（计算机应用技术专业论文）内存数据库在通信网侦听系统中的实现及应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 合法侦听用于国家安全部门实时监控被控用户的通信活动，对数据的准确性、实时性 要求很高。数据库性能好坏及数据的安全性将直接影响安全部门获取被控用户数据的准确 性和实时性。传统数据库需要频繁的内外存数据交换，随着数据量的增大和对时间的严格 要求，这种瓶颈越来越突出，已不能满足现代需求，为此本文研究了一种适用于侦听系统 的实时、高效的内存数据库( m m d b ) 系统。 与外存数据库相比，内存数据库最大的特点是数据常驻内存，所有对数据的操作都在 内存中完成，因此对数据的组织管理方式、同步策略需要重新定义。本文根据合法侦听系 统架构的设计，对数据库模块的功能需求进行分析，引入面向对象的内存数据库来满足侦 听系统对数据的实时性要求。通过对内存数据库的研究，本文数据库管理系统的实现主要 包括：数据的组织管理方式、数据应用接口设计、数据同步策略的设计。数据的合理组织 是实现数据安全、高效同步的基础；数据应用接口是外界访问内存数据库的窗口；数据同 步确保了内存中数据的准确性，数据同步分为静态同步和动态同步，根据合法侦听系统的 设计和实际的单板类型，把数据同步细化为前后台实时同步、前后台定时同步、前台单板 之间的同步及单板自身的主备同步等，准确可靠的同步机制为侦听系统的运作提供了可靠 的保障。通过本文的设计，实现了一个完整的内存数据库管理子系统。 关键词：合法侦听，侦听服务器，内存数据库，数据同步 南京邮电人学硕i ：研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h el a w f u li n t e r c e p t i o ns y s t e mi sm a i n l yu s e db yn a t i o n a ls e c u r i t yd e p a r t m e n tt or e a l - t i m e m o n i t o rt h ec o m m u n i c a t i o na c t i v i t i e s t h er e a l t i m ea n da c c u r a c ya s p e c t so fd a t aa r eh i g h l y d e m a n d e d t h ep e r f o r m a n c ea n dd a t as e c u r i t yo fd a t a b a s ew i l lb ead i r e c ti m p a c to na c c u r a c y a n dr e a l t i m eo ft h eu s e r s d a t aw h i c hs e c u r i t yd e p a r t m e n ta c c e s s e s t r a d i t i o n a ld a t a b a s e sh a v e t of r e q u e n t l ye x c h a n g ed a t ab e t w e e nm e m o r ya n dd i s k ，a st h ed a t aq u a n t i t yi n c r e a s e sa n dt h e s t r i n g e n tr e q u i r e m e n t so ft h et i m e ，s u c hb o t t l e n e c kb e c o m e s m o r ea n dm o r ep r o m i n e n t ，f a rf r o m b e i n ga b l et om e e tm o d e m n e e d s i nt h i sr e s p e c tt h i st h e s i sr e s e a r c h e so nt h em a i nm e m o r y d a t a b a s ea n di m p l e m e n t sah i g h l ye f f e c t i v eo n ew h i c ha p p l i e st ol a w f u li n t e r c e p t i o ns y s t e m c o m p a r ew i t ht r a d i t i o n a ld a t a b a s e ，t h eg r e a t e s tf e a t u r eo fm a i nm e m o r yd a t a b a s ei st h a t t h ed a t ar e s i d e n t sm e m o r yp e r m a n e n t l y ，a n da l lo ft h eo p e r a t i o n st od a t ai si nm e m o r y ，s ot h e o r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fd a t a 、s y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m