（测试计量技术及仪器专业论文）移动通信网络中短消息中心的设计与实现.pdf

摘要 s m s ( 短消息业务) 是一种允许手机接收和发送简短消息的业务，s m c ( 短消息中 心) 是负责短消息的存储和转发的通信网络实体。在3 g 推出延缓，移动数据业务增长 缓慢的情况下。短消息业务作为移动通信网增值业务的核心和基础，具有巨大的市场潜 力和前景。本文详细介绍了一个短消息中心的设计和实现。 短消息中心主要包括：短消息协议处理模块、七号信令模块和内存数据库模块。本 文首先介绍了短消息中心的运行环境、系统功能和关键技术。然后在简要介绍七号信令 系统的基础上，介绍了七号信令模块的设计与实现。短消息协议处理模块是短消息中一t l , 的核心，本模块的设计中采用了有限状态机、客户服务器模型、s o c k e t 和多线程等 技术，还提出并实现了逻辑进程和逻辑定时器。短消息中心需要用数据库存储用户信息 和短消息数据，一般的短消息中心多采用商用数据库，例如o r a c l e 或者s q ls e r v e r 。 本文提出并实现了一个用于实时消息处理系统的专用内存数据库，改善了系统的性能。 本文随后介绍了短消息中心系统的测试，包括功能测试和性能测试。基于短消息的各种 应用正呈方兴未艾之势，所以本文最后介绍了两个基于短消息的应用系统。 本文所实现的短消息中心以及基于短消息的应用系统已经应用移动通信网络中。 关键词：短消息中心；七号信令；多线程；有限状态机；内存数据库 a b s t r a c t s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) a sw ca l lk n o wi sam e s s a g i n gs e r v i c et h a ta l l o w ss e n d i n g a n dr e c e i v i n gm e s s a g e st om o b i l ep h o n e ss m c ( s h o r tm e s s a g ec e n t e r ) i st h ee n t i t yw h i c h s t o r e sa n df o r w a r d ss h o r tm e s s a g e s t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fas h o r tm e s s a g e c e n t e ra r er e p o r t e di nt h i sp a p e r t h es h o r tm e s s a g ec e n t e rm a i n l yi n c l u d e s ：s mp r o t o c o lm o d u l e f o r w a r ds i g n a l m o d u l e ，m a i nm e m o r yd a t a b a s em o d u l e ，s m p pm o d u l ea n ds oo n f i r s to fa l l ，i ti n t r o d u c e s r u n n i n ge n v i r o n m e n t ，f u n c t i o n sa n dk e yt e c h n i q u e so ft h es h o r tm e s s a g ec e n t e ni na d d i t i o n t oi n t r o d u c i n gn 0 7s i g n a l i n gs y s t e m ，i td i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e f o r w a r ds i g n a lm o d u l e s mp r o t o c o lm o d u l ei st h ec o r eo ft h es h o r tm e s s a g ec e n t e r f i n i t e s t a t em a c h i n e ，c l i e n t s e r v e r , s o c k e ta r eu s e di nt h ed e s i g no f t h i sm o d u l e ，a sw e l la sm u l t i t h r e a d si na d d i t i o nt h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r da n di m p l e m e n t sl o g i cp r o c e s sa n dl o g i ct i m e r m o s to ft h es h o r tm e s s a g ec e n t e r su s ec o m m e r c i a ld a t a b a s e ，s u c ha so r a c l ea n ds q l s e r v e r , t os c o r eu s e r i n f o sa n ds h o r tm e s s a g e s as p e c i a l i z e dm a