性。 此外，w s p 还加入了一些新特性，如：长会话( l o n g l i v e ds e s s i o n ) 、数据推送( p u s h ) 电子科技大学硕士学位论文 的通用接口、能力协商、会话的挂起恢复。这些新特性的加入使得w s p 可以适用 于低带宽、长反应时间的无线承载网络环境。 22 2 1w s p 的功能 1 提供h t t p i i 的功能和语义 w s p 的核心设计思想是以二进制的形式实现h t r p ，而w a p 网关与内容服务器 之间的通信遵从的就是h 1 陌p 协议。利用w s p 发送给内容服务器的请求信息中要包 含h r l l p 头信息。h t f p 头信息中包括用户能够接受的文字类型、编码字符集、语 言等多种参数。w s p 本身不处理请求和响应中的头信息。作为会话创建过程的一 部分，请求d j j j 应头在服务器和客户端交换信息时是保持不变的。 2 能力协商 为了在现有网络及设备条件下向用户提供性能最优的服务，网关在向客户提 供服务之前要与客户机进行能力协商，在能力协商的过程中，通信双方交流各自 设备的处理能力。 “能力”( c a p a b i l i t y ) 包含以下几项指标：地址别名、客户端可接受的最大数 据单元长度、服务器端可接受的最大数据单元长度、扩展的信息请求方法、扩展 的头信息码页、能够处理的最多方法请求等选项。可选的协议功能选项包括：设 备是否有能力处理有确认的“p u s h ”请求，是否有能力处理无确认的“p u s h ”请求， 是否有能力处理恢复会话请求等。 通过能力协商建立的会话的性能可以达到通信双方都接受的水平，也就是浇 既可以在对等层之间建立性能良好、实现了协议中定义的全部功能的会话应用， 也可以建立简单的、只实现了协议中定义的最基本的会话应用。业务提供者可以 根据用户的实际需求提供令用户满意的会话性能。 3 可靠及不可靠p u s h 的公共机制 w s p 提供拉( p u l l ) 和推( p u s h ) 两种方式的数据传输。p u l l 通过h ，兀1 p 1 1 的 请求1 l r , 应机制实现。p u s h 是指客户端未发出任何请求的情况下，网关可主动向客 户端发送数据，它分为需要确认的和不需要确认的两大类。w s p 提供三种p u s h 机 制用于数据传输： 1 1 会话上下文中的确认型p u s h 。 2 1 会话上下文中的不确认型p u s h 。 3 1 无会话上下文的不确认型p u s h 。 4 会话状态长期保存并可挂起和恢复 第二章无线应用协议 用户第一次提出会话建立请求后，网关为其建立一个会话。在用户主动要求 断开连接之前，会话记录会一直保存在网关中，由网关根据会话进展随时更新其 状态。 当通信的物理网络由于某种原因( 如资源不足) 暂时不能满足通信要求时， 客户端可以发出挂起请求，网关负责记录会话的当前状态，并将状态设置为“挂 起状态”，这样客户端在“恢复”之前不能再与网关进行通信。 这样的机制保证了w s p 会话的生存周期不会受下层传输网络的影响。而且会 话在空闲时可以被挂起以释放网络资源或者降低电源消耗。个轻型的会话重建 协议并不需要经历整个会话建立过程就可以让会话恢复，并且可以在不同的承载 网上恢复。 5 异步请求应答 异步请求是w s p 功能集的一个可选项，支持一个客户端同时向服务器发出多 个请求。客户端不必等到接收到上一个请求的应答后才发送下一个请求。由于多 个请求的回答可以被合在一起传送，这样就提高了消息传输的效率。同样，因为 请求的结果会被立即送往客户端，请求延时也得到了改善。 2 2 2 2 事务处理 从客户端向网关提出连接请求，网关w s p 层与其建立连接关系开始，至通信 双方的一方断开连接为止，这样的一个过程称为一个会话( s e s s i o n ) 。在一个会话 过程中客户端和网关可能会进行多次请求一应答的对话，一个请求一应答称为一 个事务( t r a n s a c t i o n ) 。有的请求不需要应答，对于这样的请求，一个请求就是一个 事务。事务按连接可靠与否分为3 类： 1 10 类事务处理：只有单向请求，不需要确认和应答。 2 ) 1 类事务处理：一方请求，由另一方确认。 3 ) 2 类事务处理：一方请求，另一方应答，再由发送方确认收到应答。 按发起的目的不同，w s p f l , 事务可分为以下几大类： 1 ) 连接请求与连接响应：在每次会话中，总是最早发起的事务。主要负责进 行能力协商和交换头信息。为2 类事务处理。 2 ) 方法请求与结果响应：客户端发出的请求由网关解析并从内容服务器获取 结果，并将结果编码后返回给客户端。为2 类事务处理。 3 ) 恢复请求与应答：客户