（信号与信息处理专业论文）gprs在电力系统设备运行监测中应用的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着移动通信技术、计算机技术和i n t e r n e t 网络技术的发展，尤其是通用分组 无线业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的出现，使无线移动技术在工 业监测技术中，特别是在电力系统设备监测中有着潜在的发展空间。 本文对电力系统设备监测的发展现状进行了论述，明确了本课题的意义，介绍 了g p r s 移动通信系统，论述了g p r s 无线数据传输系统的组成及系统实现的功能， 完成了g p r s 数据终端单元的硬件电路设计及各功能模块的调试，对g p r s 模块 q 2 4 0 3 a 的s m s 、g p r s 网络登录过程和t c p 连接过程进行了详细地分析，实现了u d p 、 t c p 数据包的传输，并对实际传输数据进行了定量测试。系统有网络状态检测机制， 提高了系统的可靠性。 关键词：通用分组无线业务，q 2 4 0 3 ，a t 眶g a 6 4 ，p p p 协议，t c p i p 协议 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 、c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n di n t e r n e tn e t w o r kt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h ea p p e a r a n c eo fg p r s ， w i r e l e s sm o b i l et e c h n o l o g yi si n c r e a s i n g l yg e t t i n gp o t e n t i a lm a r k e t si ni n d u s t r i a l m o n i t o r i n gt e c h n o l o g ye s p e c i a l l yt h ei n s t r u m e n tm o n i t o r i n gi np o w e rs y s t e m t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so fp o w e rs y s t e mm o n i t o r i n gi si n t r o d u c e d ， t h er e s e a r c hm e a n i n g f u l n e s si sa s s u r e d a n dw ep r e s e n tt h es t r u c t u r eo ft h eg p r s d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e ma n df u n c t i o n ，d e s i g nd a t at e r m i n a t i o nu n i tb a s e do ng p r s ， a n dd e b u gt h ef u n c t i o n a lm o d u l e s ，s m sf u n c t i o n ，p p p n e g o t i a t i o na n dt c p c o n n e c t i o nf o rad e t a i l e da n a l y s i s a n dq u a n t i t a t i v em e a s u r eo ft h ea c t u a l t r a n s m i s s i o nd a t ai sd o n e t h es y s t e ms e t st h ed e t e c t i o no fg p r sn e t w o r k ，w h i c h e n h a n c e st h er e l i a b i l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m z h a n gc h u n r o n g ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f f a nh a n b a i k e yw o r d s ：g p r s ，q 2 4 0 3 ，a t m e g a 6 4 ，p p p t c p i p 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文g p r s 在电力系统设备运行监测中应 用的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一f 司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。 学位论文作者签名：銎盎墓 e l期：蟹! ! 竖 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：瑟盘苤 e l 期：迦l ；：竖 导师签名：盏塞盍亘 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 本课题的选题意义 第一章引言 电力作为当前最主要的工业能源，在现代工业企业中具有举足轻重的作用。