i nm e m o r yd a t a b a s es y s t e m u s e df o rr e a l t i m em e s s a g ep r o c e s si sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i nt h ee a r l yf u t u r e ，t h eu s a g eo f s h o r tm e s s a g ew i l lb em o r ee x t e n s i v e ，e s p e c i a l l yi ne - b u s i n e s sf i e l d t h e r e f o r et h i sp a p e r d e s c r i b e st h es t r u c t u r ea n dd e s i g no fs e v e r a la p p l i c a t i o ns y s t e m sb a s e do ns h o r tm e s s a g e t h es h o r tm e s s a g ec e n t e ra n d a p p l i c a t i o ns y s t e m sp r e s e n t e di nt b i sp a p e rh a v eb e e np u t i n t os e r v i c ei nm o b i l ec o m m u m c a t i o n sn e t w o r k k e y w o r d s ：s h o r tm e s s a g es e r v i c oc e n t e r ：n 0 7s i g n a l i n g ；m u t t it h r e a d s ：f i n i t es t a t e m a o h i n e ：m a i nm e m o r yd a t a b a s e 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 0 前言 0 1 课题背景 从2 0 0 0 年开始，短消息业务在中国得到了广泛的应用。一方面，短消息使广大手 机用户在进入第三代移动通信时代之前就可以提前享受到数据业务，移动梦网、移动 q q 、移动大富翁、手机银行和移动电子商务等基于短消息的业务已经成为手机用户特 别是年轻人的新宠。另一方面，短消息已经成了一只深受运营商、设备制造商和内容提 供商青睐的“金牛”。对深受每用户收入下降问题困扰的移动通信运营商来说，短消息成 为增加收入的有力工具。设备制造商自然不会放过每一个赚钱的机会。处境艰难的各大 门户网站更是从手机铃声和图片下载中获利颇丰。 短消息的存储转发正是通过短消息中心来实现的。短消息中心以标准的协议与移动 通信网络中的其它设备相连接，支持手机发起和接收短消息。短消息中心作为移动通信 网的一个重要组成部分，除了支持移动用户之间的点对点短消息发送外，还通过向服务 提供商开放接口支持相当丰富的增值业务，例如语音信箱消息提示、新闻点播、股票交 易、信息查询等。 0 2 课题来源 “移动通信网络中短消息中心的设计与实现”得到大连理工大学与东方通信股份有限 公司合作项目“c d m a g s m 短消息中心网关开发”的支持。目前，项目已经按合同完成， 短消息中心设备已经取得中国信息产业部的入网证。 o 3 本文开展的主要实质性工作 本文详细介绍了可用于c d m a 和g s m 移动通信网络的短消息中心设计与实现。 ( 1 ) 短消息中心系统总体设计； ( 2 ) 前端信令模块软件总体设计及前端信令模块与协议处理模块接口设计： ( 3 )协议处理模块设计及开发： ( 4 ) 实时内存数据库总体设计及索引部分开发； ( 5 ) 基于短消息的s t kj a v a 卡应用系统、移动电子商务系统和多媒体消息中心的 设计及开发。 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 1 绪论 1 1 短消息中心的主要功能 s m s ( 短消息) 是通过移动网络用手机收发简短文本消息的一种通信机制。s m s 采用存储转发模式，短消息被发送出去之后，不是直接发送给接收方，而是先存储在 s m c ( 短消息中心) ，然后再由短消息中心将短消息转发给接收方。如果接收方当时关 机或不在服务区内，短消息中心就会自动保存短消息，等到接收方在服务区出现的时候 再发送给他。n 】g s m 第一阶段的技术标准最早提出短消息业务1 2 1 。1 9 9 2 年1 2 月，世界 上第一条短消息通过英国沃达丰( v o d a f o n e ) 公司的g s m 网络从一台电脑传递到了一 部手机上门3 。 短消息中心是移动通信网络中的一个重要设备，短消息中心的主要功能是提交、存 储、转发短消息“。一旦接收到主叫提交的短消息，短消息中心就向被叫手机的h l r ( 归属位置寄存器) 查询移动站当前的位置，并将短消息传送给被叫所在的交换中心。 短消息中心需要与网络中的其它设备配合才能实现其功能。所以，下面对移动通信网络 进行简要介绍。 移动通信网络如图所示”“”。 