（计算机软件与理论专业论文）bss系统控制流通信协议的研究与实现.pdf

b s s 系统控制流通信协议的研究与实现 摘要 移动通信网络的全i p 化是移动通讯技术发展的必然趋势，3 g p p 2 组织已 经提出了基于全i p 技术的c d m a 2 0 0 0 扩频移动通信网。在i p 技术和移动通讯 网络融合的过程中需要对传统t c p i p 协议栈中的某些协议进行改进，以保证 系统的电信级要求。中兴通讯z x c l 0 - b s s 是c d m a 2 0 0 0 标准的一种具体实现， z x c l 0 b s s 软件系统是一个应用于移动通信领域的大型分布式系统，它由多个 模块所组成，模块之间通过特定的协议来进行通信，各个模块之间相互协作， 紧密配合构成一个整体。 本文重点研究了传统t c p i p 协议栈在移动通信网络中传输层协议的选择 问题，这也是c d m a 2 0 0 0 系统在全i p 化过程中所要解决的一个重要问题，针 对网元内部通信的特点和网元内部一般采用局域以太网的情况，对传输层协议 t c p 和u d p 的特点进行了详细的对比分析和研究，最后选择了u d p 协议作为 控制流通信的底层承载协议，但是仅仅依靠u d p 协议并不能保证控制流通信 的可靠性传输，因此，本文提出了r u d p ( r e l i a b l eu d p ) 协议来实现控制流 的可靠性传输。r u d p 就是在原t c p i p 协议的传输层和应用层之间加入了一层 为保证可靠数据传送而形成的一个五层体系结构，利用u d p 协议实现一种基 于消息的面向连接的可靠数据传递机制，它兼顾有t c p 的可靠性与u d p 的高 效性。整个模块的运行依靠两个任务实现，一个是u d p 驱动任务，一个是协 议处理任务，两个任务共同完成每个连接的状态机的维护和消息的收发。 根据系统控制流传输特点，设计并实现了控制流通信测试工具，对r u d p 协议模块在z x c l 0 b s s 系统中的运行进行了多次测试，有力的推动了r u d p 模块的不断优化。最近的测试数据表明，r u d p 协议技术能够保证系统内部信 令数据的传输性能要求，完全可以满足移动通信网络对可靠性和高效性的要 求。目前，中兴通讯z x c l 0 设备已经成功应用于海外各商用系统之中。 关键词：控制流面向连接 r u d pu d p i v r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mc o n t r o l - f l o w c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li nb s s a b s t r a c t t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb a s e do ni pt e c h n o l o g yi st h ec e r t a i nt r e n df o rt h e d e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 3 g p p 2o r g a n i z a t i o nh a sp r o p o s e d c d m a 2 0 0 0 s p r e a d s p e c t r u m m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hb a s e so ni p t e c h n o l o g y i nt h ep r o c e s so fc o m b i n i n gi pt e c h n o l o g yw i t l lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，af e wi m p r o v e m e n t sn e e dt ob em a d eo ns o m ep r o t o c o l so ft r a d i t i o n a lt c p f i p p r o t o c o l ss t a c k t h ei m p r o v e m e n t sa r ei nt h ep u r p o s eo fs t r i c tt e l e c o m md e m a n d so ft h e m o b i l e s y s t e m z t ez x c l 0 一b s si s a ni m p l e m e n t a t i o no fc d m a2 0 0 0s t a n d a r d z x c i o - b s ss o f l w a r es y s t e mi sal a r g e - s c m ed i s t r i b u t e ds y s t e ma p p l i e di n t ot h em o b i l e c o m m u n i c a t i o na r e a i ti sc o