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奎堕堡三! 三盔堂堡主堡究生学位论文：y6 2 0 2 5 , 基于g p r s 远程监控系统的研究 摘要 远程监控在工业控制领域中有着十分重要的意义，在许多 工业场合，需要对一些分散的、无人值守的现场数据进行定时 采集，同时发送简单的控制命令。 传统远程监控系统的实现方式一般都需要自己建设并维护 有线或无线网络，维护费用高。随着通信技术的发展，原有的 远程监控系统已日益不能满足多方面的要求，我们需要更低成 本的通信方式，本文就此提出了一种新的远程数据监控系统， 它内嵌了u d p 、i p 协议，利用g p r s 网络作为通信通道，具有高 速、可靠、运营费用低、维护费用少等优点。 关键词：远程监控，g p r s ，a t 8 9 c 5 5 ，q 2 4 0 3 a 太原理工大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho fr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do ng p r s a b s t r a c t r e m o t em o n i t o r i n gh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei n i n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d i n m a n yi n d u s t r i a l f i e l d ，f i e l d d a t ao n d i s p e r s i v e o ru n w a t c h e do c c a s i o nn e e dt ob eo b t a i n e da tr e g u l a r i n t e r v a l sa n ds i m p l ec o n t r o lc o m m a n d s a r es e n t t h et r a d i t i o n a l i m p l e m e n t a t i o na p p r o a c h o fr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mc o m m o n l y i st oc o n s t r u c ta n dm a i n t a i nc a b l eo r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k ，w h i c hw i l lb e ac o n s i d e r a b l e e x p e n s e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e t r a d i t i o n a lm e t h o d sh a v en o tm e tm o r er e q u i r e m e n t s ，a n dak i n do f n e wl o w c o s tc o m m u n i c a t i o nm o d ei sd e m a n d e d a c c o r d i n gt o a b o v e a n a l y s i s ，t h i sp a p e rb r i n g s f o r w a r d ak i n do fr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do ng p r s ，w h i c hi se m b e d d e dw i t hu d p 、 i pp r o t o c o l sa n dh a st h ea d v a n t a g eo fh i g h p e e d 、h i g h 。r e l i a b i l i t y i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n dl o w - c o s t b yu s i n gg p r s a sc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l k e y w o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，g p r s ，a t 8 9 c 5 5 ， q 2 4 0 3 a i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 监控系统发展概述 一绪论 在现工业企业的生产和管理中大量的物理量、工艺数据、特性参数 需要进行实时检测、监督管理和自动控制。这是现代化工业生产必不可少 的基本手段。从单台计算机的直接监测控制到多级计算机监测控制系统， 以及分布式、网络化、智能化的系统，在各种企业中都有应用。 计算机监控系统，是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行 机构，与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的整体。在该系统中， 计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。 ( 1 ) 采集和处理功能：主要是对生产过程的各种模拟和数字量进行 检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示 屏和电视等。为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解 生产情况。 ( 2 ) 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中 发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分 别作为实时数据和历史数据加以储存。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 管理功能：利用已有的有效的数据、图像、报表等对工作情况 进行分析、故障诊断、险情预测。并以声光电的形式对故障和突发事件报 警。 ( 4 ) 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控 制策略形成控制输出，直接作用与生产过程。 一般情况下，计算机监控系统都是在生产现场或附近进行管理的，这 样便于生产技术人员及时到达现场指导生产，在发生故障时能够尽快解决 问题以便恢复生产。但是如果生产或采集现场地理位置比较偏僻、气候和 其它一些条件比较恶劣时就无法在生产现场或数据采集现场建立计算机 监控系统，这时就需要建立远程监控系统，另外，对于有许多地理位置分 散的分厂或者分部的企业集团，总公司为了能够统一和全面管理各个分厂 的生产，也需要建立一个计算机远程监控系统。 传统远程监控系统的实现方式有以下几种：铺设光纤或电缆，采用数 传电台，租用运营商专用线路等。这些监控系统己大量应用于工业企业管 理系统，但它有许多缺陷：对于后两种方式需要自己建设或租用运营商专 线，维护和建设费用t e 较高。由于前者手段是有线的，受布线的局限较大， 增加或减少一个被监控对象都不太容易；传统监控手段的监控者和被监控 对象都是固定的，无论任何一端都无法随意移动；传统监控手段针对偏僻、 偏远地域监控无法很容易的实现；传统监控手段针对机动性较强场合的监 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 控，布局的成本较高。因此，传统的远程监控方式无法满足人们目益发展 的要求。 随着i n t e r n e t 技术的推广和g p r s 通信技术的发展，远程监控系统将 会更紧密地与现代通信技术相互结合，更多地应用在工业企业中。 2 单片机系统的现状及发展 单片机系统有着悠久的历史，早在七、八十年代就已有四位和八位的 单片机应用于工业控制等专业领域。，随着人们对智能控制需求的不断 增长，电子技术的发展，大规模、超大规模集成电路设计技术和制造工艺 的进一步提高，国际上单片机技术发展很快，出现了很多高性能的新型单 片机，使单片机更广泛地应用于军事、工业、通讯、家电、智能仪器仪表、 家庭智能化等领域，并且产品功能、精度和质量大幅度的提高，而电路设 计更简单，故障率更低，可靠性更高而成本低廉。 在8 位微控制器市场上，很多制造商目前都提供8 0 5 1 系列单片机。 像a t m e l 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 等。这些制造商给5 l 系列单片机j j 口x 了大量的性能和外部功能汹f 州，比如，1 2 c 总线接口、模拟量到数字量的 转换、看门狗、p w m 输出等，不少芯片的工作频率达到4 0 m ，工作电压 下降到1 5 v 。这些单片机引脚设计及电气特性与8 0 5 1 一样，且还有如下 特点n “： ( 1 ) 更高的操作频率； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 可电气烧录程序及擦除的功能 ( 3 ) 内置看门狗计时器防止程序执行死机 ( 4 ) 增加串行端口。 近年来，许多公司宣布推出m c u ( m i c r o p r o g r a m m e d c o n t r o lu n i t ) 产品线的更新计划j 。这些产品的变化主要体现在以下几个方面：改进的 内核架构、更多的闪存、新的外围电路和连接功能以及升级的开发工具。 由此可以看到f l a s h 技术、在线可编程技术、低功耗、大规模集成技 术是将来单片机技术的发展方向，而f l a s h 技术和i s p i a p 技术在单片 机上的应用，使得单片机的功能大为增强，摆脱了以往必须使用读写器烧 片的束缚，而内置网络功能使得8 位的单片机逐步向高性能芯片靠拢。 3 本课题研究背景 远程监控技术随着i n t e m e t 网络的不断发展而得到广泛应用“3 ，如远 程网络教学、i n t e m e t 网络的家电接入1 、远程故障诊断、网上考试等， t 利用i n t e r n e t 网络，可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一 个地方时1 。远程监控系统已广泛应用于邮电、电力、通讯、银行等系统及 设施。对于许多监控现场，由于需要监控的区域广、监控的对象种类繁多， 因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护。而且还存在着某 些容易发生突发性事件的领域，如容易发生火灾和洪灾的场所，由于这些 事件发生的概率相对较小，且具有随机性和不确定性，如果在现场实施人 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 员值守是不现实的。