sn e e d t ob er e d e f i n e d b a s e d o nt h ed e s i g no fl a w f u li n t e r c e p t i o ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h eo b j e c t o r i e n t e d m a i nm e m o r yd a t a b a s et om e e tr e a lt i m ed e m a n do ft h el a w f u li n t e r c e p t i o ns y s t e m t h r o u g h t h es t u d yo ft h em a i nm e m o r yd a t a b a s e ，t h er e a l i z a t i o no ft h ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m i n c l u d e s ：t h eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fd a t a ，d a t aa p p li c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n ，t h ed e s i g n o fd a t as y n c h r o n i z a t i o nm e c h a n i s m t h er e a s o n a b l eo r g a n i z a t i o na n dm a n a g e m e n to fd a t ai st h e f o u n d a t i o nt oa c h i e v es a f ed a t a ，a n de f f i c i e n ts y n c h r o n i z a t i o n ；d a t aa p p l i c a t i o ni n t e r f a c ei sa w i n d o wf o rt h eo u t s i d et oa c c e s sd a t a b a s e ；d a t as y n c h r o n i z a t i o ne n s u r e st h ea c c u r a c yo fd a t ai n m e m o r y t h ed a t as y n c h r o n i z a t i o nc a n b ed i v i d e di n t ot w ot y p e s ：s t a t i cs y n c h r o n i z a t i o na n d d y n a m i cs y n c h r o n i z a t i o n i na c c o r d a n c ew i t hs y s t e mc h a r a c t e r i s t i c so fl a w f u li n t e r c e p t i o na n d t h et y p eo fm p ，d a t as y n c h r o n i z a t i o ni sd i v i d e di n t os e v e r a lc a t e g o r i e s ：r e a l t i m es y n c h r o n i z a t i o n a n dt i m i n gs y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e no m ca n dm p ，s y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nm pa n dm p ，a n d t h es y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e nm a i nm pa n ds l a v em p t h i sp r o v i d e sar e l i a b l eg u a r a n t e ef o rt h e i n t e r c e p t i o ns y s t e mt ow o r k a c c o r d i n g t ot h ed e s i g n ，t h ea u t h o ri m p l e m e n t sai n t e g r a l m a n a g e m e n ts u b s y s t e m o ft h em a i nm e m o r yd a t a b a s e k e y w o r d s ：l a w f u li n t e r c e p t i o n ，i n t e r c e p t i o n s e r v e r ，m a i nm e m o r yd a t a b a s e ，d a t a s y n c h r o n i z a t i o n 