m p o s e do fm a n ym o d u l e sw h i c hc o m m u n i c a t e 、i t he a c ho t h e r t h r o u g hs p e c i f i cp r o t o c o l sa n dt h es y s t e mf u n c t i o n sa saw h o l et h r o u g ht h em u t u a l c o o r d i n a t i o na m o n gm o d u l e s t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h ec h o i c eo ft h et r a n s m i s s i o nl a y e ri n t r a d i t i o n a lt c p i pp r o t o c o l ss t a c ki nm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c h o o s i n gt h er i g h t p r o t o c o li sa l s oa ni m p o r t a n tp r o b l e mi nt h ei m p l e m e n t a t i o no fi pt e c h n o l o g yi nc d m a 2 0 0 0s y s t e m n o w a d a y sn e t m e t aa l w a y su s e se t h e m e ta sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fn e t - m e t a si n t e r n a lc o m m u n i c a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a s m a d ed e t a i l e dc o m p a r i s o no fa n dd o n er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft c pa n du d e u d pi se m p l o y e da st h es u p p o r t i n gp r o t o c o la tt h eb o t t o mo fc o n t r o l - f l o wc o m m u n i c a t i o n b u tu d pi t s e l fc a l l te n s u r et h er e l i a b l et r a n s m i s s i o no fc o n t r o l f l o wc o m m u n i c a t i o n r u d p ( r e l i a b l eu d p ) i sp r o p o s e dt or e a l i z et h er e l i a b l et r a n s m i s s i o n r u d pa d d sal a y e r b e t w e e nt r a n s f e rl a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e rt oe n s u r et h er e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o n a f i v e l a y e rn e t w o r ka r c h i t e c t u r ei se s t a b l i s h e dw i t hu d p a st h es u p p o r t i n gp r o t o c o la tt h e b o t t o m r u d pm a k e su s eo fu d pt oi m p l e m e n tak i n do fl i n k o r i e n t e da n dr e l i a b l e d a t a t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mb a s e do nm e s s a g e s r u d pi n t e g r a t e st h er e l i a b i l i t yo ft c p v a n dt h eh i g he f f i c i e n c yo fu d rt h eo p e r a t i o no fr u d pm o d u l er e l i e so nt w ot a s k s o n ei s u d p d r i v e nt a s k ，t h eo t h e ri sp r o t o c o lp r o c e s s i n gt a s k t h e s et w ot a s k