随 着企业自动化生产水平的逐步提高，对电力供应安全性、可靠性的要求也越来越高。 电力部门需要实时监测这个系统的运行状况、读取数据，但由于电力系统覆盖范围 比较广且分布地域也比较复杂，特别是地理位置比较偏僻、监测点比较分散，无法 架设有线网络或远程线路铺设及维护均需较高的代价【1 1 。因此需要一个高效、廉价、 可靠的通信系统，将反映监控点设备运行状况的数据信息传送给监测中心，并且将 监测中心的测试命令准确地传送到为数众多的远方终端。 随着g p r s 无线通信技术、计算机技术的发展，使得建立一个廉价、可靠、时 效性强的无线通信网络成为现实。g p r s 2 h 3 ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是在g s m 系统的基础上建立的移动网络系统。它所依托的网络稳定可靠、覆盖面广。作为现 有g s m 网络向3 g 演变的过渡技术( 2 5 g ) g p r s 在许多方面具有显著的优势： 1 从技术角度上讲，数据传输率高，理论值可达1 7 1 2 b i t s ，能满足电力通信网对 通信速度的要求：接入速度快，可快速建立连接，提供实时在线功能，用户始 终处于连线和在线状态，满足电力系统通信实时性的要求；系统扩容方便，无 需铺设线路，浪费线材与人力，易维护。 2 从经济角度上将，可充分利用现有的资源，方便、快速、低建设成本地为用户 数据终端部署远程接入网络；通信费用低廉，g p r s 通常按照流量计费。 从上述分析来看，g p r s 无线通信为覆盖面广、地理位置分散的电力系统设备 运行状况的监测提供了经济可靠的通信手段。本课题就是基于以上背景，对g p r s 在电力系统设备运行监测中的应用进行了研究并设计了g p r s 数据终端单元。 1 2 电力监测系统发展现状 伴随着计算机技术、通信技术、自动控制技术以及网络技术的不断发展，监测 系统历经了集中式监测、集散式监测和现场总线监测等阶段，目前广为应用的是分 布式网络监测系统1 4 j 。 分布式网络监测系统采用现场智能设备来实现实时监测和网络通信协议，并利 用网络技术构成监测系统的操作平台。分布式网络监测系统较好地解决了自动控制 的两个基本问题：即现场设备的实时监测和现场信号的网络通信，这就为构成可靠、 高效的监测系统奠定了扎实的技术基础。分布式网路监测系统根据数据传输方式的 华北电力大学硕士学位论文 不同可以分为有线网络监测系统和无线网络监测系统。有线通信是利用导线来传递 信息的，包括电力线载波通信和光纤通信；无线通信是利用无线电波传递信息的， 主要包括微波通信。 在国外，日本由于无线电通信频段大都被电台占用而很难得到保证，日本在配 电网自动化系统中，基本不采用无线电通信，光纤因处在发展阶段，目前只在一部 分地方使用，比较普遍的是利用通信电缆和配电线路来传送配电网自动化信号，而 在欧美等国家，却广泛采用无线寻呼通信网络和有线通信相结合的方式【1 1 。我国电 力通信已发展为具有多种通信方式、具备一定能力较为完整的通信网络，但仍存在 一些严重的薄弱环节的问题，主要表现在：由于载波通信速度低，除了在继电保护 领域继续得到应用外，在其他业务的应用逐渐取消；微波通信由于容易受到干扰、 误码率较高，应用也越来越少，光纤通信由于其高性能、大容量、高速度而得到迅 速普及，目前大量的应用都建立在光纤通信的基础上，但其投资较大，不是所有的 应用场合都适用，如配电网抄表系统、各种监测系统等由于各监测点分布范围广、 数量多、距离远，个别点还地处偏僻，因此需要线路较多，而且有些监测点有线线 路难以到达州。 与有线通信方式相比，采用g p r s 无线通信方式则显得非常灵活。它具有组网 灵活、扩展容易、运行费用低，维护简单、性价比高等优点。总之，采用g p r s 无 线传输方式解决电力设备监测数据的实时传输问题己成为一个新的研究热点。本课 题正是在这样的背景下提出的。 1 3 本课题所作的工作 本文主要研究应用于电力系统设备运行监测中的g p r s 数据终端单元的设计 与实现，主要研究内容如下： 1 本文调研了电力监测系统通信的发展现状，并对g p r s 应用于电力系统通信进 行了可行性分析，明确了课题的研究意义和实用价值； 2 介绍了g p r s 无线通信系统的网络结构、通信协议及基于g p r s 的数据传输； 3 详细介绍了实现g p r s 无线数据传输用到的协议，主要包括t c p 、u d p 、珥和 p p p 协议，详细分析了它们的报文格式，并给出了首部的程序定义格式； 4 介绍了g p r s 无线数据传输系统的组成，对g p r s 终端单元用到的主要器件作 了介绍，并设计了g p r s 数据终端单元的硬件电路，详细介绍了各主要功能模 块的设计，介绍了数据中心的组网方案； 5 详细论述了g p r s 无线数据传输的软件设计思路，对各功能模块的软件实现进 行了论述，介绍了a t 指令，实现了g p r s 模块0 2 4 0 3 a 的s m s 和语音功能； 对p p p 协商过程、t c p 连接过程进行了详尽的分析，列举了系统设计过程中遇 2 华北电力大学硕士学位论文 到的问题及解决方案； 6 对g p r s 无线数据传输系统进行了功能测试，介绍了g p r s 终端单元的三种工 作模式，对数据进行了定量测试； 7 总结了本课题所做的工作和成果，并提出了下一步的工作展望。