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略词 缩略词 缩略词英文全称译文 a u ca u t h e n t i c a t i o nc e n t r e鉴权中心 b c mb a s i cc a l lm a n a g e r基本呼叫管理 b h c a b u s yh o u rc a l la t t e m p t忙时试呼次数 c m pc a l lm a i np r o c e s s o r 呼叫业务处理机 d r d b d i s kr e s i d e sd a t a b a s es y s t e m 磁盘数据库 e s ne l e c t r o n i c ss e r i a ln u m b e r 电子串号 h l rh o m el o c a t i o nr e g i s t e r 归属位置寄存器 i m s i i n t e m a t i o n a lm o b i l es t a t i o ni d e n t i f y 国际移动台识别号 i s u pi s d nu s e rp a r t i s d n 用户部分 l e al a we n f o r c e m e ma g e n c y 执法代理机构 l il a w f u li n t e r c e p t i o n 合法侦听 l i cl a w f u li n f o r m a t i o nc e n t e r 合法信息中心 l m pl a w f u li n t e r c e p t i o nm a i np r o c e s s o r 合法侦听处理机 m c m m u l t i p l ec a l lm a n a g e r 多呼叫管理 m d nm o b i l ed i r e c t o r yn u m b e r 移动台号码薄号码 m 跗m o b i l ei d e n t i f i c a t i o nn u m b e r 移动识别码 m m d bm a i nm e m o r yd a t a b a s es y s t e m 内存数据库 m s cm o b i l es w i t c h i n gc e n t e r 移动交换中心 m p m o d u l ep r o c e s s o r模块处理器 o m c o p e r a t i o nm a i n t e n a n c ec e n t e r运行维护中心 o m p o p e r a t i o nm a i np r o c e s s o r操作维护处理机 p s t np u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 公共交换电话网络 s m p s i g n a lm a i np r o c e s s o r信令处理机 s i 讧 s p e c i a lr e s o u r c ef u n c t i o n特殊资源功能 t n e t e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ke q u i p m e n t 电信网络设备 t u p t e l e p h o n eu s e rp a r t电话用户部分 v l rv i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r 拜访位置寄存器 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：蛰 日期：竺竖! 竺绎 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：垄竭 导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1 内存数据库系统概述 第一章引言 1 1 1 内存数据库的研究与发展 数据库技术是计算机科学的重要分支之一，它已成为计算机系统和应用系统的重要支 柱。随着应用的深入和应用领域的扩大，对数据库的要求越来越高。2 0 世纪8 0 年代早期 人们提出了内存数据库系统的概念，开辟了数据库研究的新天地。影响内存数据库的研究 和发展主要有两个因素，一是现代应用要求数据库有较强的功能和高的性能。传统的数据 库基本用于商务和事务应用，而现代应用主要是实时性要求较高的集成的办公系统、电信、 电力等领域的应用。这种现代应用需要新的数据库系统的支持，尤其在保证像“硬实时” 这样的要求时。二是存储量大而廉价的内存的成功使用。在过去十多年中，单个d r m a 芯片的b i t 数几乎以每三年翻两番的速率增长，当前这种增长率似乎还没有一个可见的尽 头，而内存的价格在过去的二十年中几乎降到了原来的百分之一【1 】。 从2 0 世纪8 0 年代早期开始，数据库使用大内存经历了两个途径。一是使用大缓冲池 来保证事务所需数据都在内存。这种方法优化的目标是最小化磁盘访问，与传统的磁盘数 据库无任何区别，数据仍常驻磁盘。另一种是常驻内存数据库法，即数据库的内存版本是 “主版本 ，而外存数据库只作为后援数据库。