sc a l lc o o p e r a t ew i t h e a c ho t h e rt om a i n t a i nt h es t a t em a c h i n e so fe v e r yl i n ka sw e l la si m p l e m e n tr e c e i v i n ga n d s e n d i n gm e s s a g e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs y s t e mc o n t r o l f l o wt r a n s m i s s i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o n h a sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dat e s t i n gt o o lo fc o n t r o l f l o wt r a n s m i s s i o n t h i st o o lh a s d o n em a n yt e s t so nr u d pm o d u l ei nz x c i o - b s ss y s t e m t h et e s t sh a v ep r o m o t e dt h e c o n s t a n to p t i m i z a t i o no fr u d pm o d u l e t h el a t e s tt e s t i n gd a t as h o w sr u d pt e c b m o l o g y c a ne n s l l r et h ep e r f o r m a n c er e q u e s t so ft h es i g n a ld a t at r a n s m i s s i o ni nt h es y s t e m m e a n w h i l e ，t h er e l i a b i l i t ya n dh i g he f f i c i e n c yo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nc a na l s o b e s a t i s f i e d a tp r e s e n t ，z t ez x c ioh a ss u c c e s s f u l l yb e e na p p l i e di n t ot h eo v e r s e a sb u s i n e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s k e yw o r d s ： c o n t r o l f l o wl i n k - o r i e n t e dr u d p u d p 插图清单 c d m a 的发送接收过程简图 c d m a 基站系统图 配置双模式目标代理 u d p 数据报封装格式 t c p 数据报封装格式 建立连接流程 释放连接流程 b s s 数据处理流程 r u d p 层次体系结构 r u d p 协议滑窗模型 发送方窗口结构 接收方窗口结构 发送方处理流程 发送结束处理流程 接收方处理流程 接收结束处理流程 窗口扩大通知的发送流程 逻辑地址解析的流程 逻辑地址解析流程结束处理一 逻辑地址反向解析流程 r u d p 方案中主备倒换流程 主备倒换中业务单板主备状态的变迁流程 主备倒换中m p 主用板上的流程 主备倒换的连接中消息的转移流程 r u d p 模块总体处理流程 协议处理任务和套接字守护任务的分工 配置源单板地址 配置目标单板地址 开始测试界面 源单板打印窗口 目标单板打印窗口 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 h h h h h h：仰州一一一一一一m一一一 酊酊酏郾郾郾郾郾酊酗酣刚卧卧卧卧图图图图图图图图图图图图图图图 表3 一 表4 一 表4 一 表4 一 表5 一 表格清单 u d p t c p 传输效率对比表 发送方状态迁入处理表一 接收方状态迁入处理表 主备倒换过程中主备用连接的消息队列上消息的转移模型 s d u c m p 乒乓包测试数据 2 2 3 0 3 2 4 4 5 4 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 盒胆王些盍堂 或其他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。 学位论文作者签名：是岱 签字目期：二以年垆月2 j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金日墨王些盔堂有关保留、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。