同时，在许多条件恶劣、人们不易到达或不能时刻停 留的地方偶尔采集一些现场数据，这时如果进行大量的布线工作则是不经 济、不合理的。随着移动数据通讯业务的发展，g p r s 网络通信以其更加 低廉的价格和永远在线的性能有着不可估量的发展前景。 f 是基于以上考虑，本文提出并设计了一种基于g p r s 网络通信的、 使用低成本5 l 单片机的远程监控系统，该系统硬件设计的核心a t 8 9 c 5 5 单片机和q 2 4 0 3 a 数据通信模块，软件使用c 5 1 编写幽3 。此系统内嵌 t c w i p 扔议，g p r s 数据通信的实现使用串口a t 命令”。，易于实现。这种 终端采集系统可以大量地布控于用户现场，不需要布线，可以随意移动。 4 本论文结构安排 本文的主要内容安排如下： 第一章：分析了远程监控系统的意义和需求，综述了单片机系统的现 状和发展，并依此总结了提出基于g p r s 网络监控系统的必要性。 第二章：详细论述了g p r s 网络的工作原理、系统组成及相关接口， 并介绍了g p r s 网络的应用范围，为本文后面的研究作基础。 第三章：简述了t c p i p 网络技术原理，详细分析了本文要用的t c p i p 协议族中的两个协议：u d p 和i p ，并详细分析了登录g p r s 网络时所使用 的链路层协议：p p p 协议。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第四章：根据前面的基础，提出了基于g p r s 网络通信的监控系统 分析了其主要硬件芯片的功能以及软件实现函数并描述了硬件设计中的 模块功能，总结了在设计过程中所遇到的难点。 第五章：总结了全文工作并且对未来的研究方向进行了展望。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 二g p r s 网络结构与工作原理 1 g p r s 网络通信概述 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的英文简 称，是在现有的g s m 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务。 g p r s 与现有的g s m 语音系统最根本的区别是，g s m 是一种电路交换系 统，而g p r s 是一种分组交换系统。因此，g p r s 特别适用于间断的、突 发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，这 一特点正适合大多数移动互联的应用。 ( 1 ) g p r s 的现状与发展 在固定电信网上，许多国家数据业务已经超过了话音业务，我国在骨 干传输网上，数掘业务也已经超过了话音业务。最近几年，许多国家在 g s m 网络上短消息业务的极大成功，说明移动数据通信的市场具有极大 的潜力。尽管由于缺少经验，特别是移动数据通信的应用千变万化，如何 开拓和规划技术与市场，一直困扰着各移动运营商、设备供应商和内容提 供商，但是，可以肯定地说，正如话音经历了从第一代、第二代发展到第 三代移动通信一样，总体来说，移动数据通信的发展历程也必然会经历同 样的过程。而且，随着我国电信体制的进一步放开，电信增值业务啦“会极 大地促进移动数据业务的开展，例如基于位置业务( l b s ) ，将带来一大批 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 新的应用业务的开展，特别是移动电子商务的发展。 g p r s 的现状已经非常成熟，目前。全世界已有近百个运营商开通了 商用系统、试商用系统或实验系统。从1 9 9 9 年开始，英国的b t c e l l n e t 、 荷兰的t e l f o r t 、中国香港的s m a t o n e 等多个国家和地区的运营商， 纷纷在其g s m 网叠加发展g p r s 。2 0 0 1 年各运营商有了非常大的发展， 2 0 0 2 年基本进入商用化。 随着网络覆盖的不断扩大和用户数量的不断增加，中国移动和中国联 通也都在积极采用新技术，推出新业务。除基本话音业务外，两家公司都 开通了三类传真、9 6 0 0 波特及以下数据业务、语音信箱、移动秘书、短消 息、移动互联网、手机拨打i p 电话、信息点播、手机银行、w a p 业务等 形式多样的业务。运营商们发现，一方面，短消息业务因其价廉、随时随 地收发信息，不受关机影响的特点而倍受用户青睐，发展态势喜人；而另 一方面w a p 业务虽然宣传描绘得很好，用户也十分想用，但实际应用却 并不理想。 w a p 业务之所以不能广泛推广的主要原因是它是基于g s m 电路交换 数据( c s d ) 方式承载的，c s d 的速率低，并且资费政策不符合用户实际 应用的需要。而现在人们移动上网的传输方式是基于电路交换的，需要拨 号连接，占用固定通信时隙，对资源的利用不可动态调整，资源利用效率 低，用户最高只能以9 6 k b i t s 的速度进行数据通信，如f a x 、e m a i l 、f t p 等，这种速度用于传送静态图像还基本能满足要求，但随着因特网的飞速 8 太原理上大学硕士研究生学位论文 发展，用户往往希望传送高质量的视频和声音。显然现有的g s m 数据 业务无法满足这个要求。并且现在的数据业务与话音业务计费方式一样， 用户只要连接到网上就要按时间付费。