北交大通信专业综合实验移动通信系统和网络协议部分

1、通信工程专业综合实验实验报告移动通信系统和网络协议部分指导教师：周春月实验一 主被叫实验一、实验目的1、掌握移动台主叫正常接续时的信令流程。 2、了解移动台主叫时被叫号码为空号时的信令流程。 3、了解移动台主叫时被叫用户关机或处于忙状态时的信令流程。 4、了解移动台主叫时被叫用户振铃后长时间不接听的信令流程。 5、掌握移动台被叫正常接续时的信令流程。 6、掌握通话结束呼叫释放时的信令流程。 7、了解被叫用户振铃后长时间不接听时移动台被叫的信令流程。二、实验仪器1、移动通信实验箱一台；2、台式计算机一台；3、小交换机一台：三、实验原理 处于开机空闲状态的移动台要建立与另一用户的通信，在用户看来只

2、要输入被叫号码，再按发送键，移动台就开始启动程序直到电话拨通。实际上，移动台和网络要经许多步骤才能将呼叫建立起来。以移动台和移动台进行通信为例，就包括主叫移动台和主叫MSC建立信令链接、主叫MSC通过被叫电话号码对被叫用户进行选路，即寻找被叫所处的MSC、被叫MSC寻呼被叫MS并建立信令连接过程等三个过程。本实验主要是让掌握移动通信中移动台主叫时MS和MSC之间的信令过程、以及为了完成通话连接，主叫MSC和被叫MSC之间的信令过程（即七号信令中的部分消息）。四、实验内容 1、记录正常呼叫的过程中，移动台主叫部分和被叫部分的信令流程 2、记录被叫关机时，移动台主叫部分的信令流程 3、记录被叫振铃

3、后无应答时，移动台主叫部分和被叫部分的信令流程 4、记录被叫号码无效时，移动台主叫的信令流程 5、记录通话结束后，呼叫链路释放的信令流程五、实验步骤主叫实验： 1、通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在主界面上双击“主叫实验”图标，进入此实验界面。 2、点击“初始化”键，看到消息框中出现“初始化”完成。再点击“开机”键，从而使移动台处于开机状态。 3、移动台主叫实验需要某一个被叫移动台的配合，在教师的协调下，选择一个作为被叫的实验箱，并了解此被叫的电话号码。 4、下面进行呼叫建立正常的实验。 （1）提示被叫通过点击学生平台上的“初始化”、“开机

4、”键，使被叫处于开机空闲状态。 （2）主叫在学生平台上选择或输入被叫移动台的电话号码，并按动对话框边的“OK”按钮。点击界面上的“呼叫”按钮，主叫学生戴上实验箱上配备的耳机，充当话机。主叫移动台开机拨叫被叫号码。主叫学生平台上将显示移动台主叫的信令过程。 （3）由于被叫处于开机空闲状态，很快被叫学生平台的电话将振铃。 （4）被叫振铃后，控制被叫学生平台的学生按动被叫实验界面上的“摘机”键，被叫学生戴上实验箱上配备的耳机。主叫学生平台上会提示“进入通话中”。 （5）通话结束，主叫主动挂断电话。主叫学生按动学生平台界面上的“挂机”，并放下实验箱上的电话。主叫学生平台会显示通话链路释放。 5、进行以

5、上实验时，每一实验结束后，结合实验原理中的信令流程图认真分析信令流程并做相应的记录。 被叫实验： 1、通过串行口将实验箱和电脑连接，给实验箱上电。将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在主界面上双击“GSM移动台被叫”实验图标，进入此实验界面。 2、点击“初始化”键，看到消息框中出现“初始化”完成。再点击“开机”键，从而使移动台处于开机状态。 3、移动台被叫实验是同一个主叫移动台配合进行的，在教师的协调下，确定作为主叫的实验箱。 4、下面进行呼叫建立正常的实验，主要观察移动台被叫的信令过程。 （1）等待主叫移动台拨叫本实验箱上的移动台。（2）被叫MSC寻呼被叫移动台结束后，被叫MSC与被叫