这样可使系统的性能获得很大改善，如i o 操作大量减少、事务的状态转换引起的与高速缓存的替换大量减少，更有效的使用c p u 周 期和内存等1 2 l 。 1 1 2 内存数据库的定义及特点 对内存数据库的定义目前还没有一个明确的、严格的说法，仍处在一个不断发展的阶 段，但从根本意义上说，内存数据库的定义应该是一个理论上的概念，即内存数据库的定 义不应涉及内存的大小、存取数据所需的i o 的多少、数据何时进入及怎样才留驻内存等 具体的实现技术，而只包含数据库永久留驻内存，事务的数据存取只涉及内存的意思，据 此，给出如下定义【3 】： 设有数据库d b 。令d b m ( t ) d b 为在时刻td b 在内存的数据集，t s 为系统中所有 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 可能的事务集：a t ( t ) t s 为在时刻t 时处于活动状态的事务集；d t ( t ) d b 为事务t 在 ， 时刻t 所操作的数据集。若在任一时刻t ，均有v t a t ( t ) ，d ( t ) d b m ( t ) 成立，则称d b 为一个内存数据库，简记为m m d b 。 m m d b 系统与磁盘数据库系统( d r d b ) 有很大的差别，主要表现在以下几个方面： 1 ) 存储介质：在d r d b 系统中，数据常驻磁盘，磁盘数据按一定的存取策略调入内 存后才能被存取：而在m m d b 中，数据的内存版本是系统的“工作版本，其中 的数据可被事务直接存取。 2 ) 算法的设计目标：d r d b 的i o 是系统的“瓶颈”，系统算法设计的目标是减少i o 时间和提高磁盘空间的利用率。而m m d b 算法设计的目的则是c p u 和内存空间 的高效使用。 3 ) 并发控制：在d r d b 系统中，一个数据的加锁开销远远小于它的处理开销。因此， 为了提高事务的并发度，系统都采用较细粒度锁( 如属性级) 的策略。这样并发 控制机构较为复杂，它要设置大量的锁装置来标识那些当前被封锁的数据，同时 还要大量锁的检测，因而每一事务的服务性能下降，系统的总体性能也因此受影 响。现在由于加锁与处理的代价是同一个数量级，同时由于内存存取快，事务的 执行时间相对于d r d b 大大缩短，锁的占有时间也相应大大缩短，因此现有的并 发控制机制策略对m m d b 是否仍然使用? 甚至在m m d b s 中是否还需要并发控制 【4 1 7 可否简单的顺序执行? 这些问题都值得研究。 4 ) 数据组织：传统数据结构与存取策略旨在减少i o 代价，而现在i o 已基本消除， 故原有的数据结构已不再适用。所以对m m d b 要开发适合于直接地址访问特征和 节省空间的数据结构与存取方法。 5 ) 查询与事务处理：d r d b 的查询及优化主要针对i o 代价，而m m d b 其查询算法 致力于减少比较次数【5 l 。在实时应用中的事务有定时限制，数据有“有效期9 99 事 务的正确性不仅依赖其逻辑结果，还依赖于结果产生的时间，对系统有较高的要 求。对d r d b 系统而言，存在较多不可预知的因素，而对m m d b 而言，整个数据 库或“工作”部分已放入内存，一个事务在执行过程中没有i o ，则能准确的估算 和安排事务的运行时间。 6 ) 恢复：对m m d b 来说有一个致命性的问题，就是内存的易失性，再加上它更容易 受到操作系统或应用软件的直接伤害，故对m m d b 系统，恢复比d r d b 系统更为 重要。m m d b 的恢复对象是内存而不是磁盘，恢复方针可以部分( 或优先) 恢复， 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引言 恢复的工作量和频度显然要比d r d b 高。 硬件的发展带来y o 、c p u 和内存三大瓶颈的突破，基于内存的实f 寸数据库具有一定 的静态可预报性，即在事务在运行前，它的操作逻辑( 操作类型、顺序等) ，数据集，在 结构、行为及时间方面的相关性，定时性限制，关键性等都是可以预分析的，且这些是相 对稳定的。故以大内存做实时数据库的主要存储介质既是必要的，也是可行的。其获得的 性能上的效益，进而对实时事务处理提供的支持是当前在磁盘环境下的数据库技术所无法 替代的【6 l 。 1 2 课题提出的背景 当今世界信息技术的快速发展，方便了人与人之间的沟通与交流，但与此同时也方便 了不法分子进行犯罪活动。为更好的掌握违法分子的活动，很多国家都采取了合法侦听这 一策略。对于被侦听的用户，安全部门能及时准确的掌握该用户的信息及通信内容，这就 对数据的实时性有很高的要求，要求侦听系统能及时准确的输出所需的数据，因此必须设 计一个高效、准确、及时、合理的数据库系统来负责管理侦听数据，在本侦听系统中，对 数据的管理采用了实时性较高的内存数据库管理系统。 1 3 本文的工作 由于侦听系统对数据的实时性要求很高，在本系统中数据库采用了实时性较高的内存 数据库系统。本文主要研究合法侦听系统涉及的内存数据库技术，主要有内存数据的组织 管理、数据同步、侦听服务器的设计及内存数据库与外界通信接口的设计和实现等。具体 安排如下： 第一章引言。首先简单介绍了内存数据库的发展、定义、特点。