在速率低的情况下，必然造成连接 时间长，并且用户浏览w e b 网页并不是一个连续占用信道的过程，它是“用 户提交网页请求一服务器响应后向用户发送网页一用户阅读网页一用户 再提交新的请求”这样一个突发和间歇占用信道的过程，在用户阅读 网页的时间罩信道其实是空闲的，但用户也要为此付费。c s d 方式的明显 缺陷就是造成了无线资源的浪费和用户费用较高，用户对g s m 数据业务 需求的积极性就这样被抑制了即便使用w a p 业务也不能从根本上解决 这一问题。而g p r s 将改变这一现状，由于它是基于i p 协议的二层协议， 因此g p r s 可提供与因特网更有效的连接。 ( 2 ) g p r s 的特点与优势 g s m 与g p r s 两种业务特点的对比如表2 1 所示m 1 。与g s m 电路 交换数据传送方式相比较，g p r s 具有如下优点： g p r s 采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了 对网络资源和无线资源的利用。 定义了新的g p r s 无线信道，且分配方式十分灵活，每个t d m a 帧 可分配l 到8 个无线接1 ：3 时隙。时隙能为活动用户所共享且上行链路和 下行链路的分配是独立的，在上行链路上网络需要对m s ( 移动台) 进行 9 太原理t 大学硕士研究生学位论文 争抢判决，多个m s 可共享一个时隙的无线资源；在下行信道上采用排队 的机制，多个m s 可共享多时隙的下行资源哺9 i 。 表2 一l 电路型数据业务与分组型数据业务对比 t a b2 - 1c o m p a r eg s mw it hg p r s 电路型数据业务 对比内容 ( 9 6 k b p s 以下数据业务及分组型数据业务( g p r s ) i h s c s d ) 无线信道专用，最多4 个时隙捆绑共享，最多8 个时隙捆绑 链路建立时闻呼叫建立时间长短，有“永远在线”之称 传输时延短，适合于实时陛强的业务适度的传输时延 l 传输速率从小于9 5 k b p s 到5 7 6 k b p s最大1 7 l - 2 k b p s 初期投资少，需增加i w f 单元费用较大，需增加网络设 | 网络升级费h ：| 及对b t s b s c 进行软件升级备，但节省基站投资 价格较便宜、 崩系统资 提供相同业务代价价格昂贵、i i l 州系统资源多 源少 支持中、高速率数据传输，可提供最大为1 7 1 2 k b i t s 的数据传输速率 ( 每用户) 。g p r s 采用了与g s m 不同的信道编码方案，定义了c s 一1 、 c s 一2 、c s - 3 、c s - 4 四种编码方案。 g p r s 网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。 1 0 太原理：j 。大学硕士研究生学位论文 g p r s 支持基于标准数据通信协议的应用，可以和i p 网、x 2 5n - 0 - 联互通。支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程 信息处理。g p r s 也允许短消息业务( s m s ) 经g p r s 无线信道传输( 需 要运营商支持) 。 g p r s 的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输又能支持偶尔 的大量数据的传输。它支持四种不同的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，服务质量) 级别能在o 5 一1 秒之内恢复数据的重新传输。 g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及q o s 的计费功能，计费方 式更加合理，用户使用更加方便。 g p r s 的核心网络层采用i p 技术，很方便地实现与高速发展的i p 网 无缝连接。 2 g p r s 系统组成及相关接口 g p r s 网是在g s m 网的基础上增加以下功能实体构成的：服务g p r s 支持节点( s g s n ) 、网关g p r s 支持节点( g g s n ) 和点对多点服务中心 ( p t m s c ) 。系统共用g s m 基站，但基站要进行软件更新，并采用新的 g p r s 移动台：g p r s 要增加新的移动性管理程序；通过路由器实现g p r s 骨干网互联；g s m 网络系统要进行软件更新和增加新的m a p 信令和g p r s 信令等。g p r s 骨干网的逻辑结构如图2 1 所示。g p r s 网络上增加了如 下一些接1 2 1 池”。 太原理工大学硕士研究生学位论文 信令和传输接口 图2 1g p r s 骨干网的逻辑结构 f i g2 - 1l o g i cs tr h c t t l l eo fg p r s 无线接口u m 是移动台( m s ) 与基站( b t s ) 之间的连接接口，g p r s 中接口标准遵循g s m 系统的标准。与g s m 系统相同的是在g p r s 系统的 空中接口中，一个t d m a 帧分为8 个时隙，每个时隙发送的信息称为一 个“突发脉冲串”( b u r s t ) ，每个t d m a 帧的个时隙构成一个物理信 道，物理信道被定义成不同的逻辑信道。与g s m 系统不同的是在g p r s 系统中，一个物理信道既可以定义为一个逻辑信道，也可以定义为一个逻 辑信道的一部分，即一个逻辑信道可以由一个或几个物理信道构成。 s g s n 与b s s 间的g b 口。