图1 1移动通信网络 f i g u r e1 ，1 t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k m s c ( 移动交换中心) ：负责系统交换管理。控制来自或发往其他电话或数据系统 的通信。 v l r ( 访问定位寄存器) ：该数据库含有一些用户开缶时信息，如手机鉴别、当前所处 的小区( 或小区组) 等信息。通过v l r 提供的信息，m s c 能够将短消息交换到相应的 b s s ，b s s 再将短消息传递到接收方的手机。 h l r ( 归属位置寄存器) ：是移动网络中最重要的数据库，用于存储管理用户的永久 信息和服务记录，帮助把短消息传递给正确的m s c ，还能配合m s c 与h l r 之间的协 议，在接收方因超出覆盖区而丢失报文、随后又可找到时加以提示。 b s s ( 基站系统) ：包括基站控制器和基站收发器，负责通过空中接口向移动站发送 或接收信息。 s m e ( 短消息实体) ：负责接收和发送短消息。可以位于有线电话系统、网站或其 他服务中心内”。 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 1 2 国内外情况 总体来说，目前移动数据业务的应用仍不普及，但呈上升趋势。在未来相当一段时 间内，以短消息服务或w a p 为基础的移动消息业务将持续成为主导的、也是最流行的 移动应用。到2 0 0 6 年，移动消息用户将超过4 1 1 亿。”1 运营商希望尽量提高当前的2 g 网络短消息流量，以维持盈利。具体怎么做昵? 办 法就是向第三方内容供应商开放网络，提供源源不断的相关内容及应用，吸引用户，使 内容和应用服务成为用户日常生活的一都分。4 1 目前s m c 均提供与外界的接口方式。 最广泛应用的协议是s m p p ( s h o r tm e s s a g ep e e rt op e e r ) 。通过s m p p 通信服务接口， 可以向用户提供许多应用，为开展新业务提供了广阔的前景。1 。w a p 为用户提供的是基 于s m s 之上的业务和协议，是s m s 的市场推动器，随着w a p 业务的增加，网络中的s m s 流量也会随之明显增加”。 短消息的下一个演化版本是e m s ( 增强消息业务) ，能够支持发送很长的信息，包 括文本、简单音乐、普通黑白图片以及某些动画。e m s 在存储转发机制、信道及实现 方式等方面与短消息一样，所以不需要升级当前的网络基础设施。e m s 只是s m s 向 m m s ( 多媒体消息业务) 演化的一个过渡版本，m m s 将支持移动图像、卡通、交互式 视频等多媒体信息，可以把文本、声音、图像、视频等集成在一起，通过手枧发送电子 贺卡、邀请函、屏保、商业卡片等。“”m m s 不仅需要专用的数据信道，还需要对网络 基础设施进行升级增加新的多媒体短消息中心“。 国际上一些著名的信息设备制造商，都推出了自己的短消息中心。市场占有率较高 的厂家包括美国康维、l o g i e a 、c m g 、s e m a 、诺基亚、摩托罗拉、爱立信等等。国内的 华为、中兴、深讯等公司也开发了短消息中心并已经投入中国市场。国产短消息设备由 于开发起点较高，产品从设备架构、业务提供到升级费用等都比较切合中国运营商的需 求，因此，国产短消息设备已呈后来居上之势。中兴通讯的短消息中心z x g l 0 - - s c 可 同时支持g s m 与c d m a 两种网络。除满足短消息的基本业务功能外，还可提供股票信 息查询、移动银行、移动证券交易、g p s 、超级寻呼、1 7 0 8 6 8 语音方式接入短消息查 询等丰富的增值业务。”国产短消息设备较有代表性的是华为公司的m 9 0 0 m 1 8 0 0 i n t e s s 短消息中心。单模块具有3 0 0 条秒短消息的发送能力，系统同时支持多模块处理， 4 模块达到1 2 0 0 条秒的短消息处理能力。针对短消息业务的不断发展，提供开放、标 准的对外接口，实现“易接入”的平台特性。另外，该系统还提供不少于5 0 0 个s m p p 接 口，今后业务拓展没有后顾之忧。美国康维科技有限公司2 0 0 2 年发布了3g 智能短消 息服务中心( i s m s c ) 。它通用性强，容量可扩展，并能对短消息应用系统开放。这一 开放性也适用于g p r s 、3 g 、全i p 网络，以及其它新兴技术。ismsc 容量可按新 一代短消息服务的需要逐渐添加如增加图形传输和移动交易功能，从而提高运营商利 润和客户满意度。i s m s c 采用分布式结构，可安装在局一网络的多个地点。接入系统的 所有用户、管理人员及外部应用系统供应商，都能对短消息系统的添加和扩容一目了然 ( 1 4 j 最初的短消息中心多采用七号信令板卡插入工控机的形式，处理能力有限。而且由 短消息中心自己提供增值业务，没有提供开放的接口。从2 0 0 0 年开始，随着交换机制 造商的介入，开始采用具有强大处理能力的交换机的七号信令平台。并且对外提供开放 移动通信弼络中短消息中心的设计与实现 的s m p p 接口，支持第三方业务开发“。因为中国的运营商同时采用了g s m 和c d m a 两种移动通信制式，因此提出了对综合短消息中心的需求。要求短消息中心可以同时支 持两种制式，运行在两个网络中“。 短消息中心的处理能力和转发时延在很大程度上受到数据库访问速度的影响。