（计算机系统结构专业论文）基于corba的分布式车辆定位系统的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着网络和通信技术的不断发展和成熟，以及美国政府放宽对g p s 技术民用 的限制，车辆的跟踪定位的主要技术都已能满足实际应用的要求。运用现有的先 进思想和技术开发出一个实用的车辆监控系统就是我们努力的方向。 传统的开发方法隐含有一些弊端，因为它们开发的是一个独立且封闭的系统， 缺乏扩展性和适应性，很难适应变化的外界环境，系统的更新和维护的代价都很 高。为此，我们把面向对象的思想和基于组件的c o r b a 模型融合到我们所开发的 系统中，使之一开始就具有良好的开放性和扩展性，以保证它具有强大的生命力。 我们在网络中构造出的一系列分布式的组件，通过c o r b a 总线进行交互，通 过通用的接口互访。每个组件都隐藏了自己实现的细节，彼此间相互独立，只在 需要对方服务的时候才会建立起联系。根据数据的获取、存储、利用的三个过程， 我们对各组件的设计和实现过程进行了详述。4 l 、在数据获取的过程中，我们对无线通信方式进行了研究和比较，采用了适合 车辆定位信息的实时性和突发性的特点c d p d 通信网络来传输数据，在研究了它的 通信原理和协议的基础上，确定了通信单元数据传递的机制和实现过程。在数据 存取过程中，我们采用三层数据库访问结构实现了客户端和数据库的隔离，减轻 了网络通信负载和数据库的负担。我们针对应用中的实体，建立了面向对象的数 据模型以建立面向对象的系统。为了实现车辆定位，我们提出并实现了了在j p e g 和位图格式的地图上进行车辆定位的方法。最后，研究讨论了地图数据的获取方 式和过程。 。x 关键字：车辆定位：c o r b a ；c d p d 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n ，a l s ow i t h t h el o o s e n i n go ft h el i m i t sf o rp u b l i cu s e so ft h et e c h n o l o g yo fg p sb yt h ea m e r i c a n g o v e r n m e n t ，m a j o rt e c h n o l o g i e sf o rl o c a t i n gv e h i c l e sh a v ec o m e t os a t i s f yt h em e e t so f t h ev e h i c l el o c a t i o n a p p l i c a t i o n s w e a r e a p p l y i n g af e wa d v a n c e di d e a sa n d t e c h n o l o g i e st od e v e l o ps u c has y s t e m t h e r ea r es o m ew e a k n e s sh i d d e ni nt h e s y s t e m sd e v e l o p e db yt h et r a d i t i o n a l m e t h o d s b e c a u s e t h e y a r e s t a n d i n ga l o n e ，o c c l u d e ds y s t e m s 。t h e y l a c kt h e e x t e n d i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t i e si naw a y t h a t sd i f f i c u l tf o rt h e m t oa d a p tt h ec h a n g i n g e n v i r o n m e n ta n dt h ec o s to fe n h a n c e m e n ta n dm a i n t e n a n c ei sv e r yh i 曲s ow eh a v e a p p l i e dt h eo b j e c t o r i e n t e di d e a sa n dc o r b a b a s e d i n 厅a s t r u c n l r ei no u rs y s t e m f r o m t h eb e g i n n i n g ，i th a ss u c haw i d eo p e n n e s sa n de x t e n d i b i l i t yt h a ti ti s g u a r a n t e e dt o h a v eg r e a tv i t a l i d e si nt h ef u t u r e w eh a v ed e v e l o p e das e r i e so f c o m p o n e n t si nt h en e t w o r k ，c o o p e r a t i n go nt h e b a s