g b 口的功能是通过逻辑链路控制( l l c ) 协议：“3 建立s g s n 与m s 之问的连接，以进行信令信息和用户数据的交换， 为m s 提供移动性管理q , 7 置跟踪) 和安全管理功能。g b 接口能使多用 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 户复用同一物理资源。资源在用户活动时( 当数据发送或接收时) 分配给 用户，而在活动结束时会马上被收回并重新分配。 s g s n 与g g s n 间的g n 口。s g s n 通过g n 口和g g s n 相联，通过 g p r s 隧道协议( g t p ) 建立s g s n 和外部数据网( x 2 5 或i p ) 之间的通 道，实现m s 和外部数据网的互联。 s g s n 与m s c 厂v l r 间的g s 口。g s 口用于s g s n 向m s c 厂v l r 发送 地址信息，并从m s c 厂v l r 接收寻呼请求，实现分组型业务和非分组型业 务的关联。 s g s n 与h l r 阊的g r 口。h l r 保存g p r s 用户数据和路由信息( i m s i ， s g s n 地址) 每个i m s i 还包含分组数据协议( p d p ) 信息，包括p d p 类型( x 2 5 或i p ) 、p d p 地址及其q o s 等级以及路由信息。 g g s n 与外部数据网之问的g i 口。g g s n 通过口g i 口实现g p r s 网 和外部分组数据网( p d n ) 的互联。g g s n 实际上是两个数据网网关，g p r s 本身属于i p 网络领域，g i 口支持x 2 5 和i p 协议。通过g g s n 与g p r s 网互联的分组数据网可以是p s p d n 网，这时g p r s 支持i t u tx 1 2 l 和 i t u te 1 6 4 编号方案，提供x 2 5 虚电路及对x 。2 5 的快速选择，还支 持网间的x 7 5 协议连接：也可以是i n t e m e t 网，基于i p 协议，在i p 数据 报传输方式中，g p r s 支持t c p i p 头的压缩功能。 在s g s n 和s m s 目的g d 接口。有了这个接口，短消息就可以通过 g p r s 网络传送，而不必占用g s m 的资源。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 在g g s n 和h l r 间的g c 接口。设置它的目的是为了支持t e ( t e r m i n a l e q u i p m e n t ) 主机发起连接。通常连接是由m s 发起的，s g s n 在对用户鉴 权之后，找到指定的g g s n ，并与之建立数据通路。如果连接是由外网主 机发起的信息到达g g s n 之后，g g s n 就需要通过g c 接口查询h l r ： 目的i p 对应哪一个m s ：这个m s 现在由哪一个s g s n 控制。 除此之外，还有g p 接口，在b g g s n 和其他运营商的网络之间，以 便实现网间漫游。 3 g p r s 网络工作原理 ( 1 ) 分组数据路由及传输 g p r s 传输协议平台池7 强日图2 - - 2 所示。数据包从t e 传到m s 要经 过四个接口：g i 、g n 、g b 和u m 。下面我们就顺序介绍在这个过程中所 使用到的传输协议m ：。 腰用 口，x 2 5 i ! i x 2 5 - -一m ，x 2 ，j n 譬 uhl 2 s n d c p u i l “ u d p ， 1 “姊，l t c p b 嚣0 p m c i t 舛。出l竹0 出 s e v m tr 一s 口吼e l 1 1 ：1 i il 伯u 图2 2g p r s 传输协议平台 1 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 在g i 接口上没有新的协议。与普通的路由器一样，g g s n 利用现有 的传输方法接收二层数据帧。之后再对帧进行处理得到i p 数据包。分析该 i p 包的目的地址，恰为本地p d p 上下文所标示的某m s 地址，则将此 数据包送至g n 接口的软件模块，做进一步处理。 在g n 接口，最先对数据包做处理的是g t p ( g p r st u n n e l i n gp r o t o c 0 1 ) 协议，它实现了从g g s n 到s g s n 的虚拟传输通路，即隧道。隧道有两个 优点：一是便于m s 的移动，当m s 由一个s g s n 转移到另外一个s g s n 的控制下时，只需改变g t p 的配置，使隧道的末端发生变化即可，对于被 承载的i p 数据包来说是透明的：二是在g i 和g n 两个网络之闻，即t e 和运营商网络之间不存在路由，只有封装关系，安全性得到了保障。 g n 网络本身是一个t c p i p 网络，g n 网络中的元素都是靠i p 来寻址 的。g t p 协议数据包对于g n 网络来说是高层的应用数据，需要由t c p 或 u d p 承载，对应g t p 应用的四层端口号是3 3 8 6 。之后t c p 或u d p 的 数据包进一步封装成i p 包，此i p 包的目的地址即为目标s g s n 的地址。g n 网络中的i p 包传送也是靠一系列的路由器和交换机来完成的。注意这时 传送的是运营商内网i p ( 或者内层i p 、下层i p ) ，与此相对应的是封装 在g t p 协议内部的i p 叫做外网i p ( 或者外层i p 、上层i p ) 。