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章g p r s 无线通信系统 g p r s l 8 】是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 的缩写，即通用分组无线业务，是g s m 向3 g 系统演进的重要一环，它既考虑了向第三代系统的过渡，同时又兼顾了现有 的第二代系统，是第二代g s m 系统过渡到3 g 的必经之路，所以g p r s 也被称为 “2 5 g 技术”。 g p r s 采用与g s m 相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的 无线调制标准、相同的调频规则以及相同的t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a d d r e s s ) 帧结构。g p r s 网络是对g s m 的平滑升级，通过在g s m 系统的无线侧新增p c u ( p a c k e t c o n t r o l u n i t ) 作为分组接入和控制单元，在网络侧新增s g s n ( s e r v i n g g p r s s u p p o r t n o d e ) 和g g s n ( g a t e w a y g p r ss u p p o r t n o d e ) 实施用户管理和分组支撑， 将电路交换系统和数据交换系统合二为一，从而实现系统资源的有效利用，拓展系 统功能网。 g p r s 系统作为无线和网络的融合，实现技术中既包含无线技术，又包含数据 技术，所以相对子g s m 而言交化较大。从网络结构上讲，g p r s 系统增加了数据处 理单元，并通过一些核心网络设备来处理数据信息。从接口种类上说，增加了s s 7 ( c o m m o nc h a n n e ls i g n a l i n gs y s t e mn o 7 ) 信令接口和数据接口。从协议种类上讲， g p r s 网络涉及到帧中继协议，球协议等等。从业务支持来讲，g p r s 支持基于w a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 和t c p 1 p 的互联网访问、多媒体短信、视频业务、e m a i l 业务及无线远端遥控等。g p r s 系统采用了g s m 系统的频率和系统资源，提供的数 据理论速率最高可达1 7 1 2 k b p s 。在下一代网络应用之前，可以很好的满足多样化的 业务需求【9 】。 2 2g p r s 网络结构及接口 g p r s 系统中新引入的网络单元可区分为无线部分和数据部分两大类。其中， p c u 属于无线管理部分，s g s n 属于无线管理和数据管理公用部分，g g s n 则完 全属于数据管理部分。其他一些辅助单元虽然在g p r s 系统中未给出定义，但在数 据网络中必不可少，如域名解析服务器d n s ( d o m a i nn a m es y s t e m ) ，动态地址分配 服务器d h c p 位y n a m i c a lh o s tc o n f i g u r ep r o t o c 0 1 ) ，网络时间协议服务器n t p ( n e t w o r kt i m ep r o t o c 0 1 ) 等等。p c u 与b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 协同作用，提供 无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射，数据包的拆封和确认，无线 数据信道的分配等。p c u 可作为模块单元插入b s c ，或者作为独立于b s c 的单元 4 华北电力大学硕士学位论文 存在。s g s n 通过g b 接口提供与无线分组控制器p c u 的连接，进行移动数据的管 理，如用户身份识别、加密、压缩等；通过g r 接口与h l r ( h o m e l o c a t e r e g i s t e r ) 相 连，进行用户数据库的访问及接入控制；通过g n 接口与g g s n 相连，提供i p 数 据包到无线单元的传输通路和协议变换等功能；s g s n 还可以提供与m s c ( m o b i l e s e n r i c es w i t c h i n gc e n t r e ) 的g s 接口连接，以及与s m s c ( s h o r tm e s s a g c s e r v i c cc e n t r e ) 的g d 接口连接，用以支持数据业务和电路业务的协同工作和短信 收发等。g g s n 负责g p r s 网络与外部数据网的连接，提供g p r s 与外部数据网之 间的传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。g g s n 起到路由器的 作用，它与其它相关网络单元如d n s 、d h c p 等设备协同实现数据业务的接入和传 送等功能。