eo fc o r b a i n f r a s t r u c t u r e t h e yu s et h ec o l l i d _ o ni n t e r f a c e st oa c c e s se a c ho t h e r a n dh i d et h ed e t a i l so fi m p l e m e n to ft h e i ro w n s ot h e ya r ei n d e p e n d e n te a c ha n d e s t a b l i s har e l a t i o n s h i p o n l yw h e nt h e yn e e dt h e s e r v i c e s p r o v i d e db yt h e o t h e r s a c c o r d i n gt o t h ec o u r s e so fd a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r i n ga n du s i n g ，w ed e s c r i b et h e f u n c t i o n so f t h e c o m p o n e n t sa n d t h ec o u r s e so f r e a l i z a t i o n d u r i n gt h ec o u r s eo fd a t aa c q u i s i t i o n ，w ec o m p a r et h ew a y so fc o m m u n i c a t i o n ， a n dc h o o s et h ec d p dc o m m n n i c a t i o nn e t w o r kt ot r a n s f e rt h eo u tb u r s t i n gi n f o r m a t i o n f r o mt h ev e h i c l ei nr e a lt i m e a f t e ra n a l y z i n gi t sp r i n c i p l ea n dp r o t o c o l ，w ee s t a b l i s h t h em e c h a n i s mo fd a t at r a n s f e ra n dt h ec o u r s eo fi m p l e m e n t i nt h ec o u r s eo fd a t a s t o r i n g ，w ea p p l yt h et h r e e - t i es t r u c t u r eo fd a t a b a s ea c c e s s i n ga n di n s u l a t et h ec l i e n t f r o mt h ed i r e c ta c c e s st ot h ed a t a b a s e ，s oa st o l i g h t e nt h el o a do ft h en e t w o r ka n d d a t a b a s es e r v e r t oe s t a b l i s ht h e o b j e c t - o r i e n t e ds y s t e m ，w et r y t oc o n s t i t u t ea o b j e c t - o r i e n t e dd a t a b a s em o d e l ，a n dg i v ead e m o n s t r a t i o no ft h ee n t i t yo fv e h i c l e t h e m a i np u r p o s et ou s ei n f o r m a t i o no fv e h i c l ei st ol o c a t et h ev e h i c l es ow eg i v ean e w m e t h o dt ou s et h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n i ts h o w st h ev e h i c l e sl o c a t i o no nt h eb i t m a po r i i 华中科技大学硕士学位论文 j p e gm a p f i n a l l y , w ed i s c u s st h ew a ya n dt h ec o u r s eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nf o rt h e m a p b a s e do nc o r b a ， k e y w o r d s ：v e h i c l el o c a t i o n ；c o r b a ；c d p d h i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 随着我国城市建设规模的扩大，车辆日益增多，交通运输的经营管理和合理调 度，车辆的指挥和安全管理已成为一个受到广泛关注的问题。