数据 库理论与技术的发展极其迅速，其应用日益广泛，在当今的信息社会中，它几乎无所 不在。以关系型为代表的三大经典( 层次、网状、关系) 型数据库在传统的( 商务和 管理的事务型) 应用领域获得了极大成功。然而它们在现代的( 非传统) i 程和时间关 键型应用面前却显得软弱无力，面临着新的严峻的挑战，由此而导致了实时数据库( r e a l t i m ed a t a b a s e ，r t d b ) 的产生和发展。”但是，传统的数据库系统旨在处理永久、稳 定的数据，强调维护数据的完整性、一致性，其性能目标是高的系统吞吐量和低的代 价，而根本不考虑有关数据及其处理的定时限制，所以，传统的数据库管理系统( d b m s ) 不能满足这种实对应用的需要。近年来，r t d b 已发展为现健数据库研究的主要方向之 一受到了数据库界和实时系统界的极大关注。国内的研究起步稍晚，基本上是在1 9 8 0 年代末、1 9 9 0 年代初才开始，但发展很快，目前已有成功的实验系统，但尚未形成正 式产品。传统的磁盘数据库的操作是受i o 限制的其i o 的时间延迟及其不确定性对 实时事务是难以接受的，因此，r t d b 中数据存储的一个主要问题就是如何消除这种延 迟及其不确定性，这需要底层的“内存数据库”支持，因而内存缓冲区的管理就显得更为 重要。这里所说的内存缓冲区除内存数据库外，还包括事务的执行代码及其工作数据等 所需的内存空间i l g l 。在移动通信系统中，为了满足系统移动应用部分( m a p ) 对事务 处理的实时需求，需要采用内存数据库供协议处理。同时为了提高系统的容量以及数据 的安全与完备性，需要采用高性能商用数据库管理系统。1 随着移动通信的发展，已经 有人提出用于移动通信系统的专用实时内存数据库。 短消息中心的发展趋势是处理能力增强、时延减少、容量增大，业务更加丰富多彩。 瞳”本文实现的短消息中心对交换机进行改造得到通用信令平台，将其作为前端信令模 块，采用模块式结构，支持平滑扩容，处理能力强大，单模块可以处理3 0 0 条消息，秒， 并可根据需要扩展至8 个模块。根据操作系统的原理和有限状态机理论设计实现逻辑进 程，设置定时管理模块，用一个物理定时器产生足够多的逻辑定时器，以满足系统的需 要。同时支持g s m 和c d m a 网络协议，支持两种协议之间的转换。采用专用实时内存 数据库，满足了短消息业务发展对短消息中心的要求。为应用系统提供标准接口，在短 消息中心开发成功的基础上开发了多个应用系统。 本文为非连续性课题，与以前研究生的研究课题无关联。 4 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 2 系统总体设计 2 1 系统总体结构 图2 1 短消息中心系统总体结构 n g u r e 21 t h es n u c t u r es m c 系统总体结构如图2 1 所示。 f s m ( 前端信令处理模块) ：采用可以应用于交换机的通用七号信令处理平台，完成 系统七号信令各层的处理工作。 s m p m ( 短消息协议处理模块) ：主要实现基于移动应用部分的有关协议处理，实现 短消息的接收，存储、转发、自动重发、用户数据管理、短消息数据管理等核心业务功 能。 m m d b ( 内存数据库模块) ：用来存储待发短消息队列，主要满足短消息系统对于 大容量、实时处理能力数据库的要求。 s m p p ( 短消息点对点协议模块) ：负责对外部的e s m e 提供接入短消息系统的标准 接口，支持s m p p v 3 4 ，向下兼容s m p p v 3 3 ，从而方便运营商扩展新业务。 o m m ( 操作维护模块) ：完成网管功能，包括管理、统计和告警等。 e s m e ( 扩展短消息实体) ：可以发送短消息的实体，包括移动用户、固定用户、语 音信箱、寻呼中心、信息点播平台、i n t e r e m 网络及其他业务系统。 其中f s m 、s m p m 、m m d b 、s m p p 和o m m 和都是短消息中心系统的组成部分， 因为s m p p 模块采用原有软件，o m m 由其他人完成，因此本文只实现前三个模块并根 据s m p p 模块的需要提供接口。 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 2 。2 系统运行环境 2 2 1 支持软件及环境 w i n d o w 2 0 0 0a d v a n c e ds e r v e r v x w j r k s v c 6 o d e l p h i 6 0 t o m a d o s q la d v a n c e ds e r v e r 2 2 2 硬件设备环境 d l3 8 0 服务器三套 p c 机若干台 七号信令板，根据系统容量配置 电源板p o w ，根据系统容量配置 中继驱动板) r p ，根据系统容量配置 中继板d t 4 p i i ，根据系统容量配置 2 3 短消息中心实现的功能 2 3 1 基本功能 ( 1 ) 短消息提交 接收手机提交的短消息，检查主叫用户或者被叫用户以及业务能力。 接收e s m 巳提交消息，确认被叫用户以及业务能力。 ( 2 ) 短消息目的地址查询 对于发送到手机的短消息，查询h l r 获得被叫目前所在的服务m s c 地址。 