g g s n 与s g s n 之间的接口为g n 接口，采用g t p ( g p r st u n n e l l i n g p r o t o c 0 1 ) 协议类型；g g s n 与外部数据网之间的接口为g i 接口，采用i p 协议类型。 图2 - 1 描述了g p r s 系统结构【引。 2 3 网络通信协议 图2 - 1g p r s 系统结构 g p r s 通信协议体现了无线和网络相结合的特征。其中既包含类似局域网技术 中的逻辑链路控制l l c ( l o g i c a ln n l 【c o n t r 0 1 ) 子层和媒体接入控制m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层，又包含无线链路控制r l c ( r a d i ou n kc o n t r 0 1 ) 层和 b s s g p ( b s sg p r sp r o t o c 0 1 ) 等新引入的特定协议。各种网络单元所包含的协议层次 有所不同，如p c u 协议体系与无线接入相关；g g s n 中协议体系与数据应用相关； 5 华北电力大学硕士学位论文 s g s n 协议体系则涉及两个方面，它既要连接p c u 进行无线系统和用户管理，又要 连接g g s n 进行数据单元的传送。s g s n 与p c u 侧的g b 接口上采用帧中继协议， 与g g s n 侧的g n 接口上则采用t c p ，i p 协议。s g s n 中协议底层部分与无线管理相 关，高层部分则与数据管理相关。图2 2 描述了g p r s 传输协议平台1 9 1 。 g p r s 系统中，g p r s 隧道规程g t p 协议用以进行g n 接口上的数据封装功能； 子网汇聚层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 ep r o t o c 0 1 ) 用以提供不同协 议种类的接入功能，进行数据报中数据和和控制部分的压缩、封装功能；逻辑链路 控制l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层可以提供m s 与s g s n 之间稳定的逻辑链路，并 通过确认机制保证数据的可靠传输；无线链路控制r l c ( r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 层将 l l c 数据包变为r l c 数据包，通过无线接口传送；媒体接入m a c 层执行接入控制 功能，提供多个m s 共享同一物理信道的控制机制；无线层提供无线信道用以进行 m s 与p c u 之间信息的传送。 a p p l i c a t i o n i p i p s n d c p s n d 价7 g t p g t p r e i a y l l cl l c t c p ， 口：e u d p u d p r l c 溶 b s s g p i pm n e t w o r k n e t w o r k m a c m a c l 2l 2 s 玎“ s e r v i c e g s m r f o s m r fl l b i s l 1 “s l ll l m su mb s s g b s g s ng ng g s ng i 图2 - 2g p r s 传输协议平台 2 4g p r s 的数据传输 在能够发送或接收数据前，必须为移动台激活( 或创建) 一个p d p ( p a c k e td a t a p r o t o c 0 1 ) 前后关系( 数据地址) ，使用p d p 前后关系实现g p r s 网的路由选择。一个 g p r s 签名可以包含凡个p d p 地址，在移动台、s g s n 和g g s n 中的每个p d p 地址 保持一个独立的p d p 前后关系。一个用户所有的p d p 前后关系与同一个m m ( m o b i l e m a n a g e m e n t ) 环境相关，该m m 环境是对用户的i m s i ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e s u b s c r i b e ri d e n t i t y l 而言的。 2 4 1g p r s 前后关系激活 移动台在p d p 前后关系激活中使用一种方式，把自己与g p r sp l m n ( p u b l i c 6 华北电力大学硕士学位论文 l a n d sm o b i l en e t w o r k ) 的s g s n 连接起来。移动台被分配一个无线网络已知的 1 1 脚( t e m p o r a r y l o g i c a l l i n k i n d e n t i t y ) 。然而，外部的网络节点( i p 或x 2 5 ) 仍然不 知道移动台。因此，移动台必须与g g s n 一起建立一个p d p 前后关系。 s g s n 和g g s n 是通过口地址区分的。s g s n 和g g s n 之间存在一个多对多的 关系。多个隧道( 为s g s n 和g g s n 之间数据的安全传输而使用的) 可以存在于一对 g g s n 之间，每个隧道都具有一个特定的t i d ( t o n n e li d e n t i f i e r ) 。激活过程包括下 面4 个步骤： 1 移动台向s g s n 发送一个p d p 前后关系激活请求： 2 s g s n 根据移动台提供的信息和其他配置选择g g s n ，请求g g s n 为移动台创 建一个前后关系。