据公安部门反映，9 3 年以来，全国汽车被盗、被抢案件每年以2 6 的发案率递增。这严重危害了人民 生命财产的安全和社会安定。打击犯罪的工作将是艰巨复杂和长期性的，除了公 安部门尽力搞好社会治安外，还应依靠全社会的力量搞好社会治安防范，使犯罪 份子无机可乘。应用高科技技术实现对车辆的监控，可以有效的加强对车辆的调 度管理及防盗防劫；同时，交通阻塞，能源浪费，环境污染也是许多大城市共同 面l 临的并亟待解决的问题。我们的研究课题将会对这些问题的最终解决产生有力 地推动作用。 我们正从事研究的车辆定位监控系统( v l m s ) 有着广泛的服务对象，可服务于公 安、武警、消防、邮政、出租车公司、保险公司、国宾车队、银行运钞队，医疗急 救车、重要物资运输车以及汽车制造公司等。所提供的服务包括：车队就近调遣， 车辆位置监控，信息发布，路况报告，提取信息，预定服务，防盗报警等。总之， 该系统不仅能够对车辆进行定位追踪，提供车辆的实时位置信息，有效地打击罪犯 利用车辆从事的犯罪活动，进而还实现了车辆和道路的智能化，创造出安全快速的 道路交通环境。所以我们的课题不仅具有广泛的社会意义还能产生无法估量的经济 效益。 1 2 国内外概况 美国在6 0 年代末就研究开发了电子导航系统e r g s ( e l e c t r o n i cr o u t e g u i d a n c es y s t e m ) ，中断研究2 0 多年之后，发现欧盟、日本致力于研究高新技术 改善道路交通状况取得了明显效果，且冷战后美国的许多军用高新技术可转向民 用。于是在1 9 8 9 年提出了长达3 0 年的智能车辆道路系统i v h s ( i n t e l l i g e n t v e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ) 高科技战略研究计划。前2 0 年投资3 0 0 亿美元，众多 部门投入了这项研究。i v h s 被认为可以促进全国交通运输业和汽车工业的发展、 并且现有路网将被有效利用。旅行者的出行将更安全、舒适、方便、通畅，能源 将大大节约，环境将得到改善。一条自由化的交通公路可以提高通行能力的3 - - 4 华中科技大学硕士学位论文 倍，并可避免各种碰撞事故，若单就降低交通拥挤损失及产品市场效益两项来计 算，3 5 0 亿美元的经费一年就可收回。 目前，世界上已形成北美( 美，加两国参加) ，欧盟( 1 9 国参加) 和日本( 单 独进行) 三大研究集体。每个研究集体都组织了上百个跨部门的企业、高校和研 究机构，积极进行各项子系统的研究开发。预计在2 l 世纪初实现智能车辆道路系 统运行。 我国的g p s 车辆调度指挥系统正蓬勃发展，尤其在公安、金融部门和公交系 统中应用最为广泛。先后兴建了上海的“9 8 1 路g p s 公交定位系统”、福建的“福 建省公众g p s 车辆定位服务系统”。但是，由于我国起步比较晚，国内兴建的g p s 车辆定位导航系统，真正实际使用价值还不高，很多系统只能够提供非常简单的调 度功能”。国内g p s 车辆定位系统主要存在的问题有两个：容量小与实时性差。 从技术角度分析，出现容量小、实时性差的原因主要是传输系统的选用问题。 g p s 车辆定位系统最初采用的是专用移动通信系统，专用网有优先等级，调度功能 强，加密性能好，但同时，它规模经济效益差，通信成本高，建设周期长，可靠性差， 因此现在出现了g s m 短信息服务。按时间先后，g p $ 车辆定位系统采用的传输系统 主要有无线电台、集群通信网和g s m 短信息服务。相对于无线电台和集群通信 网，6 s m 在技术和规模上优势明显，同时还有漫游和越区切换功能，在广域定位中 占很大优势，不过遗憾的是g s m 短消息服务在实际应用中的平均时延大概在5 5 秒左右，在实时应用中，这种时延显然是无法满足应用需求的。我国现在正在建 设和推广使用的c d p d 通信网，采用分组数据传输技术，非常适合车辆定位突发性 和实时性高的特点，是我国现有条件下进行车辆定位的一个比较理想的选择。 1 3 关键技术的分析 1 3 1 传统开发方法的弊端 车辆定位监控系统( v l m s ) 是一个综合了多种高新技术的应用，主要包括： 提供固定设备和移动设备间的通信的无线通信技术，通信软件，6 p s ，6 i s ，结合 空间数据和非空间数据的数据库访问技术等“1 。 传统的方法所开发的应用软件往往是一种独立的整体性的系统“1 ，如图1 1 所 示。在事先经过需求分析、设计后开发出的软件中各种功能或各种特性是用固定 w n ：坼如? ；5 唯 华中科技大学硕士学位论文 的方式联系在一起。一般说来，大部分成份很难更动、替换或删除。好似一个自动 化应用的封闭孤岛。如果要求该应用与其他系统交互，就通过设立一组系统服务 a p i ( 应用编程接口) 来达到。若在同一地址空间中调用a p i ，问题并不复杂。但 要进行跨地址空间，甚至跨时间、空间的不同运行平台上的交互时，传统的方式往 往又是通过一种集中管理式的固定的服务接口，或进行能力有限的远过程调用 r p c 。