6、移动台之间的信令连接建立。过片刻，被叫实验箱振铃。（3）按动学生平台上的“摘机”键并且佩戴实验箱上的耳机作为电话听筒。 5、下面进行通话结束呼叫释放的实验。 （1）通话结束，被叫主动挂断电话，观察学生平台上呼叫释放的信令流程。 6、进行以上实验时，每一实验结束后，结合实验原理中的信令流程图认真分析信令流程并做相应的记录。六、实验过程及分析 1、正常呼叫过程中，移动台主叫部分信令流程：图1-1 主叫实验信令流程图上图为主叫实验正常呼叫及挂断信令流程图。图中方框部分为实际信令流程，具体信令按照从下至上的倒序方式显示在软件界面中，信令具体流程分析如下：（1）MS->BS CHANNEL REQ

7、UEST：主叫MS向BS（基站子系统）发送信道申请。（2）BS->MS GET_IMMEDIATEASSIGNMENT：BS向MS发送立即分配消息，通知MS为其分配的专用信道。（3）MS->主叫MSC CM_SERVICE_REQUEST：MS在为其分配的信道上向MSC发送CM服务请求。（4）BS->MS -L2_UA：BS向MS发送L2确认。（5）主叫MSC->MS -AUTHENTICATION REQUEST：主叫MSC向MS发送鉴权请求。（6）MS->主叫MSC - AUTHENTICATION RESPONSE：MS向主叫MSC发送鉴权应答。（7）MS-

8、>主叫MSC -SET_UP：鉴权结束后，MS已接入网络，此时，MS发送SET_UP信息，里面包含有详细地被叫号码和主叫标识信息。（8） 主叫MSC->MS -CALLING PROCEEDING：决定呼叫是否可以继续。（9）被叫MSC->主叫MSC -ISUP ADDRESS COMPLETE：被叫MSC向主叫MSC发送ISUP地址完成。（10）主叫MSC->MS -ALERTING：发送被叫已振铃的提醒。（11）被叫MSC->主叫MSC -ISUP_ANSWER：提示ISUP应答，被叫已摘机。（12）主叫MSC->MS -CONNECT：主叫MSC向MS

9、发送连接建立信令。（13）MS->主叫MSC -CONNECT ACK：连接建立确认，进入通话阶段。（14）被叫MSC->主叫MSC -ISUP_RELEASE：ISUP释放，提示已挂断电话。（15）主叫MSC->MS -DISCONNECT：连接已中断。（16）MS->主叫MSC -RELEASE：MS发送释放请求。（17）BS->MS -RELEASE COMPLETE：主叫MSC确认释放完成。（18）BS->MS -CHANNEL COMPLETE：信道释放。（19）MS->BS -L2_DISC：L2连接释放。（20）BS->MS -L2

10、_UA：L2确认，主叫通话结束。 2、正常呼叫过程中，移动台被叫部分信令流程：图1-2 被叫实验信令流程图上图为被叫实验正常呼叫及挂断信令流程图。图中方框部分为实际信令流程，具体信令按照从下至上的倒序方式显示在软件界面中，信令具体流程分析如下：（1）主叫MSC->被叫MSC -ISUP_INITIAL_ADDRESS：主要MSC向被叫MSC发送ISUP初始化信令，其中包含有详细地被叫号码和主叫标识信息。（2）BS->MS -PAGING REQUEST：BS向MS发送呼叫请求。（3）MS->BS CHANNEL REQUEST：主叫MS向BS（基站子系统）发送信道申请。（4）

11、BS->MS GET_IMMEDIATEASSIGNMENT：BS向MS发送立即分配消息，通知MS为其分配的专用信道。（5）MS->被叫MSC -PAGING RESPONSE：MS发出呼叫应答。（6）BS->MS -L2_UA：BS发送L2确认。（7）被叫MSC->MS -AUTHENTICATION REQUEST：被叫MSC向MS发送鉴权请求。（8）MS->被叫MSC - AUTHENTICATION RESPONSE：MS向被叫MSC发送鉴权应答。（9）被叫MSC->MS -SET UP：发送建立信令。（10）MS->被叫MSC -CALL C