s g s n 将选择一个g g s n ，该g g s n 提供所需的特定的类型 的前后关系( 诸如i p 网络接入和x 2 5 接入) ； 3 g g s n 向s g s n 发送带t i d 信息的回复信号，更新自身所带的表，在表中完成 t i d 和s g s ni p 地址和与之相关的特定移动台的映射； 4 s g s n 向移动台发送一条消息，通知移动台，已为它激活一个前后关系。s g s n 也更新包含t i d 和g g s ni p 地址表，并已用这些t i d 和g g s ni p 地址为移动 台建立了隧道。 2 4 2 来自移动台的g p r s 数据传输 在连接s g s n 和激活p d p 前后关系后，移动台被外部的分组数据网( p d m 所知 道，而且能够向网络发送和接收来自网络的信息。现在移动台的一个用户应用将产 生讲和x 2 5 分组。分组包括源地址、目的地址和信息分组流程按下面的步骤进 行1 8 】： 1 在s g s n 和移动台之间存在一条逻辑链路，由该移动台专用的t l l i 区别该链路。 在移动台存在一个表，它保存移动台到t l l i 和相关的n s a p i ( n e t w o r ks e r v i c e a c c e s sp o i n ti d e n t i f i e r ) 的映射信息。s n d c p 层取得原始的i p 分组，加入包含 t l l i 和n s a p i 信息的头信息，然后将这些分组发送到s g s n ： 2 在s g s n 的表中还存储有t i i i 和n s a p i 到对应t i d 和g g s n i p 地址映射信息。 在s g s n 中，去除包含t i ，i j 和n s a p i 的头，然后在它的位置放上包含t i d 和 g g s n i p 地址的g t p 头； 3 分组以i p 格式发送到g g s n ，其中s g s n 的口地址作为源地址，g g s n 的i p 地址作为目的地址。t i d 也是l p 数据分组的一部分； 4 在目的端( g g s ，去掉分组头，得到原始的口或x 2 5 分组。现在这个分组能 够被送到它的目的地，该目的地来自分组的目的地址字段。 2 4 3g p r s 数据向移动台传输 7 华北电力大学硕士学位论文 数据向移动台传输过程类似于数据从移动台传输。传输步骤如下： 1 来自外部网络的分组到达g g s n 。g g s n 查表去测定移动台的特定的s g s n 地 址和t i d ，该移动台是分组的期望接收者； 2 s g s n 产生m 数据报( 分组) ，数据报分组包含作为源地址的g g s ni p 地址、作 为目的地址的s g s n i p 和原始的口分组及t i d 分组： 3 s g s n 把t i d 和s g s n 映射为表中相应的t l l i 和n s a p i 值。在该点，s g s n 知 道移动台在哪里和它必须把分组送给哪个网络应用； 4 s g s n 取得原始的i p 分组，加入包含n s a p i 和t l l i 的分组头，把它传送到移 动台得s n d c p 层去掉分组头，把分组送到相关的网络应用层。 2 5 本章小结 本章主要介绍了g p r s 无线通信系统，进一步了解了g p r s 特点，介绍了g p r s 系统的结构和相关接口，介绍了g p r s 网络的通信协议，了解了g p r s 网络的通信 过程，为利用g p r s 无线数据传输实现对电力设备监测奠定了基础。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于g p r s 的数据传输协议 g p r s 技术是移动通信和i p 技术相结合的产物，g p r s 模块支持i p 协议，数据 在传输过程中要遵循t c p f l p 协议。本章详细介绍本系统实现无线数据传输所用到 的协议。 3 1t c p i p 协议族简介 国际标准化组织( 1 m 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 ) w 经提出了一种七层网 络通信模型开放系统互连参考模型o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c e m 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 锝广泛的应用，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 1 列出 了t c p i p 协议族和o s i 的七层模型的对照表【1 0 】【1 。 o s it c m p 应用层 表示层应用层 会话层 传输层传输层 网络层网络层 数据链路层 链路层 物理层 图3 - 1t c p i p 和o s i 模型 在t c p i p 协议中，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 它任何媒介) 的物理接1 2 1 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 f l 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 9 华北电力大学硕士学位论文 塞控制。 