这些方式不仅开销大，且难于开发，难于更动，有许多弊病。 客户 传统的f 一服务( 应用或系统)i 卜+系统服务i 。 l( 应用) 接口 _ 一服务( 应用或系统)1 图1 1 传统的客户机、服务器接口方式 随着网络技术的发展以及硬件性价比的提高，车辆定位监控系统( v l m s ) 的功 能、性能、规模、复杂性都极大提高。尽管应用系统的具体实现方案基于一组通 用服务( 数据采集，无线通信，g i s 等) ，但是由于不同的客户对资源和功能的不 同需要，应用系统所提供的功能需要进行裁剪和定制。传统的开发方法显然已不 能满足要求。 1 3 2 新的开发方法的优势 在我们的课题研究中，用了基于分布式面向对象的思想，并考虑通过分布式 组件软件技术创建和利用可复用的软件组件来解决应用系统的开发问题。通过智 能地重用有用的部件，我们就能根据客户的种类和需求，提供不同的服务。并且 通过不断扩充和完善各个组件的功能，提高系统的整体性能。这个技术的最根本 的进步和意义还在于让那些原先使系统难以维护的不同的机器，操作系统和编程 语言能够协同工作，大大降低了系统的开发和维护成本* 8 “1 。 分布式组件软件技术使系统只需花很少的工作量就可以接插不同厂商的组 件。这样的应用软件系统不再是一种固化的整体性系统，而是通过组件间互相提出 请求及提供服务的协同工作机制来达到系统目标。由于组件的良好接插特性，使其 变得极为灵活。如果再用传统的集中管理的固化的接口方式根本无法适应其灵活 。再e 1 。￥、7 哥矗 1q h 婶7 。一 ， 华中科技大学硕士学位论文 多变的要求。进而提供一种方式，使客户在要求其他系统提供服务时，能够不必知 道所用的服务是由谁以及用什么方式来提供，就可以利用其他系统的服务了”3 。 而提供服务的软件或组件可以用不同语言实现，运行在不同的机器、平台上。 比如一个家电产品( 如电视机) ，要利用发电设备的电脑与网络服务( 如供电) 时，人们是通过接插件来完成二者的联结的。如果想达n - - 者能正常地一起工作， 要求插头与插口间满足静态相容性( 插头、插口形状相配) 和动态相容性( 电压、 频率、功率方面附合要求) 。若不相容可再加上适配器和变换器。接插件的标准化 给各种产品组合成更大系统提供极大方便。 我们用“互操作性”这词来描述两个或多个软件部件合作的能力f s ( 即使其 实现的编程语言、接口及运行平台是完全不同的情况下) 。对软件组件来说处理互 操作性的方案之一就是可以采用类似于这种独立于产品的插头与插口的接口技 术。这里所谓静态相容。是指调用与被调用的过程能满足类型检查的要求。动态相 容则要求所提供的服务能满足客户的要求。 1 3 3 分布式对象技术选择 分布式对象技术始于9 0 年代初，现已发展成为当今分布式异构环境下建立应 用系统集成框架和标准构件的核心技术，在企业集成、集成化的分布式系统管理、 软件构件技术等方面已发挥着重要作用”“2 “2 5 2 “。当今国际上有三大分布式软件 组件对象标准： 一是由对象管理组( o m g ) 组织推出的公共对象请求代理结构( c o r b a ) ； 二是由m i c r o s o f t 推出的分布式组件对象模型( d c o m ) ； 三是由s u n 公司推出的，用j a v a 语言开发的分布对象模型( r m i ) ，即远程方 法调用。 下面就这三大分布式软件组件对象标准在结构和规范性、跨平台能力、跨语 言支持能力及安全性等方面进行分析对比“”。 1 结构和规范性 c o r b a 是一个通用的分布式对象规范说明，它没有给出参考的实现方案，所以 为实现提供了极大的灵活性，而d c o m 和j a v a 的r m i 有明确的实现背景，规范严 格细致，不利于优化。 2 跨平台的能力 “- r ，“ t t 华中科技大学硕士学位论文 目前a c t i v e x d c o m 实现基本用于微软操作系统w i n d o w s9 5 和w i n d o w sn t ， 虽然已有支持u n i x 系统的d c o m 实现的测试版本，但还需进一步完善。对于r m i 来说，只要在客户端装上了j a v a 虚拟机，就可以实现r m i 的跨平台通信。而符合 c o r b a 规范的产品支持广泛的平台，几乎可用在所有的操作系统上。 3 跨语言支持能力 d c o m 实现中所用的编程语言几乎都是c + + ，而对其它编程语言的支持有障碍。 相类似地，由于r m i 依靠许多j a v a 语言的内部特征，使得它一定要用j a v a 语言 编写，而不能用其它语言实现。与此相对比，c o r b a 具有语言中立性，可以包容 多种编程语言。在写规范时，o 舳已经采纳了用c ，c 十+ ，a d a 和s m a l i t a l k 语言， 使用c o r b a 机制的规范。所以c o r b a 具有强大的跨语言能力。 4 安全性能 d c o m 使用远程过程调用( r p c ) ，用于在相距异地的对象间通信。它没有提供 分布式的数据网络，如i n t e r n e t 网上提供安全保证。使用d c o m 实现的a c t i v e x 控件不含严格的安全性检查或资源权限检查，控件具有其资源的所有权限。