当数据到 达s g s n 之后，对其层层解封，最终还原出用户的i p 数据包。 在g b 接口，首先需要s n d c p ( s u b - n e t w o r kd e p e n d e n tc o n v e r g e n c e p r o t o c o l ，子网相关收敛协议) 对i p 数据包进行处理，这一步的目的是提 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 高g p r s 的可扩展性，将来只需改变s n d c p 就可以适应新的三层协议， 比如i p v 6 。除此之外，s n d c p 还负责数据的压缩和分段，压缩的目的是 节约空中接口带宽，分段的目的是适应下层l l c 的m t u ( m a x i m u m t r a n s m i s s i o nu n i t ，最大传输单元) 。 l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，逻辑链路控制) 协议负责从s g s n 到手 机的数据传输。它的服务对象为：s n d c p 数据包( 即用户数据) 、用户 信令和短消息。服务的类型有面向连接和无连接两种，用户可以根据q o s 要求选择。 b s s g p ( b a s es t a t i o ns y s t e mg p r sp r o t o c 0 1 ) 是s g s n 与b s s 通讯的 最上层协议，故而它不但发送上层的l l c 数据，还传输s g s n 对b s s 的 控制信息。 n s ( n e t w o r ks e r v i c e ) 提供网络传输服务，目前，这个服务是基于帧 中继p v c 的。也就是说，g b 接口是帧中继接口，可以租用帧中继服务商 的线路，也可以在专线上运行帧中继协议。 数据到达b s s 之后，同样是层层解封，最终得到的是l l c 数据帧， b s s 并不对l l c 帧做处理，而只是透明转发。 在b s s 和m s 之问的u m 接口，任何由空中接口传输的数据，必须先 经过两个协议的处理，r l c ( r a d i ol i n k c o n t r 0 1 ) 和m a c ( m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 。r l c 将l l c 数据帧拆分成便于空中传输的数据块，并负责空 中接口的可靠性保障。 1 6 太原! n 2 1 2 大学硕士研究生学位论文 m a c 的功能是控制空中资源的使用，由于一个用户可以使用多个信 道，多个用户也可以使用一个信道，而且，资源的分配是动态的，所以下 行传输时，m a c 必须标识当前的数据块是给哪一个m s 的，上行传输时， 必须指定当前资源由谁使用。 加上l l c 和m a c 头之后，数据块被卷积( c o n v o l u t i o n a lc o d i n g ) 和 交织( i n t e r l e a v i n g ) 。卷积指在数据中添加冗余信息，以减少非连续比特 错误。卷积处理之后的数据块统一为4 5 6 b i t 。交织是将数据块交叉分散到 四个突发序列( n o r m a lb u r s t ) 中，可以抵抗连续比特错误。 经过上述处理，最终得到的突发序列与g s m 无异每个包含l1 4 b i t 的数据信息。它们采用和g s m 同样的方式，通过空中接口，到达m s 。再 对m s 解封，即可还原出i p 数据包。至此，i p 包通过了g p r s 网络，承 载的功能完成了。 控制g p r s 操作的有两个重要的上下文过程，在s g s n 之前( 靠近 m s 一侧) 有m m ( m o b i l em a n a g e m e n t ) 上下文，s g s n 之后( 靠近网络 一侧) 有p d p ( p a c k e td a t ap r o l o c 0 1 ) 上下文。 m m 上下文过程负责移动管理，它有三种状念，空闲( i d l e ) 、就绪 ( r e a d y ) 和守候( s t a n d b y ) 。p d p 上下文负责数据的传输，任何数据传 送之前m s 要建立p d p 上下文链接，必备的参数包括m s 的i p 地址， a p n 等等。有了这些参数，s g s n 可以发起建立一条到g g s n 的数据传输 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 通路，i p 地址的动态分配也是在这个过程中完成的。图2 3 描述了分组 数据的路由传输方式。 图2 3g p r s 分组数据路由传输方式 ( 2 ) 信令协议平台 g p r s 信令协议平台由控制协议以及支持传输协议平台组成，主要实 现如下功能： 控制g p r s 网接入连接，如与g p r s 网连接和断开 控制网络接入连接的建立，如分组数据协议p d p ( x 2 5 或i p ) 地址 的激活； 为了支持用户的移动性控制建立网络连接的路径 1 8 太原理t 大学硕士研究生学位论文 当用户的需求改变时，控制网络资源的分配。 g p r s 中主要有m s 与s g s n 之间、s g s n 与h l r 之间、s g s n 与 m s c v l r 之间、g s n 之间的信令协议平台。在g p r s 中还有其他一些信 令，如s g s n 与e i r 之间的m a p 信令、s g s n 与s m s 和s c 之间的m a p 信令等。 