本人授权盒艘王娑盔堂可 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适用本授权书) 学位论文作者签名：起任 签字日期；舶占年年月2 3 日 学位论文作者毕业后去向： 作单位： 通讯地址： i l l 、 导师签名：y1 0 签字日期痧6 年0 月哆日 签字日期痧6 年呼月巧日 电话 邮编 致谢 我的研究生学习和生活马上就要进入尾声，在各位老师的指导和同学们的 帮助下，我在各个方面都取得了很大进步。 忠心感谢我的导师叶震老师，在整个研究生学习阶段都得到了叶老师细心 的指导和热情的关怀。从叶老师身上，不但学到了丰富的专业知识，同时也学 到了很多做人的道理，同时非常感谢叶老师给我提供了在中兴通讯公司的锻炼 机会。在论文的写作过程中，他一直对我悉心指导、严格要求，并在百忙之中 为我审阅论文。在此谨向叶老师表示衷心的感谢和真诚的敬意! 感谢中兴通讯公司c d m a 事业部的刘旭同志，在实习的过程中，对我在论 文的选题和写作上都给予了很大的帮助。感谢中兴通讯c d m a 事业部o s s 项 目组张毅等同事，在和他们一起工作中我学到了很多知识，增长了见识。 感谢余周华、闵信余、沈兆鑫、张以文、刘可、王征、李超、范宏生等同 学，感谢他们在学习和生活中给予我的支持和帮助，是他们和我一起度过了生 命中一段珍贵的时光，让我的研究生生活过的更加丰富、多采! 衷心感谢我的家人，他们对我多年来的关心与支持才使我得以顺利地完成 了学业。 在此，一并向所有帮助我的人表示忠心的感谢i 作者：赵飞 = 零零陆年肆月于合工大 第一章绪论 目前由于通信发展日新月异，移动通信与数字通信正在快速融合，随着无 线业务领域的不断扩展和i n t e r n e t 业务的飞速发展，对于无线通信系统的容量、 可支持的数据速率、可支持的业务种类等方面的要求明显提高。第三代移动通 信系统( i m t 2 0 0 0 ) 早已经成为业内关注的焦点。第三代移动通信系统的主要 特点是支持宽带业务特别是多媒体数据业务、频谱利用效率高，其设计目标是 提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量、在全球范围内实现无缝 漫游、为用户提供多种业务。基于i s 2 0 0 0 的c d m a 2 0 0 0 是第三代移动通讯技 术标准之一，其第一阶段称为c d m a 2 0 0 0 1 x ，目前有i x 。e v 、l x e v d o 两种 业务【7 1 。 i n t e r n e t 的高速发展使i p 网络的普及率越来越高、带宽越来越大、成本显 著降低。为利用现成低廉的i p 通信网，基于i p 通信平台的3 g 移动通信网开始 纳入3 g p p 2 组织的讨论范畴，3 g p p 2 已经提出基于全i p 的c d m a 2 0 0 0 扩频移 动通信网。 随着社会的发展，人们期望能随时随地，不受时空限制地进行信息交流与 通信，而只有移动通信才能满足这种需求。在近1 0 年中，移动通信技术已成为 当今发展最迅速、应用最广泛、最引人瞩目的通信技术。 2 0 世纪8 0 年代，第一代无线模拟通信系统的产生是无线通信行业的一个 里程碑，而第二代( 2 g ) 数字系统的到来，则更进一步提高了通信容量、音质， 并且提供了一些低速度的数字服务。目前在2 g 系统中，主要有基于t d m a 技 术的g s m 通信系统以及基于c d m a 技术的i s - 9 5 通信系统。 前两代移动通信系统主要以语音业务为主。而第三代( 3 g ) 移动通信系统 的典型特征则是在业务上提供高速数据和多媒体通信。随着全球移动通信技术 的迅速发展，2 g 通信网络已经不能满足用户需要，3 g 是发展的必然趋势。第 三代移动通信的核心是c d m a 技术。 目前被国际电联( i t u ) 承认的第三代移动通信( 3 g ) 标准有三个，分别 是欧洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。w c d m a 的标准由3 g p p 组织所主导，其成员主要来自欧洲国家。目前w c d m a 有 r e l e a s e 9 9 、r e l e a s e 4 和r e l e a s e 5 三个版本。r 9 9 最为成熟稳定。 c d m a 2 0 0 0 的标准由3 g p p 2 组织所主导，其成员主要来自北荚。 c d m a 2 0 0 0 系统的标准演进又分为如下几个阶段：c d m a 2 0 0 0 l x ( 单载波) 、 c d m a 2 0 0 0 1 x e v - d o ( 单载波增强型高速数据) 、c d m a 2 0 0 0 1 x e v - d v ( 单载 波增强型高速数据和语音) 和c d m a 2 0 0 0 3 x ( 三载波) 。其中c d m a 2 0 0 0 1 x 系统技术已成熟，北美、韩国运营商已通过该系统提供商业服务，中国的联通 也已经做了商用。c d m a 2 0 0 0 能实现对c d m a ( i s 9 5 ) 系统的完全兼容，技 术延续性好，可靠性较高。同时也使c d m a 2 0 0 0 成为从第二代向第三代移动通 信过渡最平滑的选择。