对于被叫是e s m e 的消息，通过分析s m p p 路由表，获得被叫地址信息( i p + 端口号) 。 ( 3 ) 短消息发送 对于发送到手机的短消息，根据短消息地址将消息发送到被叫服务m s c 。 对于被叫是e s m e 的消息，根据i p 地址以及端口号，将消息发送到正确的目的地。 ( 4 ) 短消息的存储 对于用户提交的短消息，短消息中心要存储下面的信息：业务类别、消息内容数据 编码及长度、短消息提交时间、短消息有效期、短消息优先级、短消息保密级、回复选 项是否需要状态报告是否需要用户回复、短消息预约发送时间、短消息处理时间( 发送 或者删除) 、语音信箱中的消息数、回复号码、计费指示，主叫和被叫用户号码、应用 类别( 手机发起) 、手机接收以及广播等) 、信息来源( 发起方为移动台、人i 自动台或 其他扩展短消息实体) 、消息发送状态、消息发送失败原因。 6 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 2 3 2 附加功畿 ( 1 ) 重复转发尝试 对于未发送成功的短消息短消息中心可进行两种重复转发尝试：在得到h l r 通知 时，短消息中心重复转发短消息；或者根据不同失败原因设定不同的重复转发时间间隔， 自动重复转发短消息。 ( 2 ) 消息有效期 不同优先级的短消息，短消息中心给予不同的缺省、最大有效期，而且优先级越高， 对应的有效期越长。如果提交短消息时有效期超过最大值，则修改为对应级别短消息的 最大有效期：如果没有给定有效期，则设定为对应级别短消息的缺省有效期。当消息超 过有效期时，短消息中心不在转发该消息，消息状态标记为超过有效期。 ( 3 ) 短消息优先级 系统支持多种优先级别的短消息的操作处理，如果用于c d m a 网络包括n o r m a l i n t e r a c t i v eu r g e n t i e m e r g e n c y ，如果用于g s m 网络则包括更多优先级。在向移动台投 递不同优先级别的短消息时，短消息中心进行如下的策略：高优先级消息应首先发送优 先于低优先级消息：高优先级消息尝试转发的频率高于低优先级短消息，有效时间也 长于低优先级短消息。 ( 4 ) 短消息状态报告 短消息中心可以根据短消息的发送状态、系统的配置以及主叫用户的选项，向主叫 用户( 包括m s 以及e s m e ) 报告发送状态，包括下面三种情况：短消息成功发送、短消 息发送永久失败、短消息发送暂时失败。 ( 5 ) 虚拟短消息中心 在建网初期多个移动本地网可共用一个短消息中心实体该业务中心占有多个号码虚 拟短消息中心能够支持不少于1 0 0 个的短消息中心号码。 ( 6 ) 支持汉字短消息业务的能力 短消息中心支持编码方案g b l 3 0 0 0 ，短消息中心支持移动台至移动台汉字短消息业 务的透明传输。 ( 7 ) 支持预约短消息 短消息中心支持预约的短消息，可以在用户指定的时间转发短消息。但是时间不能 超过系统的最大有效期，也不能超过该短消息的有效期，否则系统将拒绝该条消息。如 果提交的预约短消息没带有效期，而且预约时间超过系统的缺省有效期，系统将该条消 息的有效期设置为预约时间。 2 3 3 网管功能 ( 1 ) 计费 短消息中心将短消息历史数据存入数据库，可以根据计费中心的要求形成本地话单 文件，并对计费中心提供f t p 接口，以获取话单文件考虑到安全原因，所有话单文件 要求保存一周。数据库中的短消息历史数据根据配置，定期删除。系统提供原始话单的 本地操作( 主要是查询、备份等工作) 。 移动通信网络中短消息中心韵设计与实现 ( 2 ) 系统数据管理 系统数据管理包括系统参数查询、修改以及删除等功能。 ( 3 ) 短消息用户管理 短消息中心支持用户开户( 批开户) 、用户销户、修改用户以及查询用户的功能。考 虑到短消息用户的安全问题，系统支持短消息用户数据的备份、恢复功能。 ( 4 ) 短消息管理 系统短消息管理包括三部分：待发短消息队列管理、短消息历史数据以及话单管理 和短消息查询。 ( 5 ) 系统安全管理 系统引入操作员角色概念，按照角色对操作员的操作权限进行分类。操作员管理提 供新增、更改、查询和删除操作员等相关功能，通过将操作员和不同的角色相关联来分 配其系统的操作权限。具有不同操作权限的操作员登录系统后。将只能够看到其操作权 限范围内的操作界面，因此能够有效地防止系统的非法侵入和越权操作，保证系统使用 的安全性。其中，每一角色又分成三个权限级别，低权限用户只能进行查询，而不能进 行修改，添加和删除等操作高优先级可以进行所有的修改，添加和删除操作。 ( 6 ) 系统连接信息管理 主要包括系统连接的外部e s m e 以及系统内部各个实体之间连接情况。 ( 7 ) 统计 系统提供m a p 统计、m m d b 操作统计、资源利用统计、短消息统计以及e s m e 统 计。 ( 8 ) 系统日志管理 日志主要包括系统操作日志，记录操作员使用系统过程中的所有操作流水帐进行记 录，并提供相关查看、排序、删除、打印记录以及日志文件转存等功能，从而对操作维 护系统的整个使用情况进行跟踪。 