这样 就缺乏固有的安全性。而烈i 的安全性依赖于j a v a 。j a v a 的安全性包括严格的安 全性和资源级安全性。严格的安全性用来保护用户不受那些由于不正确类型的映 射和不合法内存存取而引起的错误的影响。资源级安全性用来限制j a v a 程序磁盘 访问权限、网络访问权限等。j a v a 固有的安全性保证了r m i 具有较强的安全性。 与此相比，o m g 已经为基于c o r b a 的系统指定了广阔范围的安全服务，该服务不 仅提供了保密性和认证机制，而且实现了非否认机制( 用于确保参加者不能后来 否认他们的许诺) 。从上述对比中，我们看到c o r b a 规范有很强的灵活性、跨平台 能力以及跨语言支持能力，同时提供了良好的安全性。 与d c o m 及r m i 相比，c o r b a 具有很多优越性，这也是我们所使用的分布式组 件技术采用c o r b a 标准的原因。 i 3 4 无线通信方式的比较 现有各种无线通信系统，诸如集群、g s m 系统、c d p d 系统等多种通信方式在覆 盖范围、可靠性、安全性、通信费用、系统容量等方面各不相同，如表1 1 所示。 目前基于集群和g s m 的短信息业务的通信方式比较普遍。基于集群的车辆监控 系统，其设计、组网及使用相对简单，但其规模经济效益差，通信成本高，建设周期 ； + 、j 。； fb ， 华中科技大学硕士学位论文 长作用范围较小；g s m 的短消息业务用于定位数据传输，其覆盖范围大，可以全 国漫游，但是时延问题和指挥调度功能是制约其发展的瓶颈。丽利用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 ，蜂窝数字分组数据) 无线数据网作为数据传输网络，可 以充分利用和发挥c d p d 在移动数据通信方面的技术优势，克服以上两种系统的 不足。 表1 1 目前国内几种移动通信网的比较。“”。” 平均设备模拟支持 技术可靠覆盖数据及通安全模式旦k语音 性速率信性数字或数 ( k b p s ) 费用据 集群一般较好 9 6 一般差双工模拟均可 g s !很好较好9 6较好很好双工数字均可 c d p d 很好一般 1 9 2很好很好双工 数字数据 在车辆监控管理系统之中，不论是移动终端送至监控中心的定位数据还是下 传的控制指令，都是属于小数据量的信息，实时的要求很高，对数据传输的可靠 性以及安全性都有比较高的要求，此外，通信费用也是重点考虑的对象。综合以 上各方面的考虑，我们认为c d p d 通信网络是一个比较理想的选择。 c d p d 是无线的i p 网络，每个无线终端都有自己的i p 地址，可以方便地与其 它通信网络( 如d d n 、x 2 5 和i s d n 等) 进行互联，c d p d 由于采用了分组数据传输， 因此特别适合于突发数据的传输，同时避免了电路交换进行的数据通信首先必须 进行连接，从而造成接续时间很长而实际传输时间又很短的弊病。满足了系统实 时性高的要求。c d p d 网络作为数据通信网络，一般按照数据量来计费，而且其链 路的使用效率较高，因此费用比较便宜“”。比如，在深圳数据通信局租用c d p d 系统进行数据传送，一个终端包月需i 0 0 元月 端，计量制则封顶1 2 0 元月十端。 相对与其它通信方式，费用是非常低廉的，对用户来说也是完全可以接受的。 1 4 课题主要研究工作 网络技术、通信技术的发展，g p s 技术民用限制的放宽，使得实现车辆定位 系统的技术进步成熟起来。开发出性能更高的系统，使之真正能够达到实时应 用的性能指标成为可能。我们的课题工作的目标就是要建立这样一个能够在车辆 6 。，峰 ，嘶穗箍圮l 二i 蘸黔i 扣；* 。” 华中科技大学硕士学位论文 定位中满足实时性要求的系统。 为了达到我们的研究目标，我的课题研究工作主要分为下面几个步骤： 1 学习掌握车辆定位应用的基本原理。”】矛口主要技术，了解它们在系统中的 作用和相互间的关系：广泛收集国内外现行系统的相关资料，对它们在设计和性 能上的差别进行分析研究；对比国内外厂商的产品性能和价格，对实现系统所需 的成本进行估计，最终对该系统的可行性和发展前景形成比较清晰全面的认识。 2 学习并应用当前比较先进的思想和方法来分析现有的系统，发现其中所隐 含的弊端。经过细致的分析研究，对现有系统的实现方式有了比较充分的认识和 把握，从事新系统的设计开发工作，提出一个比较先进的实现方案。 3 针对新的设计方案在实现中的各个环节进行研究。主要包括通信系统 1 4 。i l l 9 1 2 1 、数据库访问和定位功能实现三个方面。其中应用到的主要新思想和技术 有：面向对象的思想；基于组件的软件重用技术”“”4 ：c d p d 通信技术“”1 “ ”“1 ；实现系统所用的j a v a 语言”3 “3 5 。：基于b s 的三层数据库访问技术。3 - “3 6 3 ” 等等。同时还将研究大地经纬度和非矢量地图的特点，寻找坐标转换的方式，设 计相应的算法，实现在位图和j p e g 地图上的车辆定位。 华中科技大学硕士学位论文 2v l m s 系统结构及其技术原理 2 1v l m s 系统结构总体设计 我们设计的车辆定位监控系统( v l m s ) ，由于采用了面向对象的思想以及分 布式组件技术，具有很好的扩展性和适应能力。