目前中国在c d m a 2 0 0 0 方面的研究与国外基本同步。继 推出全套i s 9 5 商用系统后，中兴通讯公司( z t e ) 于2 0 0 0 年底成功打通 c d m a 2 0 0 0 。l x 的语音电话，并于2 0 0 1 年3 月成功实现了1 5 3 k 双向高速分组 数据业务，通过双向视频流、w e b 浏览、f t p 等多种应用验证了其性能。 t d s c d m a 作为中国提出的第三代移动通信标准，自1 9 9 8 年正式向1 t u 提交以来，已经完成了标准的专家组评估、i t u 认可并发布、与3 g p p 体系的 融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作。现在随着设备开发、现 场试验的大规模开展，t d s c d m a 标准也必将得到进一步的验证和加强。 z x c l 0 b s s 是c d m a 2 0 0 0 标准的一种具体实现。本文研究内容来源于 z x c l 0 - b s s 基站系统底层承载子系统的设计。z x c l 0 b s s 由众多的软、硬件 模块构成，本文研究和分析了其中的一个软件模块一系统控制流协议的设计 与实现。 1 2c d m a 2 0 0 0 系统的基本原理 码分多址方式( c d m a ) 是一种先进的、有广阔发展前景的多址接入方式。 目前，它已成为世界上许多国家研究开发的熟点。多址方式是许多用户地址共 同使用同一频段相互通信的一种方式。通常，这些用户多位于不同的地方并可 能处于运动状态，例如多个卫星通信地球站使用同一卫星转发器相互通信或许 多移动用户台站通过基站相互通信等均属于多址通信方式。由于使用共同的传 输频段，各用户间可能会产生相互干扰称为多址干扰。为了消除或减少多址干 扰，不同用户的信号必须具有某种特征以便接收机能够将不同用户信号区分开， 这一过程称作信号分割。主要的信号分割方式有：频分方式、时分方式、码分 方式等。频分方式：不同用户使用不同频带实现信号分割；时分方式：不同用 户使用不同时隙实现信号分割；码分方式：所有用户使用同一频带在同一时间 传送信号，其信号分割是利用不同用户信号地址码波形之间的正交性或准正交 性来实现的，这种方式即称为码分多址方式l 。 码分多址系统采用扩频调制信号，其频带宽度比信息信号的c d m a 频带宽 度大得多，达到几十倍、几百倍甚至千倍以上：。扩频信号的功率谱密度极低， 具有很好的隐蔽性和很强的抗多种干扰的能力，例如抗瞄准式干扰、抗多径干 扰等。早在六十年代扩频技术就已应用于军事保密和抗干扰通信。八十年代以 来，随着集成电路和计算机技术的迅速发展，码分多址扩频技术越来越多地被 用于民用通信系统，其中有代表性的就是九十年代由美国q u a l c o m m 公司研制 2 的码分多址i s 9 5 数字移动通信系统i 7 1 。 早期的移动通信系统是信息模拟调频频分多址方式( f m f d m a ) 7 1 ，这种 系统沿用至今。九十年代初由欧洲开发研制的数字调制时分多址 ( g m s k t d m a ) 移动通信系统g s m 被看作是新代移动通信的代表。而 q u a l c o m m 公司的c d m a 技术被认为是实现第三代移动通信的最主要的技术。 目前c d m a 技术除已应用于移动通信外，在数据传输、卫星通信以及遥控遥测 空间通信等许多领域也得到越来越广泛的应用。 由于采用了扩频信号，这种系统具有很强的抗多种干扰的能力特别是具有 抗多径干扰的能力。扩频信号的功率谱密度很低，即在单位带宽中的功率很小， 对于一般非扩频通信系统几乎不构成干扰，因此可以与其共享同一频段从而提 高频带利用率。由于所有用户使用同一载波频率，不存在交调干扰，可充分地 利用频率资源。可以采用分离多径技术提高抗多径干扰的能力。利用现代计算 机与数字电路技术可以较容易地实现多种地址码的产生变换等，并容易与计算 机联接实现控制与变换。 在c d m a 系统中，给每一用户分配一个唯一的码序列( 扩频码，一般采用 伪随机码) ，并用它对承载信息的信号进行编码。知道该码序列用户的接收机对 收到的信号进行解码，并恢复出原始数据，这是因为该用户码序列与其它用户 码序列的互相关是很小的。由于码序列的带宽远大于所承载信息的信号的带宽， 编码过程扩展了信号的频谱，所以也称为扩频调制，其所产生的信号也称为扩 频信号。对所传信号频谱的扩展给予了c d m a 以多址的能力0 2 。 c d m a 系统同g s m 系统的主要区别在于多址技术的不同。g s m 是用不同 的时隙来区分不同的用户，c d m a 是用不同的伪随机码来将不同的用户分开。 c d m a 过程是这样的，首先用户的数据( 语音或数据) ，经过信道编码后送入扩 频单元。扩频单元产生一个各用户唯一的伪随机码，并同用户数据相乘产生新 的扩频序列，再送入射频单元发射出去。接收方做一个逆过程，首先通过射频 接收，然后再用解扩单元使用相同的准正交伪随机码对接收数据进行卷积解扩 得到用户数据【1 1 1 ，如图1 - l 所示。 圈l - lc d m a 的发送接收过程筒图 c d m a 又被人称作扩频多址通信，这是因为正交码频带往往远大于用户数 据，经过伪随机码同用户数据的运算之后，信号被扩展到一个很宽的频谱上发 送【 。