12、ONFIRMED：MS发送呼叫确认。（11）MS->被叫MSC -ALERTING：发送被叫已振铃的提醒。（12）MS->被叫MSC -CONNECT：被叫MS发送连接建立信令。（13）被叫MSC->MS -CONNECT ACK：连接建立确认，进入通话阶段。（14）MS->被叫MSC -DISCONNECT：连接已中断。（15）被叫MSC->MS -RELEASE：发送释放请求。（16）MS->被叫MSC -RELEASE COMPLETE：确认释放完成。（17）BS->MS -CHANNEL COMPLETE：信道释放。（18）MS->BS

13、-L2_DISC：L2连接释放。（19）BS->MS -L2_UA：L2确认，被叫通话结束。七、实验中出现的问题及解决方法 1、硬件连接问题： 由于实验用实验箱与计算机是通过串口线进行的连接，有些线材老化，会出现接触不良的情况，这会导致在计算机端开启软件后，软件提示“硬件未连接”的情况，通过重新连接串口线及重启实验用软件后，基本可以解决此类问题。 2、关于系统配置信息的问题：图1-3 系统配置信息进行主叫的实验组和进行被叫的实验组，必须相互包含彼此配置数据，并且保证配置数据的正确；尤其是对应的交换机端口号。在进行主叫实验过程中，由于疏漏，我们将配置信息中的被叫组交换机端口号记为了“6”（

14、实际应为“7”），这样会造成，我们进行主叫实验的时候，信令窗口显示被叫方正处于振铃状态，而被叫组实验箱并未振铃，而与交换机“6”端口相连的其他实验组出现了振铃。这个问题就是由于系统配置文件错误而造成的。 3、主叫实验号码选择完成后，一定要单击“OK”键： 此问题是由于实验软件设计缺陷造成的。在几次的主叫实验中，由于选择号码后，没有单击“OK”键，而造成无法正常呼叫的错误。八、思考题 1、实验中，小交换机的作用是什么？如果配置文件的端口和实际连接端口不符，会出现什么现象？答：交换机的作用是完成两个MS之间的话音通信。在移动台呼叫过程的实验中，在主叫和被叫之间信令交互完成之后，交换设备完成两个学生

15、平台之间话音的接续。用小交换机进行话音接续模拟了实际移动通信系用中话音信号在有线部分的传输：主叫BS主叫MSC被叫MSC被叫BS。 如果配置文件的端口和实际连接端口不符，则会出现第“七”点中2所述的问题，即会出现窜线的情况。 2、实验中，若主叫无法呼叫被叫方，分析可能产生的原因。答：可能原因如下： （1）进行主被叫实验的两组实验软件配置信息出现错误，或者未包含彼此的配置信息。（2）被叫方可能处于关机状态。（3）被叫号码无效（4）号码选择后未点击“OK”键。九、实验心得本次实验模拟了移动通信中主被叫的实现过程。实际生活中，看似简单的一次通话过程，其中却囊括了如此多的设备之间的配合和信息交换，而且

16、实现过程如此短暂。通过观察主被叫实验的信令流程，不仅明确了一次通话的建立过程，更通过对每一条信令的分析，理解了移动台、基站、交换网络之间是如何相互配合，来完成一次看似简单，实现起来确实如此复杂的通话过程。不得不对这些硬件设备和软件协议的设计人员产生由衷的敬佩。实验二 900MHz GSM手机实验一、实验目的 1、了解GSM模块的基本功能 2、熟悉用AT命令控制GSM模块进行语音通信的流程 3、掌握TEXT模式和PDU模式下的短信收发命令二、实验仪器 1、移动通信实验箱一台； 2、台式计算机一台； 3、GSM网络有效SIM卡一张三、实验原理 GSM是由ETSI制定的全球数字蜂窝移动通信系统，为第

17、二代蜂窝系统，俗称2G。 本实验主要围绕如何用AT命令来控制SIM200 GSM模块来实现语音通信和TEXT模式下的短消息发送AT+CREG?查询网络登录状态AT+CSQ查询接收信号强度ATDT<电话号码>主叫拨号ATA被叫摘机ATH0主动挂机或终止电话呼叫AT+CCFC=<reas>,<mode>,<号码>,号码模式呼叫转移与控制AT+CLIP=0或1来电显示与控制AT+CMGF=0或1设置短信工作模式AT+CMGD=<n>删除短信AT+CMGL=<stat>短信列表AT+CMGS发送短信四、实验内容 1、记录下主叫和被