然后对研究课题的 背景意义做了简要介绍，最后介绍本论文的组织结构。 第二章介绍实现合法侦听的必要性及实现模型。 第三章引出合法侦听系统的总体设计方案，并详细讨论数据库模块的设计和实现， 包括硬件、软件结构。 第四章根据合法侦听系统的要求，设计了内存数据库的数据组织方式。 第五章根据合法侦听系统的要求，设计了内存数据库中数据的同步机制及内存数据 库与侦听服务器间的数据同步机制。 第六章合法侦听系统的功能测试及讨论。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章合法侦听原理 2 1 合法侦听的引入 第二章合法侦听原理 随着当今世界信息技术的发展，人们一方面在享受着信息化社会的诸多便利，另一方 面却看到利用通信工具实施的违法犯罪活动日益猖獗，犯罪分子和恐怖分子利用这种便 利，使用移动通信工具在全球从事有组织的犯罪和恐怖活动，信息安全特别是在通信网中 的信息安全面临着巨大的挑战1 7 1 。为了及时发现并掌握犯罪分子和恐怖分子的动向，各个 国家和地区的执法机构( l a we n f o r c e m e n t a g e n c y ，l e a ) 纷纷采取了多种措施，合法侦听 就是行之有效的措施之一。 合法侦听( l i ，l a w f u li n t e r c e p t i o n ) 是以保障信息安全为目的的一种合法行为。它通过国 家立法机构的立法，并在执法机关的相应授权之下，侦听电信的业务活动。要求网络运营 商、接入提供商、服务提供商等第三方经济实体通过升级技术手段、在已有设备上搭载新 的模块等方法彼此合作，采用统一的技术标准完成对通信网络的信息监控、截取和侦听。 8 1 为了标准化合法侦听，在合法侦听标准的制定方面，多个国际组织制订了合法侦听标 准，具体如下： 1 ) e t s ie s2 0 16 7 1 系列标准和g s m0 1 3 3 系列标准 欧洲电信标准化协会( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di n s t i t u t i o n ，e t s i ) 的合 法侦听技术委员会( t e c h n i c a lc o m m i t t e eo nl a w f u li n t e r c e p t i o n ，t cl i ) 制定的e s 2 0 16 7 1 系列标准和e t s i 的移动标准组织技术委员会( t e c h n i c a lc o m m i t t e eo n m o b i l es t a n d a r d sg r o u p ，t cm s g ) 制定的g s m0 1 3 3 ，0 2 3 3 ，0 3 3 3 系列标准。 其主要针对第二代移动通信系统的合法侦听【9 1 。 2 ) 3 g p pt s3 3 1 0 6 系列标准 第三代伙伴计划( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c ，3 g p p ) 制订的t s3 3 1 0 6 ， 3 3 1 0 7 ，3 3 1 0 8 系列标准。其主要针对第三代移动通信系统的合法侦听【8 1 。 3 ) c a l e aj - s t d 0 2 5 系列标准 美国司法强制性通讯协助法案( c o m m u n i c a t i o n sa s s i s t a n c ef o rl a we n f o r c e m e n t a c t ，c a l e a ) 倡导的j - s t d 0 2 5 系列标准。其对第二代、第三代移动通信系统的 合法侦听均有所涉及【1 0 1 。 目前，合法侦听技术在公共交换电话系统( p s t n ，p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ) ， 南京邮电大学硬研究生学位论文 第= 章台墟愤听雎理 第二代移动通信系统中已经得到了广泛的应用，对于维护国家安全，社会稳定有极其重要 的意义。如今第二代移动通信系统已逐渐向第二代移动通信系统演迸如何在第三代移动 通信系统核心网中实现合法侦听，具有比较现实的意义。 本文就是在此背景下，对第三代移动通信系统合法侦听中数据库了系统的设计和实现 进行了深入的研究。 2 2 合法侦听模型 传统的电信网络合法侦听接口设计的主要原理是：利用或改进程控变换机的合法侦听 模型的接口功能，由监控中心对指定的被监控目标( 号码) 进行布控，修改其呼叫属性当该 目标发起或收到呼叫时交换机对该呼叫实施重选路由或提供第三方呼叫输出功能将其 改址或旁路到信息中心，经信息中心截取话路信息后再到送到原来的呼叫地址或目标，从 而实现对网络的合法侦听功能，如图2 1 所示1 “锋= 熬” 矧2 一【传统u 信网络含法侦i 町接u 的殴讨 本文合法侦听设计如下：台法侦听信息中心与电信网络是相互独立的两个部分，即合 法侦听跨越阴个不同的网络域，要实现信息的传输，必须在两个域之州定义统一的侦听接 口，也就是实现通信网络合法侦听的接口。而且，此接口的功能是在对电信网络设备安全性 和全部业务不造成任何影响的6 u 提下，对被控目杯所有话务和非活务活动实现实时跟踪和 侦听。