这样做的好处是信号的能量被分布到整个带宽上，在单位频谱上的信号 能量可以很低，甚至低于背景噪声功率，仍能保证高的接收信噪比和保密性。 所谓扩展频谱通信，可定义如下：扩频通信技术是一种信息传输方式，其 信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的展宽是通过编 码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码 进行相关解调来解扩及恢复所传原始信息l 川。 此定义包括四方面的内容： 信号的频谱被展宽了； 信号频谱的展宽是通过扩频码序列调制的方式实现的。我们知道，在 时间上有限的信号，其频谱是无限的。信号的频带宽度与其持续时问近似成反 比，因此，如果用很窄的脉冲序列被所传的信息调制，则可产生很宽频带的信 号。这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列； 采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正 弦波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性，扩频码序列仅仅起扩展信号频 谱的作用； 在接收端用相关解调来解扩。 由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以它具有一系列不同于窄带信号的性 能：多址能力、抗多径干扰的能力、具有隐私性能、抗人为干扰的能力、具有 低截获概率的性能、具有抗窄带干扰的能力等。 1 3c d m a 基站系统软件架构 基站系统b s s ( b a s es t a t i o ns y s t e m ) 包括基站收发信机b t s ( b a s es t a t i o n t r a n s c e i v e rs u b s y s t e m ) 和基站控制器b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) ，基站系统 b s s 在c d m a 移动通信系统中的位置如图i - 2 所示【t 6 ： 榈雕卜 m 氍 卜鞭l ： ，啤8 l r j ：j 工 二蠹一 豢 l 。i 口 a b i s 口 图1 2c d m a 基站系统图 c d m a 基站软件是c d m a 基站的控制主体，在功能上主要包括n 乎叫处理、 移动性管理、资源管理、网络通信和操作维护等。为了实现这些功能软件上分 为支撑软件子系统、信道软件子系统、业务开发子系统、操作维护子系统。c d m a b s s 软件作为b s s 系统的主要控制者，与b s s 系统硬件密切协作，完成b s s 系统所要求的功能。 中兴通讯z x c l 0 - b s s 基站系统软件基于商用实时操作系统，对商用操作 系统进行封装，支持s d l 语言，以进程实例为最小可执行单元，由支撑软件子 系统统一管理。为保证数据的可靠性和一致性，自己编写专用的数据库，管理 所有系统资源，所有的数据由数据库统一存取。从系统的角度来看，系统的运 行就是各进程间的消息传递以及进程的状态迁移。 1 4 承载子系统的提出 未来的移动通信网络将向全l p 的分组网方向演进，实现移动网络与i p 的 真正融合，在i p 网上承载实时话音、视频、电子商务等多种业务。真正的全i p 网络将是从网络到终端的i p 化。3 gb s s 软件系统是一个应用于移动通信领域 的大型分布式系统，它由多个模块组成。从底层软件看每个模块都构成一个独 立的嵌入式系统，各个模块完成特定的功能，具有高度自治性，模块之间通过 特定的协议进行通信。从高层软件看，各个模块之间相互协作，紧密配合构成 一个整体。承载子系统在3 gb s s 中负责实现上层业务报文、信令报文的承载 功能，不同于以前通讯设备系统，3 gb s s 需要采用i p 协议栈负责整个网络系 统的通信a 降低网络建设成本，更快的提供新的应用和服务，是促使移动通信 技术向全i p 方向发展的重要因素。因特网的主要特点是采用无连接的i p 分组 交换形式，结构简单、网络资源利用率高，成本低，信令、计费和网管简单， 因此在构筑移动通信网络中采用i p 技术是发展的趋势所在。 承载子系统向业务子系统、信令子系统、o a m 网管予系统等高层应用提 供基于a t m 、i p 等方面的承载服务。高层应用完全不用考虑底层承载实现的细 节，利用承载提供的接口实现控制流、媒体流的快速发送。体现了业务与承载 相分离的系统设计原则。承载予系统仅仅完成数据流的传输，完全不用考虑上 层业务的特点和内容。这样的原则也有利于以后系统对新业务的扩展，提高了 3 g 系统的多业务能力。 