为了克服现有系统容量小和实时 性差的弊端，我们采用了我国刚开始推广的c d p d 通信网作为传输系统。系统结 构及数据流如图2 1 所示，整个系统由通信系统和监控中心两大部分构成。 图2 1 车辆定位监控管理总体系统结构及数据流图 华中科技大学硕士学位论文 2 2v l m s 通信系统 2 2 1 数据格式及特点 通信系统中的数据传输分上行和下行两部分，如表2 1 和表2 2 所示。上行数 据主要为移动车辆的i p 地址，实时位置、速度、时间状态( 包括报警、故障等) ； 下行数据主要为g p s 差分修正信息，采用r r c m - - 1 0 4 格式1 1 8 1 的通用电文，如果是 监控中心同步的方式还包括广播同步码。 表2 1 上行数据格式 l数据报头i 用户地址j 纬度l 经度l 速度i 时间 f 车辆状态i 表2 2 下行数据格式 l数据报头i 广播同步码lr t c m 电文调度命令i 用户地址i 上行和下行的数据报头不同，用于对上、下行数据的解码。用户地址指的是 各移动车辆的识别号码，调度命令为监控中心对相应地址车辆的操作，如紧急救 援、去某地运输关闭汽车引擎等。 可以看出系统中所传输的数据具有信息量小，突发性、实时性和安全性高的 特点，而c d p d 通信网正适合传输这种类型的数据。 2 2 2c d p d 工作原理 c d p d 是按一定的规则，把一整份数据报文分割成若干定长的数据段，并给每 一数据段加上收、发终端地址及其它控制信息，再以“分组”为单位在蜂窝网上进 行传输。传输时先寻找一个空闲的话音信道，将分组数据在空闲信道上进行传输， 当蜂窝话音用户要求占有该信道时，c d p d 系统将重新寻找新的空闲信道，并利用 信道跳频技术，自动跳到新的空闲信道上。如此反复，直到传完为止“。 移动终端要完成与另一用户的通信，除需寻找一个空闲的信道外，还需通过其 所在区域的m d b s 与m d i s 问经过五个步骤的交互操作： 1 申请和获得一个临时设备识别符。 2 申请并进入基于移动数据链路协议( l p ) 的多帧确认模式。 3 密钥交换、拼装。 4 n e i ( 即终端i p 地址) 登录尝试和用户鉴权。 5 i p 寻址通信。 9 一描轴 饼嫡蛐“蝴饿， 华中科技大学硕士学位论文 密钥交换、拼装是指m d i s 与m e s 间分别向对方发送一半密钥，再各自将收到 的密钥与自己保存的一半密钥进行拼装，组成一个完整的密钥，用于空中加密。移 动车辆1 p 寻址通信的过程是：m d b s 收到移动车辆发来的分组，通过有线线路送至 m d i s ，m d s 根据分组包内所含被叫移动车辆的i p 地址送到数据通信组件，此时，数 据通信组件对照自己维护的移动车辆的i p 地址表，由于i p 地址的唯一性，经核对 i p 地址后，找到对应的移动车辆编号，只有与编号对应的移动车辆对象收下此包 并通过数据通信组件向移动车辆发出确认信号。如移动车辆收不到确认信号，则继 续发送上述包含当前状况的分组，直至收到证实信号，或者因超时而放弃本次通 信。数据通信组件中的移动车辆对象收到这些分组后，去掉i p 地址及相应的开销， 将数据按顺序还原，通过c o r b a 接口调用，发送至数据接收中心。 2 ，2 3c d p d 技术特点 1 共享无线信道 c d p d 采用一种被称为分时数字式侦听多重访问( d s m a c d ) 的接入技术实现无 线信道的共享。这种方法与以太网中使用的靠碰撞探测进行载波侦听多重访问方 式( c s m a c d ) 很相似。m d b s 在侦测信道时建立“忙闲”信道状况指示器，“解码 状态”指示器由反向信道作c d p d 传输时建立。移动终端通过“忙闲”指示判断 是否可以发送数据，利用“解码状态”指示器指示接收到的传输数据解码是否成功， 移动终端将一次失败的指示解释为一次可能的碰撞，并初始化此次进程进行重传， 从而实现无线信道的共享。 2 数据安全 c d p d 提供安全的空中链路，数据分组使用一种带d i f f i e h e l l m a n 无线可变密 钥的4 0 h i t 的r c 4 编码算法。使用这一算法，可使得每个移动终端有一个唯一的不 断变化的编码密钥，密钥的破解相当困难。另外，m d i s 在m e s 登录时要进行用户鉴 权。移动终端登录一次，m d i s 就自动核对其发来的用户鉴权随机码用户鉴权序列 并产生新的用户鉴权随机码用户鉴权序列发给m e s ，以便下次登录时使用，如号 码经核对有误，则服务被拒绝。 3 开放的接口 c d p d 以t c p i p 为基础，基于开放的系统平台。开放的接口允许更多的厂商从 事产品生产及应用开发，这势必有利于设备成本的降低、技术的推广和应用市场的 华中科技大学硕士学位论文 事产品生产及应用开发，这势必有利于设备成本的降低、技术的推广和应用市场的 扩大。 4 发展的技术 有专门的组织和技术论坛研究c d p d 技术及其发展，c d p d 技术将不断进 步，c d p d 规程将向着t d m a 、c d m a 的方向不断发展。 