4 g p r s 的应用 以g p r s 为基础的无线数据系统有很广泛的应用，g p r s 使互联网进 入无线领域，一直延伸到手掌上。除了支持传统的互联网应用，g p r s 也 可使无线终端支持b 2 b 、b 2 c 的电子商务和电子支付、股票交易、银行转 帐等应用。g p r s 同样可以应用于公司内部网i n t r a n e t ) ，基于i p 的远程 l a n 接入，使无线终端成为l a n 的延伸。 g p r s 技术可以应用的领域有： 通过g p r s 接入独立的i n t e m e t 业务提供者( i s p ) ； 社团的连接； 按需分配带宽； 声频数据流； 多媒体； 信息通知e m a i l 和无线e m n h 个人事务； 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 交通工具定位业务车队管理 信息业务； 银行业务； 电子商务： 遥测： 自动售货机报告； 基于网络的多用户游戏； 预付费数据业务； 智能数据和话音： 远程l a n 接入。 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 三网络原理及程序实现 1 t c p i p 协议族简介 国际标准化组织( i n t e r n e ts t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，i s o ) 曾经提出了一 种七层网络通信模型一一开发系统互连参考模型o s i ( o p e ns y s t e m i n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) ，由于这个七层协议模型数据转换过程比 较复杂，在实际的应用中并没有获得广泛的应用，而目前应用最广泛最成 功的通信协议是t c p i p 协议族“。图3 一l 列出了o s i 的7 层模型和 t c p i p 协议族的对照表。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 不存在 不存在 传输层 网络层 链路层 图3 一lo s i 模型与t c p i p 协议族对照 2 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 t c p i p 通常被认为是一个四层协议系统，每一层负责不同的功能， 其协议结构图m 1 如图3 - - 2 所示： 媒体 图3 2t c p i p 协议结构 f i g3 - 2s tr u c t u r e o ft c p i pp r o t o c o i 链路层有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的 设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们一起处理与电缆( 或其 太原理工火学硕士研究生学位论文 它任何媒介) 的物理接口细节。其功能相当于o s i 的物理层和链路层的功 能，完成网络数据底层帧的形成和收发。 网络层主要负责在互联网上传输数据分组，与o s i 参考模型的网络层 相对应，相当于o s i 参考模型中网络层的无连接网络服务。网络层是 t c p i p 参考模型中最重要的一层，它是通信的枢纽，主要完成的功能是： 从底层来的数据包要由它来选择继续传给其他网络结点或是直接交给传 输层：对从传输层来的数据包，要负责按照数据分组的格式填充报头，选 择发送路径，并交由相应的线路发送出去。网络层协议主要定义了网际协 议( i p ) 以及数据分组的格式，它的主要功能是路由选择和拥塞控制。另 外，本层还包括i c m p 协议( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，网际控制 报文协议) 和i g m p 协议( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，网际群组 管理协议) 。 传输层的主要功能是负责端到端的对等实体之间进行通信。它与o s i 参考模型的传输层功能类似，也对高层屏蔽了底层网络的实现细节，同时 它真正实现了源主机到目的主机的端到端的通信。在t c p i p 协议族中， 有两个互不相同的传输协议：t c p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协 议) 和u d p ( u s e r d a t a g r a mp r o t o c o l ，用户数据报协议) 。 t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用 程序交给它的数掘分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分 组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的 太原理工大学硕士研究生学位论文 端到端的通信，因此应用层可以忽略所有这些细节。而u d p 则为应用层 提供一种非常简单的服务。它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到 另一台主机，但并不保证该数据报能到达另端。任何必需的可靠性必须 由应用层来提供。 