接口示意图如图2 2 所示： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章合法侦听原理 图2 2 合法侦听模型 两者的主要区别在于：从应用层面上看，该侦听系统的通信，相当于通信双方在两点 之间直接进行，而传统电信网络却是分级传输、分段接续的，通信相当于由多点接力完成。 信息中心；是指设置在安全部门内的警用设备，通过现有电信网络设备标识来识别与 警用信息中心连接的电信网络设备( t n e ) 。每个警用信息中心应有一个唯一标识，该标识 应作为初始数据在警用接口初始化时定义。信息中心用来完成侦听目标的管理，收集电信 设备上报的侦听目标的事件和通信内容，并对收集到的信息进行处理。【1 2 】 电信网络设备t n e ：指电信通信网中提供的合法侦听接口的物理设备。1 9 】 合法侦听模块：是网络中具有特定功能的软件模块，它如同埋伏在电信网络内部的“内 线”，掌握有被监控对象的名单。当名单中的被控对象活动时，合法侦听模块与信息中心 “内”、“外 呼应，完成监控任务。在监控过程中，二者通过特定的接口，即x 接口进行信 息的传输，而x 接口又由三个接口组成，其中的每个接口分别完成不同的功能。下面介绍x 接 口的功能及其工作流程。 x 接口又称为警用接口，是指电信网络设备与警用信息中心之间的接口，警用信息中 心通过这个接口接入到电信网络设备，用于设定监控号码和监控方式等，并输出被控用户 的话务和非话务活动信息。根据功能的不同，该接口划分为x 1 、x 2 、x 3 三个接口。1 9 】 x 1 ：该接口用于传输电信设备与侦听中心警用命令消息的交互，如监控名单的设定与 修改、各种查询和参数修改等。x 1 接口物理上可以是电信网络设备已有的通用人机通信控 制接口，但必须满足高速、可靠的要求。 x 2 ：该接口用于电信设备向侦听中心上报通信事件和告警事件消息。如用户注册、摘 机事件、呼叫、挂机事件等。x 2 接口物理上可以是电信网络设备已有的通用人机通信控制 接口，但必须满足高速、可靠的要求。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章合法侦听原理 x 3 ：该接口完成实时输出侦听目标的通信内容( 语音或分组数据) 及其关联标识的功 能，其中关联标识用于关联同一次呼叫中x 2 接口输出的侦听目标活动事件报告。 对布控用户合法侦听的实现过程如下： 首先由安全部门操作警用设备l i c 通过x 1 接口将侦听请求传送到t n e ，然后t n e 对布控用户进行侦听，同时根据侦听请求的内容将布控用户的侦听相关信息和通信内容通 过x 2 、x 3 接口传送到l i c ，从而实时侦听到布控用户的通信内容并获取到侦听相关信息。 不同的l i c 可能对同一个布控用户进行合法侦听，这时，t n e 将布控用户的通信内容 和侦听相关信息上报到不同的l i c ，同样同一个l i c 也可以与多个t n e 连接。 2 3 本章小结 现代社会，犯罪分子利用通讯工具从事有组织有计划的犯罪活动日益增多，国际社会 为了能及时掌握犯罪分子的活动信息，采取了多种措施，合法侦听就是比较有效的措施之 一。本章引入了合法侦听系统的模型，并简要介绍了合法侦听的原理及涉及的接口定义。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章侦听系统的设计与实现 第三章侦听系统的设计与实现 3 1 侦听系统的硬件结构 为实现合法侦听的功能，需要在前置处理机上处理侦听业务，在操作维护服务器上实 现合法侦听功能的配置和维护，同时需要和l i c 交互的功能实体，实现x 1 x 2 接口的物理 连接。 合法侦听技术已逐步成为网络设备准入的要求之一，将来大容量的侦听用户的需求是 必不可少的，为了适应未来发展的需要，避免将来对系统框架做较大的修改，一次开发到 位，在不影响系统正常业务且保证合法侦听系统可靠性的基础上，提出了以下方案： 为了满足不同容量的侦听需求，在m s c e 现有的s m p 、o m p 和c m p 分类基础上，增 加前置处理机一合法侦听处理机( l a w f u li n t e r c e p t i o nm a i np r o c e s s o r ，l m p ) 即集中处理 侦听业务的m p ，负责接收侦听接口和后台发送的侦听用户数据，进行合法侦听的触发上 报，以及x 3 话路的接续。l m p 可以单独配置，也可以与s m p 、c m p 、o m p 合一配置。 c m p 保存被侦听用户的数据信息，除了实现各类面向用户的业务之外，只对业务实现 过程中的合法侦听事件进行触发。 此方案降低了侦听功能与普通业务功能的耦合性，即使以后合法侦听业务升级或发生 故障，也不会影响普通业务的处理功能。 实现合法侦听功能的m s c e 需要增加新硬件合法侦听服务器和l m p 。具体结构如图 3 1 ： 8 南京邮电大学硕十研宄生学位论文 第i 章侦听系统的设计与实现 3 ) 4 ) 5 1 图3 - i 侦听系统的硬件结构图 操作维护服务器：进行营j j 接口相关功能的配置、与x i 接口功能相同的用户布控 操作界面、以及对警用接口的维护( 信令调试跟踪、故障告警等) ：负责合法侦听 系统数据的配置和维护。 合法侦听服务器：负贵被控用户数据和侦听中心数据的存储与转发。