1 5 本文研究内容 本文研究的主要内容包括：第一，简单介绍了c d m a 技术的原理和 z x c l 0 一b s s 系统的软件结构；第二，分析了嵌入式系统的特点和一般开发方法， 研究了实时操作系统v x w o r k s 的运行机制和调度原理；第三，3 g 系统在全i p 化过程中所要解决的一个重要问题就是t c p i p 协议栈中传输层协议的选择问 题，重点分析了c d m a 2 0 0 0 系统b s s 子系统内部通信的特点和传输层协议的 特点，提出了可靠u d p 协议来实现系统控制流快速、可靠通信；第四，根据系 统控制流实现原理，设计并实现了控制流通信测试工具，对可靠u d p 协议在 z x c l 0 - b s s 系统中的运行进行了多次测试，有力的保证了系统可靠、安全的运 行。 1 6 论文结构 论文总共包括六章。第二章主要介绍嵌入式系统的特点和一般开发方法； 菊三章重点分析了t c p 和u d p 的特点，针对c d m a 2 0 0 0 系统的应用环境，论 证了u d p 协议在系统中应用的必要性，同时提出了r u d p 协议来弥补u d p 协 议的可靠性问题：第四章重点分析了r u d p 协议的设计原理；第五章给出了 r u d p 模块的总体实现流程和软件层次结构，开发了系统控制流性能测试工具； 第六章对整篇论文的工作做出总结。 6 第二章嵌入式系统的特点和一般开发方法 在整个b s s 系统中，每一个功能模块都构成一个独立的嵌入式系统。嵌入 式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型c p u 的最大不同就是嵌 入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部， 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。一个嵌入式系统 是硬件和软件的结合体，软件一般都固化在存储芯片上，而不是磁盘等载体上。 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开 发 2 8 1 。 2 1 实时操作系统的结构 在计算机的早期开发中，操作系统最原始的结构形式是一个统一的实体 ( m o n o l i t h i c ) 。在这样的系统中，提供不同功能的模块，如处理器管理、内存管 理、输入输出等，通常是独立的。然而它们在执行过程中并不考虑其它正在使 用的模块，各个模块都以相同的时间粒度运行2 孙。 由于现代实时环境需要许多不同的功能。以及在这样的环境中存在的并发 活动所引起的异步性和非确定性，操作系统变得更加复杂。所以早期操作系统 统一结构的组织已经被更加精确的内部结构所淘汰。 层次结构的起点内核：操作系统最好的内部结构模型是一个层次性的 结构，最低层是内核。这些层次可以看作为一个倒置的金字塔，每一层都建立 在较低层的功能之上。内核仅包含一个操作系统执行的最重要的低层功能。正 如一个统一结构的操作系统，内核提供了在高层软件与下层硬件之间的抽象层。 然而，内核仅提供了构造操作系统其他部分所需的最小操作集。 一个实时操作系统内核需要满足许多特定的实时环境所提出的基本要求， 这些包括： 多任务：由于真实世界环境中事件的异步性，系统能够运行许多并发进程 或任务是很重要的。多任务提供了一个较好的对真实世界的模拟，因为它允许 对应于许多外部事件的多线程执行。系统内核分配c p u 给这些任务从而获得了 并发性。 抢占调度：真实世界的事件具有继承的优先级，在分配c p u 的时候要注 意到这些优先级。基于优先级的抢占调度，任务都被指定了优先级，在能够执 行的任务( 没有被挂起或正在等待资源) 中，优先级最高的任务被分配c p u 资 源。换句话说，当一个高优先级的任务变为可执行态，它会立即抢占当前正在 运行的较低优先级的任务。 快速灵活的任务问通信与同步：在一个实时系统中，可能有许多任务是作 为一个应用的一部分来执行。系统必须提供这些任务问的快速且功能强大的通 信机制，内核也要提供为了有效地共享不可抢占的资源或临界区所需的同步机 制。 方便的任务与中断之间的通信：尽管真实世界的事件通常作为中断方式到 来，但为了提供有效的排队、优先化和减少中断延时，我们通常希望在任务级 处理相应的工作。所以在任务和中断之间存在通信。 性能边界：一个实时内核必须提供最坏情况的性能优化，而非针对吞吐量 的性能优化。我们更期望一个系统能够始终以5 0 微秒执行一个函数，而不期望 系统平均以1 0 微秒执行该函数，但偶尔会以7 5 微秒执行它。 特殊考虑：由于对实时内核的要求增加，必须考虑让内核支持不断增加的 复杂功能的要求。这包括多进程处理，对更新的、功能更强的处理器结构如r i s c 的支持。 许多商用化的内核支持的功能远强于上面所列出的要求。在这方面，它们 不是真正的内核，而更象一个小的统一结构的操作系统。因为他们包含简单的 内存分配、时钟管理、甚至一些输入输出系统调用的功能。 2 1 1 v x w o r k s 内核：w i n d v x w o r k s 操作系统是一种功能最全的独立于处理器的实时系统。然而， v x w o r k s 是带有一个相当小的真正微内核的层次结构。内核仅提供多任务环境、 进程间通信和同步功能。这些功能模块足够支持v x w o r k s 在较高层次提供的丰 富的性能要求。通常内核操作对于用户是不可见的。应用程序为了实现需要内 核参与的任务管理与同步的时候，就要使用一些系统调用，但这些调用的处理 对于调用任务是不可见的。