2 2 4c d p d 组成及功能 c d p d 通信系统由移动数据基站( m d b s ) ，移动数据中介系统( m d i s ) ，移动终 端系统( m e s ) 以及m d b s 以及m d i s 之间的数字数据专线( d d n ) ，m d b s 与m e s 问 的空中链路( a i r l i n k ) 构成。它的作用与数字数据网( d d n ：d i g i t a ld a t an e t w o r k ) 以及分组交换数据网( p s d n ：p a c k e ts w i t c hd a t an e t w o r k ) 类似，在功能上提供移 动服务：在网络结构上与移动电话网类似同是采用以无线基站为基础的蜂窝 状覆盖，同频复用与小区分裂的无线组网方式。 1 m d b s ( m o b i l ed a t ab a s es t a t i o n ) 为移动数据基站，m d b s 在网络中呈蜂窝 状分布。内部主要包括一个控制计算机、两个电源( 冗余备份) 、6 个无线收发信 机( 满配置) 。每个收发信机可提供一条1 9 2 k b i t s 的信道。“。m d b s 主要负责管 理网络m e g 的无线接口，对传输的数据进行g m s k ( g a u s s i o nf i l t e r e dm i n i m a l s h i f tk e y i n g ) 调制和解调，t c p i p 分组头压缩及v 4 2 b i s 数据压缩、前向纠错、 跳频控制等。 2 m e s ( n o b i l ee n ds y s t e m ) 为移动终端系统，m e s 是移动车辆携带的设备，由 一个c d p d 无线调制解调器与一个g p s 接收机组成。c d p d 无线m o d e m 既可内置也 可外接。无线m o d e m 发射功率从0 6 3 w 可变，由m d b s 根据信道质量和接收到的 信号强弱来控制，以达到获得最小干扰及延长电池寿命的目的。 3 m d i s ( m o b i l ed a t a i n t e r m e d i a t es y s t e m ) 为移动数据中介系统，它是 c d p d 网络的核心，起交换机的作用，对需要进行通信的m e s 提供虚拟的空中连接， 传送分组。m d i s 是网络中唯一关心和处理终端移动性的设备，其路由功能是通过 对m e s 当前位置的跟踪来实现的。基于m d i s 的功能，网络可向用户提供多路广播、 空中链路加密、用户位置服务、帐务处理等服务。a s 主要承担用户数据库管理、 接入管理及计费管理，如用户鉴权、用户计费信息收集、d n s 域名服务等。a s 可作 冗余配置，一个a s 激活，另一个作为热备份。n m s 通过图形界面对网络进行维护和 华中科技大学硕士学位论文 控制，如远程监测，管理基站，进行配置管理、故障管理、性能管理、安全管理等。 2 2 5c d p d 网络协议 c d p d 的网络结构大都是基于i s o 的开放系统互连( o s i ) 的数据通信模式。m d b s 只处理物理层和数据链路层，在数据链路层增加了一个m d l p ( 移动数据链 路) m a c ( 媒质接入控制) 协议，m a c 进行c d p d 网络中移动部分的控制。 c d p d 各部分间的数据通信防议在c d p d 规范”中作了详细的规定，图2 2 描述 了各部分间的协议关系。 传输层 网络层 数据 链路层 物理层 移动终端系统移动数据基站 移动数据 中介系统固定终端系统 中介系统 m a c ：媒体接入控制v f l 3 l p ：移动数据链路协议 c l n p ：无连接网络协议s n l ) c p ：子网依赖集中协议 f c ：流量控制 f - e s ： 固定终端系统 i s ：中介系统 图2 2c d p d 网络协议 适用于无线接口的数据链路层的协议是m a c 和m d l p 。m d b s 由m d l p 采用帧中 继方式连至m d i s 。在m d b s 和i “d i s 之间，物理层是d s o5 6 k b i t s 的信道。数据链 路层基于帧中继( f r ) 、信息流量控制( f c ) 和m d l p 。网络层包括i p 或 c l n p ( c o n n e c t i o nl e s sn e t w o r kp r o t o c 0 1 ) 以及子网依赖集中协议( s n d c p ) 。t c p 是m e s 和f - g g 之间使用的传输控制协议。 2 3v l m s 监控中心 监控中心是车辆数据的分析处理中心，由局域网( l a n ) 中一系列可重用的组 件构成。每个组件的实现各自独立，通过c o r b a 接口协同工作，实现各自的功能。 下面我们对监控中心的结构设计和功能进行分析说明。 -琦- 、川、l 彀缔钒十 华中科技大学硕士学位论文 2 3 t 监控中心系统设计 监控中心是搭建在一个局域网的环境里，由分布式的组件实现车辆数据分析 处理的各项功能。按照对数据的处理的过程分类，可以分为数据采集、数据访问 和数据处理三个环节。 