18、叫情况下对应的AT命令及其响应 2、记录TEXT模式下发送短消息、接收短消息、短消息列表、删除短消息所对应的命令和响应 3、记录AT命令设置来电、呼转等功能的响应五、实验步骤 1、通过串行口将实验箱和电脑连接，将SIM卡装入相应的实验模块中，给实验箱上电。将与实验箱相连的电脑上的学生平台程序打开。在主界面上双击“GSM终端”实验图标，进入实验界面。 2、实验台向手机发送短信：使用AT命令向手机发送短信，10秒钟左右，查看对应短信是否被手机接收。 3、手机向实验箱发送短信：从手机上向实验箱恢复短信，使用AT命令查看收到的消息内容。 4、实验台向手机拨打电话：使用AT命令进行主叫拨号，接通后使用A

19、T命令进行主叫挂断。 5、手机向实验台拨打电话：使用手机向实验箱发起电话呼叫，使用AT命令进行被叫摘机。 6、验证AT命令：在透明数据发送栏中，输入AT命令，就可以通过AT命令直接控制短信发送、电话呼叫等过程。注： 本实验AT命令结尾的回车不用输入，但需要选定命令框后面的Tail；短信发送内容时依然选勾Tail，然后输入1A，并选定命令框后面的Hex+Tail，点击发送。六、实验过程及分析 1、查询网络登录状态AT命令：AT+CREG?<CR>通过返回消息可知，目前网络登录成功，且处于漫游状态。 2、查询接收信号强度AT命令：AT+CSQ根据返回消息，参数16代表rssi（接收信号

20、强度指示），其表示目前接收信号灵敏度为-81dBm；参数99代表网络误码率，其表示目前误码率不可知或不可检测。 3、主叫拨号AT命令：ATDT<电话号码><CR>返回命令中：OK代表接通或正在振铃；NO CARRIER代表对方无人接听。 4、被叫摘机AT命令：ATA<CR>根据返回信息可知，当实验箱处于被叫状态时，会返回“RING”，由于开启了来电显示，所以会显示来电号码。使用ATA<CR>命令接通电话后，会返回OK命令。 5、主动挂机或者终止电话呼叫AT命令：ATH0<CR>挂断电话后，会返回“OK”提示。 6、来电显示与控制AT命

21、令：AT+CLIP=0或1<CR>其中，0表示关闭来电显示，1表示打开来电显示。打开来电显示的效果已在4中展示，以下展示关闭来电显示后的返回信息。可以看到，关闭来电显示后，但实验箱振铃后，返回信息只有“RING”提示，而没有呼入电话号码的信息。 7、短信操作（1）发送短信AT命令：AT+CMGF=1 AT+CMGS=<电话号码> <短信内容>（Ctrl-z）（2）读短信内容AT命令：AT+GMGR=<index> 其中index表示储存在SIM卡上的短信条目序号。可以观察到，通过读短信内容命令，我们可以得知短信发送的目的电话号码，短信发送的时间，

22、以及短信的内容。其中，“REC UNREAD”表示接收到的未读短信。（3）删除短信AT命令：AT+CMGD=<n><CR>返回“OK”表示短信删除成功。（4）短信服务中心查询AT命令：AT+CSCA?返回信息中的号码表示短信服务中心地址。七、实验中出现的问题及解决方法 1、发送AT命令时，必须选中“Tail”选项，代表AT命令的末尾必须添加回车符号<CR>； 2、实验中的呼叫转移与控制未实现； 3、在对SIM卡中存储的短信进行操作时，由于事先不清楚SIM中短信存储的顺序，所以，要首先列出短信列表，通过查询列表中短信所对应的序号，再通过序号对短信进行操作。八、