应用程序仅链接恰当的v x w o r k s 例程( 通常使用 v x w o r k s 的动态链接功能) ，就象调用子程序一样发出系统调用。这种接口不 缘有些系统需要个笨拙的跳转表接口，用户需要通过一个整数来指定一个内 核功能调用1 2 8 1 。 多任务内核的基本功能是提供一个多任务环境。多任务使得许多程序在表 面上表现为并发执行，而事实上内核是根据基本的调度算法使他们分段执行。 每个明显独立的程序成为一个任务，每个任务拥有自己的上下文，其中包含了 内核调度使该任务执行的时候它所看到的c p u 环境和系统资源。 任务状态内核维护系统中的每个任务的当前状态。状态迁移发生在应用程 序调用内核功能服务的时候。下面定义了w i n d 内核状态： 就绪态一一个任务当前除了c p u 之外不等待任何资源 阻塞态一个任务由于某些资源不可获得而被阻塞 延迟态一一个任务睡眠一段时间 g 挂起态一主要用于调试的一个辅助状态，挂起禁止任务的执行 任务被创建以后进入挂起态，需要通过特定的操作使被创建的任务进入就 绪态，这一操作执行速度很快，使应用程序能够提前创建任务，并以一种快捷 的方式激活该任务。 调度控制 多任务需要一个调度算法把c p u 分配给就绪的任务。在v x w o r k s 中默认 的调度算法是基于优先级的抢占调度，但应用程序也可以选择使用时间片轮转 调度。 基于优先级抢占调度：基于优先级的抢占调度，每个任务被指定一个优先 级，内核分配c p u 给处于就绪态的优先级展高的任务。调度采用抢占的方式， 是因为当一个优先级高于当前任务的任务变为就绪态时，内核将立即保存当前 任务的上下文，并切换到高优先级任务的上下文。v x w o r k s 有从0 到2 5 5 共2 5 6 个优先级。在创建的时候任务被指定一个优先级，在任务运行的过程中可以动 态地修改优先级以便跟踪真实世界的事件优先级。外部中断被指定优先于任何 任务的优先级，这样能够在任何时候抢占一个任务。 时间片轮转：基于优先级抢占调度可以扩充时间片轮转调度。时间片轮转 调度允许在相同优先级的处于就绪态的任务之间公平地共享c p u 。没有时间片 轮转调度，当有多个任务在同一优先级共享处理器时，一个任务可能独占c p u ， 不会被阻塞直到被一个更高优先级的任务抢占，从而不给同一优先级的其他任 务运行的机会。如果时间片轮转被使能，执行任务的时间计数器在每个时钟滴 答递增。当指定的时间片耗尽，计数器会被清零，该任务被放在同一优先级任 务队列的队尾。加入特定优先级组的新任务被放在该组任务的队尾，并将运行 计数器初始化为零。 用于状态控制的基本任务函数包括一个任务的创建、删除、挂起和唤醒。 一个任务也可以使自己睡眠一个特定的时间间隔不去运行。许多其他任务例程 提供由任务上下文获得的状态信息。 任务删除问题 w i n d 内核提供防止任务被意外删除的机制。通常，一个执行在临界区或访 问l 涵界资源的任务要被特别保护。我们设想下面的情况：一个任务获得一些数 据结构的互斥访问权，当它正在临界区内执行时被另一个任务删除。由于任务 无法完成对临界区的操作该数据结构可能还处于被破坏或不一致的状态。而 且，假想任务没有机会释放该资源，那么现在其他任何任务现在就不能获得该 资源，资源被冻结了。任何要删除或终止一个设定了删除保护的任务的任务将 被阻塞。当被保护的任务完成临界区操作以后，它将取消删除保护以使自己可 以被删除，从而解阻塞删除任务。任务删除保护通常伴有互斥操作。这样，为 了方便性和效率，互斥信号量包含了删除保护选项。 9 任务间通信 为了提供完整的多任务系统的功能，w i n d 内核提供了一套丰富的任务问通 信与同步的机制。这些通信功能使一个应用中各个独立的任务协调他们的活动， 共享地址空间。w i n d 内核的任务间通信机制的基础是所有任务的共享地址空 间。通过共享地址空间，任务能够使用共享数据结构的指针自由地通信。管道 不需要映射一块内存区到两个互相通信任务的寻址空间。不幸的是，共享地址 空间具有上述优点的同时，带来了未被保护内存的重入访问的危险。u n i x 操 作系统通过隔离进程提供这样的保护，但同时带来了对于实时操作系统来说巨 大的性能损失。 互斥操作 共享地址空间简化了数据交换，通过互斥访问避免资源竞争就变为十分有 必要了。用来获得一个资源的互斥访问的许多机制仅在这些互斥所作用的范围 上存在差别。实现互斥的方法包括禁止中断、禁止任务抢占和通过信号量进行 资源锁定。 中断禁止：最强的互斥方法是屏蔽中断，这样的锁定保证了对c p u 的互斥 访问。这种方法当然能够解决互斥的问题，但它对于实时是不恰当的，因为它 在锁定期间阻止系统响应外部事件。长的中断延时对于要求有确定的响应时间 的应用来说是不可接受的。 抢占禁止：禁止抢占提供了强制性较弱的互斥方式。当前任务运行的过程 中不允许其他任务抢占，而中断服务程序可以执行。这也可能引起较差的实时 响应，就象被禁止中断一样，被阻塞的任务会有相当长时问的抢占延时，就绪 态的高优先级的任务可能会在能够执行前被强制等待一段不可接受的时间。为 避免这种情况，在可能的情况下尽量使用信号量实现互斥。 互斥信号量：信号量是用于锁定共享资源访问的基本方式。不象禁止中