应用层是t c p i p 协议族的最高层，它包含了所有o s i 参考模型中会 话层、表示层和应用层这些高层的协议的功能。到目前位置，互联网络上 的应用层协议有下面几种： 电子邮件协议( s m t p ) ，负责互联网中电子邮件的传递。 超文本传输协议( h t t p ) ，提供w w w 服务。 网络终端协议( t e l n e t ) 实现远程登录功能。 文件传输协议( f t p ) ，用于交互式文件传输，下载软件就是使用这 个协议。 网络新闻传输协议( n n t p ) ，为用户提供新闻订阅功能，它是网上的 一种功能强大的新闻工具，每个用户既是读者又是作者。 d n s ，负责机器名字到i p 地址的转化。 s n m p ，负责网络管理。 r i p o s p f ，负责路出信息的交换。 2 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 2 u d p 协议 ( 1 ) u d p 协议功能 u d p 是用户数据报协议的简称。由图3 2 可知，它位于t c p i p 协议 集中，与t c p 相对应，是一种提供应用程序之间传送数据报的机制。将每 台机器看作是一些抽象的协议端口的集合，协议端口能区分在一台机器上 运行的多个程序。每个u d p 报文不仅传送用户数据，还包括发送方和接 收方的协议端口号，以使接收方的u d p 软件能将报文送到正确的接收进 程，并回送应答报文给对应的发送进程。u d p 往用底层的网络协议来传送 报文，同i p 一样，提供不可靠的无连接数据报传输服务。它不提供报文到 达确认、排序以及流量控制等功能，因此报文可能会丢失、重复、以及乱 序等。而可靠性的问题将由使用u d p 的该应用程序来解决。 ( 2 ) u d p 报文格式 表3 1u d p 报文格式 t a b3 - 1f o f i t l ato fu d pd at a g r a m 1 6 位源端口号1 6 位目的端口号 1 6 位u d p 匠度1 6 位u d p 检验和 数据( 若有) 每个u d p 报文称为一个用户数据报，分u d p 报头和u d p 数据区两 2 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 部分。报头由四个1 6 位长的字段组成，分别说明该报文的源端口、目的 端口、报文长度以及校验和。u d p 报文格式如表3 1 所示。 3 i p 协议 ( 1 ) i p 报文格式 表3 - 2i p 报文格式 t ab3 - 2f o r m a to fi pd a t a g r a r n 4 忙1 4 位首 8 位服务类型1 6 位总长度( 字= 市数) 版本i 部k = 度 3 位 1 6 位标识1 3 位片偏移 标志 8 位t t l8 位协议1 6 位首部检验和 3 2 位源i p 地址 3 2 位目的i p 地址 选项( 若有)l 填充 i 数据 i p 协议是t c p i p 协议族中最核心的协议，所有的t c p 、u d p 、i c m p 和i g m p 数据都以i p 数据报格式传输。i p 传输的两个特点：不可靠和无 连接。i p 协议并不保证数据报能成功地到达目的地，也不维护后续数据报 的状态信息，必须由上层协议处理。其报文格式如表3 2 所示。 2 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 i p 数据报包括头和数据部分，i p 数据报头的长度为4 个字节( 3 2 ) 的 整数倍，从版本到填充部分是数据报头部分，i p 选项和填充部分也可以没 有。 ( 2 ) l p 首部定义 i p 首部定义： t y p e d e fs t r u c ti p _ h d r u n s i g n e dc h a ri p v e r l e n ：4 - b i t 版本号 4 一b i t 首部长度 u n s i g n e dc h a ri p t o s ：i p 服务类型 u n s i g n e ds h o r ti pt o t a l l e n g t h ；总长度( 字节数) 以上是第一个3 2 位 u n s i g n e ds h o r ti p _ i d ；标识 u n s i g n e ds h o r ti p _ o f f s e t ：3 位标志，1 3 位分片偏移， # d e f i n ei p d fo x 4 0 0 0 o x 4 0 0 0 不分片标志 # d e f i n ei p fo x 2 0 0 0 o x 2 0 0 0 更多分片标志 # d e f i n ei po f f , t a s ko x l f f f o x l f f f 分片掩码 以上是第二个3 2 位 u n s i g n e dc h a ri p t t l ：生存时间 u n s i g n e dc h a ri p _ p r o t o c o l ：上层协议 2 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 u n s i g n e ds h o r ti p _ c h e c k s u m ；首部检验和 以上是第三个3 2 位 u n s i g n e d i n t i ps r c a d d r ：源i p 地址 以上是第四个3 2 位 u n s i g n e d i n t i p d e s t a d d r ：目的i p 地址 以上是第五个3 2 位 泌明：i p