此数据库系 统为外存数据库；负责x 1 和x 2 接口消息收发并具有x 2 事件数据的保存功能。 c m p ：主要进行各类面向用户的业务实现，以及业务实现过程中的警用事件触发。 l m p ：主要进行合法侦听的触发上报，及x 3 接口的话路接续。 o m p ：是c m p 和l m p 与后台操作维护服务器的接口，进行合法侦听操作维护消 息的转发。 3 2 侦听逻辑结构图 合法侦听软件结构建立在m s c e 软件结构之上，根据方案的设计，合理添加软件模块 来满足合法侦听的需要。其逻辑结构图如3 - 2 所示，其相应功能的实现需要其他模块的支 持。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章侦听系统的没计与实现 图3 2 侦听系统逻辑结构图 1 ) 侦听子系统由业务子系统i i f 、接入子系统i a f 、数据库子系统组成，但需要操作 维护子系统、支撑子系统、硬件平台的支持。 2 ) 业务子系统i i f ：主要提供m s c e 中各项业务功能：呼叫功能、切换功能、短信息 功能和移动性管理功能。实现侦听的触发，需要在已有模块中增加触发侦听的处 理，包括：基本呼叫控制模块( b c m ) 、s r f 、m c m 等模块，构成i i f 。 3 ) 数据库子系统：负责管理m s c e 中的物理资源，并管理业务、信令、协议的配置 信息，同时向其他子系统提供数据库访问接口。数据库子系统提供的i d b f 分为两 部分：合法侦听服务器和前置处理机。合法侦听服务器中包括：l d b b 、e v e n t d b 、 d b i o 和d b a g e n t ；前置处理机中包括：l d b f 、m s c d b 、v l r d b ，合法侦听 服务器上的数据库系统为外存数据库【1 3 , 1 4 】，前置处理机上的数据库为内存数据库。 4 ) 支撑子系统：对上层软件模块屏蔽硬件设备操作细节，对硬件功能进行抽象，仅 向其他软件模块提供硬件设备的逻辑功能层面，提供基于单处理机的逻辑进程调 度、定时器管理、内存管理、文件系统、基于多处理机的进程间通信等方面的服 务。其为上层软件模块提供的接口形式为函数调用。合法侦听功能的实现需要支 撑子系统为合法侦听服务器和前置处理机上的逻辑线程提供操作系统的封装。 5 ) 信令子系统：实现n o 7 号信令、h 2 4 8 等信令的实现，向业务子系统提供服务。 在本侦听系统中需要实现对x 2 信令系统和x 3 信令系统的支持，其中x 3 信令系 统采用标准的i s u p 或t u p ，x 2 信令系统提供对x 2 5 的支持。 6 ) 操作维护子系统：为运行的设备提供配置、分析、计费、诊断测试等功能，并可 获得设备的告警、统计数据。在本系统中实现了合法侦听功能的配置和维护功能。 3 3 系统的软件结构 根据对功能的细分，对各个软件子系统细化后的软件结构图如图3 - 3 所示，各软件模 l o 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章侦听系统的设计与实现 块均为独立的逻辑进程，其采用异步消息和函数调用进行交互。异步消息即消息的发送者 不需要等待消息的接收者给出响应即可继续其他工作。本文中所涉及的模棼闯挛互消息， 若无特别说明均为异步消息。 口操作维护子系统口信令子系统 _ 异步消息或雨数调用 图3 - 3 软件结构幽 甲由 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章侦听系统的设计与实现 侦听子系统各软件模块的功能描述如表所示： 表3 1 各子系统软件模块的功能描述 软件模块功能描述 m s c m a p进行短消息业务的事件触发 进行开机、关机和位置更新的事件触发，响应来自x 1 接 口的用户信息查询请求，返回用户的位置信息和业务信 v l r m a p 息，配合其他模块侦测呼叫或短消息业务时用户是否布 i i f 控： b c m进行呼叫相关事件的触发 m c m 进行多呼n q 事件的触发 s r f 进行放音收号事件的触发 进行呼叫业务相关事件和非呼叫业务相关事件的报告和 p r o x y x 3 接口通道的接续 i a f i n t e r f a c e 进行x 1 x 2 接口的连接管理和消息通信 c o m m 进行x 1 x 2 底层通信 d b i o 负责l d b b 和e v e n t d b 的读写操作 d b a g e n t 负责前服务器侦听数据库的同步 l d b b 合法侦听服务器数据库，存储布控用户信息 l d b f 前台侦听数据库，存储布控刚户信息 i d b f e v e n t d b负责x 2 事件的缓存 在v d b 中设置数据表，记录所有被布控的号码或号码段， v d b 但不记录侦听数据，仅用来判断用户是否被布控 增加侦听相关配置，主要包括号码分析、前置机类型配 m s c d b 置、局容量配置等 由于合法侦听子系统的实现是个较大的项目，需要多个软件模块共同协作，笔者在参 与系统方案讨论的基础上，在该项目中主要负责i d b f 数据库模块的开发，实现侦听中心 信息及被控用户数据的实时存储与转发功能。 