23、思考题 1、使用AT命令设置呼叫转移后，若不再取消，手机的SIM卡是否一直保持该功能？答：使用AT命令进行呼叫转移设置与在手机端进行呼叫转移设置原理是相同的，如果不进行取消，则呼叫转移状态将保持不变。 2、AT命令拨打某手机电话时，若该手机关机、占线、无人接听，返回值是否一样？答：不一样，在手机关机情况下返回值是：NO DIALTONE；在占线的情况下是：BUSY；在无人接听的情况下是：NO CARRIER。九、实验心得虽然说我们现在大部分的同学都已经在使用3G甚至4G标准的(U)SIM卡，但GSM系统作为如今覆盖范围最广泛，使用用户最多的系统，仍有其学习和参考的价值，更何况如今倡导4G标准的

24、中移动的话音业务仍是由GSM网络来承载的。这次的实验不难，但是让我明白了在手机端看来如此简单的一些功能，背后却蕴藏着逻辑缜密的工作原理。但使我印象最深刻的还是：移动通信系统虽然发展迅速，但我们仍需要脚踏实地的学习，哪怕使从最基础的开始。因为技术是在逐步进步的，就好比人不可能一口吃成胖子，一步一步的学习，我们才有可能站在巨人的肩膀上。实验三 网络协议分析一、实验目的 1、熟悉网络协议分析原理及分析软件使用 2、分析Ethernet V2标准规定MAC层帧结构，了解IEEE802.3标准规定的MAC层帧结构和TCP/IP的主要协议和协议的层次结构 3、分析ARP协议报文首部格式，掌握ARP协议工作

25、原理； 4、分析IP报文格式； 5、了解ICMP协议的工作过程 二、实验内容 1、通过对截获帧进行分析，验证MAC层帧结构 2、初步了解TCP/IP的主要协议和协议的层次结构 3、运行ping命令产生ARP解析过程，捕获网络数据帧 4、对ARP、IP、ICMP网络层数据包结构进行分析三、实验原理局域网近年来快速以太网、吉比特以太网和10吉比特以太网的飞速发展，采用CSMA/CD接入方法的以太网已经在局域网市场中占有绝对优势，以太网几乎成为局域网的同义词。常用的以太网MAC帧格式有两种标准，一种是DIXEthernet V2标准，另一种是IEEE的802.3标准。ARP协议时地址解析协议的简称，

26、实际通信中，物理网络采用硬件地址进行报文传输，IP地址不能被物理网络所识别，所以必须建立两种地址间的映射关系，这一过程称为地址解析。用于将IP地址解析成硬件地址的协议就称为ARP协议。IP协议是一种无连接、点对点的数据报传送协议，位于网络层，且能将来自底层的不同物理网络帧统一为IP数据报提供给传输层使用。ICMP是因特网控制报文协议的缩写，允许路由器或主机报告差错情况和提供有关信息，用以调试和监视网络。在网络中，ICMP报文将作为IP层数据报的数据，封装在IP数据报中进行传输。Ping 是Windows系列自带的一个可执行命令。利用它可以检查网络是否能够连通，用好它可以很好地帮助我们分析判定网

27、络故障。应用格式：Ping IP地址。该命令还可以加许多参数使用，具体是键入Ping按回车即可看到详细说明。Ping的基本原理：向目标主机发送一个ICMP回声请求消息给目的地并报告是否收到所希望的ICMP回声应答。四、实验步骤 1、查看自己及需要合作Ping的同组的IP地址。 2、启动wireshark，在capture中选中options，在选项中设置要抓包的范围，以及一些其选项。 3、和对方组进行ping命令，同时利用wireshark进行抓包，并在一定时间时停止抓包。五、实验过程及分析 1、ARP实验中通过ping命令，通过ARP协议与目标主机建立连接，以下为观察到的ARP协议报文及工作

28、过程：（1）源主机广播ARP请求：上图中第一条ARP报文为广播请求报文，因为此时ARP缓存中没有目标主机的硬件地址，则源主机在网段内进行广播，寻找具有目标IP的主机。从详细信息窗口中可以验证ARP协议的工作原理，此时可以看出，该报文中包含着源主机的硬件地址和IP地址，以及目标主机的IP地址，而目标主机物理地址为00，说明现在源主机不知道目标主机的硬件地址，所以此时为广播类型。（2）目标主机回应源主机ARP请求：上图中可以看出，此时处于同一网段的目标主机，接收到源主机的广播请求后，向源主机返回ARP回应，来告知源主机自己的物理地址。通过详细信息窗口可以看出，此时的ARP报文为回应（reply）报