2 4 系统设计思想 ( 1 ) 提高系统的处理能力以及吞吐量 短消息业务特点对于系统的处理能力以及吞吐量提出较高的要求，为了满足这个要 求，系统设计时在两个方面给予保障：其一，七号信令接入系统采用可用于交换机的通 用信令平台，可以根据业务量进行灵活配置，最大可以支持5 1 2 个l i n k ，这保证了系 统底层具有较高的吞吐量：其二，对于上层协议处理程序，采用了多线程处理技术，并 且设计了实时内存数据库，以提高系统的处理能力。 为了采用多线程处理技术。将系统中相对独立韵功能以线程的方式实现，尽量使得 它们可以并行。这样所有的子系统都可以采用多线程处理技术，它能够充分利用c p u 资源，特别是s m p 环境下，独立的线程可以运行在不同的c p u 上，极大的提高了系统 处理能力。上层处理程序都是采用消息驱动的方式，均可以简化为下面的模型，即程序 的结构可以分成三部分，它们之间通过消息缓冲区发生联系：消息接收，负责从多个外 部实体接收消息( 信令消息、操作维护消息等) ：消息处理，负责处理接收的消息；消 息发送，负责将系统处理过的消息发送到相应的实体。 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 ( 2 ) 采用实时内存数据库 采用实时内存数据库，是为了保证系统具有较高的处理能力。由于短消息中心要实 现存储转发以及定时转发的功能，系统对于短消息的访问，包括查询、删除以及插入等 操作，是完全随机的没有任何规律，彼此之间也没有任何联系，而商业数据库是通用 的数据库，如果采用商业数据库，系统将频繁的访问磁盘，处理能力将大大降低，不能 满足对于系统处理能力的需求。因此，我们设计的专用的内存数据库，系统所有的数 据都在内存中，对数据的访问都经过优化( 采用h a s h 技术建立索引) ，考虑到安全性， 内存数据库仅在必要时，写入磁盘介质，以防止系统故障原因重启而导致数据丢失。内 存数据库中的数据，包括两部分内容，其一是短消息用户数据，用于对用户身份、业务 能力进行鉴权：另一部分是待发短消息队列。一般，内存数据库以及负责协议处理的模 块放在同一台机器上，这样极大的提高了系统的处理能力。 对内存数据库的短消息记录采用h a s h + 队列建立索引，并通过实际测试验证了其 效率。 ( 3 ) 采用有限状态机和逻辑进程 有限状态机是协议处理的有效机制，只要把握消息处理状态以及不同状态之间的变 迁条件，整个协议处理将变得简单、易于实现。逻辑进程是f s m 的实现，在逻辑进程 中，记录了f s m 的状态以及相应的数据，逻辑进程通过消息机制驱动，当收到消息后， 改变f s m 的状态，记录相关的协议数据，并且根据不同的情况进行处理。逻辑进程不 同于操作系统的进程，主要在于它不拥有自己的c p u 资源，不参与操作系统的调度。 ( 4 ) 采用逻辑定时器 短消息业务的特点决定了系统需要大量的定时器，操作系统提供的定时器资源远远 不能满足系统的需求。为此，我们通过一个物理定时器来实现大量的逻辑定时器以满足 程序需要定时器管理模块负责创建定时器扫描线程，监视所有创建的逻辑定时器，当定 时器到期后，向定时器的创建者发送预定义的消息。 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 3 前端信令模块的设计与实现 移动通信网络的各设备之间需要通过标准的协议来进行通信，互相配合才能完成网 络的各项功能。移动通信协议的最底层是七号信令，因此短消息中必须具备七号信令处 理能力，本系统由前端信令模块提供这部分功能。前端信令模块是对交换机的进行改造 而得到的通用信令平台，处理能力强大，可扩展性强。 本章首先简要介绍七号信令，在此基础上详细介绍前端信令模块的硬件和软件设计。 3 1 七号信令简介 七号信令系统是目前通信领域应用最广的信令系统。七号信令网通过数据包发送消 息，这些消息包括呼叫建立消息、电路管理消息、网络管理消息、数据库访问消息或远 端功能调用消息。呼叫建立也包括数据库的访问，比如由被叫号码查找路由信息。s s 7 ( 七号信令系统) 信令网提供消息汇接功能，能根据数据库中地址把消息发往相应的地 方。有些消息用于维持s s 7 信令网的连接和运行，比如：网络某部分链接中断时的路由 重选消息。 协议是通过网络传送数据的规则集合。s s 7 协议的分层方法没有和o s i ( 开放业务 互连) 七层模型取得一致，只提出了4 个功能层的要求。这4 个功能层如下： 物理层：就是底层，具体是d s 0 或v 3 5 。 数据链路层：在两节点间提供可靠的通信。 网络层：提供消息发送的路由选择。 用户部份应用部份：就是数据库事务处理，呼叫建立和释放。 图3 1 图示了s s 7 信令协议栈o “： 图3 1 七号信令协议栈 f i g u r e3 1p r o t o c o ls t a c ko fn 0 7s i g n a li n g m t p l ( 消息传递部分第一层) m t p l 是s s 7 协议栈申的最底层，对应于o s i 模型中的物理层，这一层定义了数字 链路在物理上，电气上及功能上的特性。 m t p 2 ( 消息传递部分第二层) m t p 2 确保消息在链路上实现精确的端到端传送。m t p 2 提供流控制，消息序号， 差错检查等功能。当传送出错时，出错的消息会被重发。m t p 2 对应o s i 模型中的数据 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 链路层。 