3 4i d b f 的设计与实现 i d b f 由数据库子系统提供，它主要实现侦听数据的快速读写、存取、修改、删除及 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章侦听系统的设计与实现 查询等功能，该功能主要为i i f 和i a f 提供侦听数据的实时快速存取服务。 1 ) v d b 模块：在v d b 中设置数据表，记录所有被布控的号码或号码段，与支持合法 侦听功能的v l r m a p 一起，实现拜访位置寄存器( v i s i t o rl o c a t i o nr e g i s t e r ， v l r t l 5 , 1 6 1 ) 功能【17 1 。该模块主要供侦听子系统业务层i i f 的v l r m a p 模块调用， 提供用户的服务项目清单，获得项目清单后，呼叫侦听触发功能单元b c m 通过该 模块提供的函数接口根据用户的i m s i 、e s n 、m d n 查询布控号码表，判断用户是 否被布控。 2 ) m s c d b 模块：记录了侦听的相关配置数据，主要包括号码分析、前置机类型配置、 局容量配置等。 3 ) 前台侦听数据库l d b ，f ：存储布控用户的信息，通过前台和侦听服务器问数据同 步改变本侦听模块的数据。供业务层的p r o x y 查询侦听用户信息，决定是否触发侦 听。 4 ) 合法侦听服务器数据库l d b b ：该模块的任务是接收合法侦听中心发送的布控用 户及侦听中心的信息。当合法侦听中心l i c 发送增加或删除被控号码的指令时， 由接口模块i n t e r f a c e 接收指令，并根据指令的要求，通过l d b b 模块中的进程 d b i o 修改数据库l d b b 中的数据，修改成功后，l d b b 向前台数据库l d b f 同 步修改的数据。 3 5 本章小结 本章对合法侦听系统的架构进行了详细的分析，包括硬件结构和软件结构。根据侦听 系统的软件结构，对数据库模块的位置和作用进行了研究，为第四、五章内存数据库系统 的设计和数据同步奠定了基础。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章数据库子系统的设计 第四章数据库子系统的设计 4 1 前台数据库子系统的设计思想 影响合法侦听系统业务效率的最主要因素是数据库的存取、查询及转发速度。比如在 一次呼叫过程中，要多次调用数据库子系统，实现用户信息的查询，以决定该用户的具体 业务。现以主叫用户被布控，该用户拨打本局电话为例，该用户起呼后，呼叫触发模块b c m 首先去拜访位置寄存器v l r 数据库v d b 中获取该用户的服务项目清单p r o f i l e 信息，然后 通过v d b 提供的函数接口根据该用户的i m s i 、e s n 或m d n 查询布控号码表，判断用户 是否被布控。如果被监控，将监控标识发给p r o x y 模块，p r o x y 模块决定使用哪个用户号码 到l d b f 中查询用户的布控数据，并根据布控数据判断是否需要进行侦听触发。所以数据 库的性能将直接影响整个系统的业务效率。 整个侦听系统数据库部分的实现需要前后台数据库配合完成。这里的前台指运行数据 的各个交换模块的统称，即l d b f ，后台指运行在以服务器为中心的l a n 内，即l d b b 。 前台数据库为实现数据的高效存取、查询等功能，采用了效率较高的内存数据库，其数据 运行在前置机内存中。 虽然采用内存数据库能提高数据的存取效率，但内存属于易失性设备，再加上它更容 易受到o s 或应用软件的直接伤害，所以以磁盘为媒介的后台数据库也是不可缺少的，但 这里的磁盘数据库不再会被业务频繁的访问，其存在主要是保证数据的可靠性和一致性。 4 2 数据库管理子系统的具体设计 前台数据库子系统是整个侦听系统的数据管理中心，其内可能存放着成千上万个用户 的信息，如何在众多的用户信息中快速获取到需要的数据，实现数据访问的实时性，这是 设计前台数据库子系统首要解决的问题。 早期交换机的数据库有采用数组作为数据载体的开发模式，当然数组在数据规模小时 开发维护方便，但在大规模、复杂的数据面前显得力不从心，特别是把数据库结构与复杂 变化的数据结合考虑时，维护起来相当困难，问题也会因为太过复杂而层出不穷，目前的 开发充分考虑到了这些缺点，采用了一套新的面向对象的关系数据模式组织管理数据，实 现了具体数据与数据库结构分离，避免了数据发生变化时，数据结构也需改变。 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章数据库子系统的设计 面向对象的设计思想的重要特征是：封装性、继承性和多态性【l8 1 。通过采用这种设计 方法可以有以下几点好处： 1 ) 将存储信息的表有效地封装起来，只有通过对象提供的基本方法才能访问到数据 的存储实体，这有效地保证了数据存储实体的安全性。 2 ) 为每一种对象类提供的方法都可以为其继承者所使用。由该对象类说明的各个数 据实例，都可以共用这些方法( 如插入、删除、查询等方法) ，这大大的提高了代 码的使用效率并减少了具体数据实例的创建工作量。 3 ) 每一种由对象类声明的数据实例，可以通过重载修改其某些方法的执行特性，这 种表现称为多态性。多态性为数据实例的方法更新与扩展打开了方便