29、文，发送的方向是目标主机到源主机，所以此时报文中的Sender MAC address和Sender IP address为目标主机的MAC地址和IP地址，Target MAC address和Target IP address为源主机的MAC地址和IP地址。但源主机收到此条回应报文后，会在ARP缓存中记录目标主机的物理地址。（3）ARP缓存信息 通过ARP A命令，可以查看ARP缓存中所储存的处于同一网段的一些主机的物理地址，而另外一些没有与源主机通信过得主机，其物理地址并不在此缓存中。例如本次实验的目标主机，其IP地址为1,。通过下图可知，在执行ping命令之前，AR

30、P缓存中没有目标主机的物理地址；执行ping命令后，通过ARP协议，源主机获得了目标主机的硬件地址，并加其存入ARP缓存中，如下图中第二次ARP A命令后的ARP缓存。 2、ICMP运行ping命令后，源主机会向目标主机发送ICMP请求报文，目标主机会向源主机返回ICMP应答报文。由于ICMP报文是作为IP层数据报的数据，封装在IP数据报中进行传输，所以可以看到ICMP报文前为IP数据报报头。IP报头结构分析如下：Version版本号，为4.0版本Header length 报头长度为20byteDifferentiated Services Field

31、 服务类型Total length IP数据报总长度为60byteFlags 标志位0x00； Fragment offset 片偏移，为0 Time to live 生存时间，最高为128 Protocol协议类型为ICMP（1）； Header checksum 头校验Source 源IP地址 Destination 目的IP地址ICMP报文结构分析如下：Type类型为8（request）Code代码为0Chec

32、ksum校验和为0x345c正确Identifier标识符0x0400Sequence number序列号5376Sequence number（LE）序列号（LE）21 3、TCPTCP报文结构分析如下：Source port源端口为scientia-ssdb（2121）Destination port目的端口为http（80）Sequence number序列号0Header length32bytesFlags 标志位0x02Windows窗口大小65535Checksum校验和Options选项（12bytes）六、实验中出现的问题及解决方法本次使用的Wireshark软件，

33、操作较为方便，但实验中在数据包过滤部分仍遇到了一些问题。Wireshark软件在抓包操作对话框和主界面上分别有两个过滤选项，由于一开始对这两个过滤选项的功能不是很了解，我们在主界面的过滤选项中输入了“只捕获制定MAC地址的数据包”，而软件却提示错误，并且没有按要求过滤。后来仔细研究了以下两个过滤选项的区别，发现，在抓包设置对话框中的过滤设置为抓包时过滤，意思是在抓包过程中只抓取满足该过滤规则的数据包；而软件主界面上的过滤器，其为显示过滤，功能是只在主界面上显示符合该过滤条件的数据包。两者虽然显示结果相同，但原理和功能并不相同，因此，过滤规则并不通用。七、思考题 1、挑选捕获的一个数据包，写出该

34、包中Ethernet帧的结构以及各项信息的含义；答:（以ARP请求数据包为例）第一、二字段分别是目的地址和源地址字段，长度是6字节，信息为：目的地址是局域网内所有的mac地址，源地址为realteks_05:26:56。第三字段是类型字段，信息是ARP类型。第四字段是数据字段，即ARP协议内容。第五个字段是帧校验序列FCS。 2、挑选捕获的一组ARP数据包，画出以太网上ARP请求/应答的帧格式以及各项信息数值；答：请求ARP数据包格式：硬件类型（以太网）、协议类型（IP）、硬件大小（6，即48位）、协议大小（4，即32位）、ARP报文类型（请求类型）、发送端MAC地址（Oracle_d2:29:63）、发送端IP地址（2）、目的端MAC地址（局域网内全部的mac地址）、目的端IP地址（1）。 3、捕获数据包的封装协议层次依次有哪些？答：数据包封装协议层次：物理层，数据链路层，网络层，传输层，会话层，表示层，应用层。 4、当ping一个局域网中不存在的机器时，会捕捉到什么样的数据包？答：连续发送4次ARP请求报文，却收不到目的地址的回应，无法建立连接。 5、