m t p 3 ( 消息传递部分第三层) m t p 3 在s s 7 信令网中提供两个信令点间消息的路由选择功能，m t p 3 还提供一些 网管功能的支持，包括：流量控制，路由选择和链路管理。m t p 3 对应o s i 模型中的网 络层。 s c c p ( 信令连接控制部分) s c c p 位于m t p 之上，为m t p 提供附加功能，以便通过s s 7 信令网在信令点之间 传递电路相关和非电路相关的消息，s c c p 以全局码( g t ) 的形式扩展s s 7 协议的寻址 能力和路由能力，这些扩展基于被叫号码的寻址信息。 t c a p ( 事务处理应用部分) t c a p 允许应用调用远端信令点的一个或多个操作，并返回操作的结果。比如：数 据库访问或远端调用处理命令等。使用s c c p 无连接业务( 基本的或有序的) ，t c a p 在 两个用户应用之间提供事务处理对话。 g s m 网络使用了丌u 所制定的七号信令规范“，c d m a 网络使用了a n s i ( 美国 国家标准化委员会) 制定的七号信令规范。1 。两者的m t p 和s c c p 部分基本相同，t c a p 部分的功能也基本相同，但有一些区别。本系统通过配置不同的软件模块可以支持i t u 和a n s i 的七号信令规范。 3 2 前端信令模块的硬件设计与实现 前端信令模块包括数字中继、交换网络、七号接口和控制单元等，其结构如图3 , 2 所示。 至协议处理模块 图3 2前端信令模块硬件结构 f i g u r e3 2h a r d w a r eo ff s m 数字中继：与七号信令网的2 m 信令线路连接，提取其中信令链路的数据经交换网 络传送到七号接口电路。中继接1 3 完成的功能包括码型变换、时钟提取、同步、信令提 取等。数字中继接口采用m i t e l 公司的m t 9 0 7 5 芯片。 交换网络：把数字中继接口提取的信令传送到七号接口，交换网络采用m i t e l 公司 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 的m t 9 0 8 0 芯片。 七号接口：完成七号信令系统的信号数据链路功能，也就是m t p 2 层的功能。其主 要功能包括信号单元的定界和定位，差错检测和信息提取。七号接口采用 s a b 8 2 5 2 5 h d l c 控制器。 控制单元：完成七号信令m t p 3 以上部分的处理，包括解码和过滤通过以太网与中 心监测子系统通信。控制单元c p u 采用h a t e 的p 5 1 3 3 m h z 和p 5 1 6 6 m h z 。 3 3 前端信令模块的软件设计与实现 3 3 1 软件结构 m t p l 和m t p 2 的功能分别由数字中继和七号接口完成，控制单元完成其它层的协 议处理。 圆圈田 图3 3 前端信令模块软件结构图 f i g u r e3 3s o l i w a r eo f f s m 控制单元的软件结构如图3 3 所示： m t p 3 模块：完成m t p 3 层消息的处理。 s c c p 模块：完成s c c p ( 信令连接控制部分) 层消息的处理。 t c a p 模块：完成t c a p ( 事务能力应用部分) 层消息的处理。 信箱模块：各模块之间通过消息进行通信，每个模块把待发送的消息写入自己的发 送信箱，从自己的接收信箱读取消息。消息包括消息类别码、消息种别码、消息接收者 标识、消息发送者标识、消息体长度和消息体。信箱模块从每个模块的发送信箱取消息， 根据消息的目的地把消息写入相应模块的接收信箱。 定时器模块：在七号信令处理中需要大量的定时器。而硬件和v x w o r k s 2 3 1 1 2 4 操作系 统提供的物理定时器不能满足要求，所以要设置定时管理模块，用一个物理定时器产生 足够多的逻辑定时器，以满足程序的需要。使用者创建定时器向定时器模块发送消息， 定时器模块根据消息把定时器结点加入不同分辨率的定时器队列。一个v x w o r k s 任务 定时器管理任务管理分辨率分别为5 m s 、l o o m s 和1 s 三种定时器链表，当物理定时器的 5m s 定时到时，遍历分辨率分别为5 m s 的定时器链表，如发现到期的定时器回发消息 到定时器的创建者。为了遵守单点控制原则，定时器到期时，定时器管理模块不自动释 1 2 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 放定时器，而由进程自己释放它。当物理定时器的l o o m s 和l s 秒定时到时，分别遍历 分辨率为l o o m s 和l s 的定时器链表，发现到期的定时器。 网络通信模块：利用v x w o r k s 的s o c k e t 编程接口和t c p f l p 协议栈完成中心监测系 统前端监测系统之间的通信。采用v x w o r k s 的多任务机制，包括一个接收任务，一个 发送任务。 用v x w o r k s 的消息队列实现任务之间的通信，采用计数信号量和互斥信号量实现任 务间同步。接收任务监听s o c k e t 端口，把从网络接收到的消息写入系统接收缓冲区。发 送任务读取系统发送缓冲区中的消息，通过s o c k e t 端口发送出去。 