数据采集的过程是通过设在c d p d 网中的数据通信组件和监控中心内部的数 据采集组件之间的合作来实现的，它们通过事先注册c o r b a 对象，采用消息唤 醒的方式进行通信。 数据访问涉及到存储组件、数据采集组件和远端的i n t e r n e t 用户间的交互过 程，它们构成三层的数据库访问结构，而数据采集组件也是数据库访问的中间件。 这种结构综合了浏览器、信息服务和w e b 等多项技术，客户端浏览器为大多数终 端用户远程资源访问提供了统一的接口，从服务器角度来看，这种开放、易于应 用的体系也为后端提供了统一的数据库访问接口。 数据处理主要包括对车辆位置显示、路径信息分析，地理信息的查询和维护 等功能的实现过程。监控中心的数据处理是通过数据采集组件、存储组件、仿真 组件和g i s 组件分工协作完成。 2 3 2 各个组件的功能 1 数据通信组件：作为一个c o r b a 服务器，它向数据采集组件提供服务，也 向代表移动车辆的g p s 组件提供服务。在数据通信组件内部维护着一张移动车辆 的信息表，表里包含唯一标志移动车辆的i p 地址和车号，从功能上看，它相当于 一张路由表，用来向移动车辆发送调度信息，也向数据数据通信组件发送它指定 的车辆信息。 2 数据采集组件：它是数据通信组件的客户端，接收来自远端g p s 组件的数 据，也是向g i s 组件和存储组件的服务器，向它们提供实时数据。它在系统中的 核心位置决定了它还是i n t e r n e t 用户访问数据库的中间件，实现数据库远程访问 的业务逻辑，减少网络中的通信流量，提供统一的访问接口。 3 仿真组件：允许开发者利用转储到数据库中的车辆位置信息及其相关信息 来仿真，以提供历史路径回放的功能。仿真组件的数据来源不同于g i s 显示组件， 但它和g i s 显示组件拥有相同的显示结果。唯一的不同是仿真组件显示的是历史 数据，g i s 显示组件显示的是实时数据。 华中科技大学硕士学位论文 4 g i s 组件：为实现车辆定位的功能提供支持，它负责提供空间地理信息， 负责管理和维护数字地图，在程序运行过程中，作为数据库访问的中间层，从数 据库中提取需要的地图数据，并进行必要的整合处理，向实现车辆定位的功能模 块提供直接可用的地图数据，平衡了系统的工作负载，提高了整体运行效率。 5 存储组件：是数据采集组件的客户端同时也作为数据仿真组件、g i s 显示 组件的服务器。它具有访问不同数据库的驱动程序，屏蔽了异构数据库的差异， 同时还根据客户的不同需要，对提取的数据进行一些预处理，提高对通信带宽的 利用率。它还维护着底层的面向对象的数据库，对复杂的地理数据和车辆属性数 据进行管理。 2 3 3 监控中心的特点 v l m s 的监控中心是由一系列组件构成，它们互为服务器和客户机。通过选择 组件间的搭配可以实现不同的功能。这样的系统结构是非常灵活的。当系统中的 某个组件的工作负荷过大，可以向系统中增添一个相同的组件来平衡系统的工作 负载，保证了系统的稳定高效运行。由于系统中可以同时存在多个相同的组件， 有效避免了由于死机或者意外造成整个系统的瘫痪，因此这样的系统也是非常健 壮的。 2 3 4 组件的工作方式 c o r b a 支持交互，任何新的客户应用可以通过简单地在由组件定义的事件中 注册而被引入，并且它的客户服务器模式对重用提供强有力的支持”“。例如，仿 真组件可以和数据采集组件相互交换而不会影响到它们的客户( 实时跟踪模块) 的应用。因为它们提供是同样的接口。只要维持接口不变，这些组件的改进版本 就可以在不影响客户应用的前提下开发出来，然后把它们置入系统中以增强系统 的功能。 组件作为服务器允许在同一时刻被多个客户端访问，如数据采集组件可被数 据仿真组件、存储组件、6 1 s 组件访问。当系统中的某个组件工作负荷太大时， 可以向网络中增加同样的组件来平衡工作负载。比如当一个车辆跟踪应用初始化 时，它可以在局域网中寻找提供车辆位置的c o r b a 服务器，并从中任选一个，得 到的服务都是一致的。 ，。 # 麓“_ 叫“雌j 目髀峰如，柙# 华中科技大学硕士学位论文 2 3 5 组件实现原理和技术 2 3 5 1c o r b a 原理 c o r b a 是一种标准的面向对象应用程序体系规范，最初是由对思想管理组 ( o m g ) 出版的对象管理体系指南中定义的。主要用于：存取来自现行应用程序 的分布信息和资料，使现有业务数据和系统成为可供利用的网络资源，为某一特 定业务用的定制的功能来增强现行桌面工具和应用程序，以及改变和发展基于网 络的系统以反映新的拓扑结构或新资源“”。 客户机 f 兰查兰苎兰1 1 o r b ( 客户端) i 上下文对象接口仓库 对象服务 对象工具 服 b o a a p i 务 器 计 算 机 系 统 掣 序陌习 图2 3c o r b a 体系结构 一l 臣盈 如图2 3 所示，c o r b a 包括下面几部分：客户机应用程序、o r b 、上下文对象、 接口仓库、o m 6i d l 文件、编译器、服务器应用程序、服务器框架、对象适配器 和实现仓库。 一莒一 i 砷譬”。搏伊、 t 华中科技大学硕士学位论文 如图2 3 所示，c o r b