资源管理模块：因为在七号信令处理中需要大量的进程，所以在v x w o r k s 的基础上 使用了虚拟的逻辑进程，由应用软件自己对进程控制区和进程数据区进行管理。从层次 上讲，资源管理模块是操作系统的一次扩展。 3 3 2 系统工作机制 总的说来，前端信令模块的程序就是一个消息处理机，即不停地取消息、处理消息。 除此以外，还要进行任务的调度和c p u 负荷的统计。系统首先进行初始化，创建消息 队列和任务间的同步对象，创建s o c k e t 用于与外部实体的通信，创建发送任务、接收任 务和定时器扫描任务。然后，轮流进行各模块的处理。前端信令模块主程序的框架如下 所示： i n tm a i n ( ) i n i t i a l i z e s y s t e m ( ) ；系统初始化 f o r ( ：；) 循环 m t p 3 f u n c t i o n 0 ； s c c pf u n c t i o n ( ) ； t c a p f u n c t i o n o ； 其它模块的处理函数 ， 3 4 前端信令模块的处理能力和扩展 从前面的讨论得知，f s m 中交换软件的工作过程就是一个收集消息、处理消息、收 集消息、处理消息这样无限循环往复的处理过程。可以认为，c p u 的精力都花在消息处 理上。c p u 处理能力是否够用，就是要看在指定的时间间隔内，如1 分钟，c p u 是否 能把所有到达的消息都处理完。为了能给f s m 中的c p u 处理负荷作较为正确的估计， 首先需要测试c p u 的运行速度，然后还要计算处理短消息所要处理的消息条数，最后 再根据每条消息所耗费的机器指令数计算出总的指令数，从而给c p u 的处理负荷作定 量估计。 首先用下面的测试程序用来测量c p u 的运行速度： 移动通信网络中短消息中心的设计与寰现 第1 步：把累计变量清零，即c o u n t ：= 0 ； 第2 步：取当前时刻到t 中： 第3 步：把一次加法( a d d ) 、一次减法( s u b ) 、一次跳转( j m p ) 组成的指令组 执行1 0 0 0 0 次； 第4 步：c o u n t ：= c o u n t + 1 0 0 0 0 ； 第5 步：读取当前时刻并与t 比较，若不足l o 秒就转第3 步，否则继续： 第6 步：测出的指令执行速度是f 3 c o u n t y t 0 条秒。 在上面的测试程序中，选择了使用频率最多的三种指令，加、减和跳转，这会使得 测试结果比较接近实际值。另外，用展开的方式对指令组进行重复1 0 0 0 0 次计算，省去 了额外的判断操作，提高了测试精度。 上述程序分别在p 5 1 3 3 m h z 和p 5 1 6 6 m h z 的机器上运行，其测试结果如下： p 5 1 3 33 2 0 0 万条指令秒 p 5 16 64 0 0 0 万条指令秒 假设f s m 每秒需要转发3 0 0 条短消息，转发每条短消息需要处理三条消息，每秒钟 需要处理9 0 0 条消息。按照经验数据，处理每条消息大约需要耗费5 0 0 0 条机器指令( 大约 5 0 0 行c 语句，) 。这样每秒需要处理的指令数是4 5 0 0 0 0 0 ，仅占p 5 1 3 3 处理能力的1 4 ， 再放宽一倍也只占不到3 0 。 以上介绍的是一个f s m 模块，根据实际需要还可以在系统中采用多个模块，最多可 以有8 个，处理能力可以达到2 4 0 0 条短消息，秒。 移动通信网络中短消息中心的设计与实现 4 短消急中心协议处理模块的设计与实现 短消息中心协议处理模块是短消息中心系统的核心，主要功能是完成m a p 协议处 理。本模块采用w i n d o w s2 0 0 0 操作系统下的多线程编程，与其它模块通过s o c k e t 通 信，线程间的通信采用自己设计的消息队列。将有限状态机和本文设计的逻辑进程用于 协议处理，根据协议处理的需求，设计并实现了逻辑定时器，将词法分析用于协议消息 的打、解包。 本章首先简要介绍在设计中用到的技术和理论以及c d m a 网络和g s m 网络与短消 息业务有关的协议，然后对系统的软件设计进行详细介绍，最后对逻辑进程、逻辑定时 器、消息队列、协议状态图以及打、解包算法等进行重点介绍。 4 1 相关理论和技术基础 4 。l 。l 操作系统原理 操作系统是对计算机中的所有资源进行高效管理的系统软件，是用户和计算机之问 的接口 2 5 1 。操作系统的主要功能包括处理机管理、存储器管理、设备管理和文件管理。 操作系统对处理机( c p u ) 的管理是操作系统中最重要、最复杂的部分。对于支持多进 程的操作系统来说，对处理机的管理就是通过对进程的控制来实现的。进程是程序的一 次执行。在结构上包括程序、数据集和进程控制块( p c b ) 。其中程序描述了进程要完 成的功能，而数据集合则为一个进程所独有，程序和数据集是进程存在的物理基础，是 进程的实体。进程控制块包含了进程的控制信息和描述信息，是进程动态特性的集中反 映，它和进程是一一对应的，操作系统正是通过对p c b 的管理来实现对进程的管理。 当系统创建一个进程是就为其分配一个p c b ，进程完成时，系统收回p c b 。通常在p c b 中都存有进程的名称、状态和资源占有等有关信息。为便于管理，p c b 在系统中一般是 以队列或者表的形式存在的。 对于同一个程序，它又可以分成