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，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 rd 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 它的数据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一端。 任何必需的可靠性必须由应用层来提供。 应用层与o s i 的会话层、表示层和应用层相对应。大多数应用层通用服务是向 用户应用提供访问网络的接口。 3 2i p 协议 3 2 1i p 报文格式 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。口传输的两个特点：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。图3 2 给出了i p 题头的格式 t o 】。 版本长度服务类型总长度 标识碎片偏移 扫 生存期协议题头校验和 源口地址 目标i p 地址 选项( 如果有的话) 图3 - 2i p 题头格式 版本( v e r s i o n ) ：标识了报文的i p 版本号。这个4 位字段的值通常为二进制0 1 0 0 ， 常用的i p 版本号是4 ( i p v 4 ) 。新的口协议版本号是6 ( i p v 6 ) 。 长度( h e a d e rl e n g t h ) ：字段长度为4 位，表示l p 报头的长度。设计报文长度字 段的原因是报文的选项字段大小会发生变化。5 表示i p 报头的最小长度为 5 * 4 = 2 0 字节。 1 n 华北电力大学硕士学位论文 服务类型( t y p eo fs e r v i c e ，t o s1 ：字段长度为8 位，它用来指定特殊的报文处理 方式。服务类型字段实际上被划分为两个字段：优先权和t o s 。优先权用来设 置报文的优先级。1 d s 允许按照吞吐量、时延、可靠性和费用方式选择传输服 务。 总长度( t o t a ll e n g t h ) ：字段长度为1 6 位，它是指整个i p 报文的长度。用i p 报 文总长度减去i p 报文头长度，就可以确定报文数据有效载荷的大小。 标识符( i d e n t i f i e r ) ：字段长度为1 6 位，唯一标识主机发送的每一个数据报，通 常每发一份它的值就会加l 。 标记字段( f l a g ) ：长度为3 位，其中第1 位没有使用。第2 位是不分片位( d f ) 。 当d f 位设置为1 时，表示路由器不能对报文进行分片处理。如果报文由于不能 被分片而未能被转发，那么路由器将丢弃该报文并向源点发送错误信息。第三 位表示还有后继分片( m f ) ，当路由器对报文进行分片时，除了最后一个分片的 m f 位设置为0 外，其他所有的m f 位均设置为1 ，以便接收者直到收到m f 位 为0 的分片为止。 分片偏移( f r a g m e n to f f s e o ：字段长度为1 3 位，用于指明分片起始点相对于报文 起始点的偏移量。由于分片到达时可能错序，所以分片偏移字段可以使接收者 按照正确的顺序重组报文。 生存时间( t i m et ol i v e ，t t l ) ：字段长度为8 位，在最初创建报文时t 1 几即被设 置为某个特定值。当报文逐个沿路由器被传输时，每个路由器都会降低t t l 的 数值。当t t l 值减为0 时，路由器将会丢弃该报文并向源点发送错误信息。缺 省值为6 4 0 。 协议( p r o t o c 0 1 ) ：字段长度为8 位，定义了使用m 层服务的高层协议。这个协议 字段指明了口数据报必须交付到的最终目的协议。如0 x 0 1 代表高层协议是 i c m p 协议，0 x 0 6 代表是t c p 协议，0 x l l 代表是u d p 协议。 题头校验和( h e a d e rc h e c k s u m ) ：是针对i p 报头的纠错字段。校验和的计算不使 用被封装的数据内容。 源地址和目的地址( s o u r c ea n dd e s t i n a t i o na d d r e s s ) ：字段长度为3 2 位，分别表 示发送报文源点和目的地的口地址。 可选项( o p t i o n ) ：是一个变长字段，并且是可选的。可选项被添加在报头中，包 括源点产生的信息和其它路由器加入的信息；可选项字段主要用于测试。 3 2 2i p 首部定义 t y p e d e fs t r u c t u n s i g n e dc h a rv e r s i o n _ h l e n ； 4 b i t 版本号，4 b i t 首部长度 u n s i g n e dc h a rs e r v i c e ； 8 b i t 服务类型 1 1 华北电力大学硕士学位论文 u n s i g n e di n ti 七a g t h ； 1 6 b i t 总长度 u n s i g n e di n ti d ； 1 6 b i t 标识 u n s i g n e di n tf r a g ； 3 b i t 标记，1 3 b i t 分片偏移 u n s i g n e dc h a r 兀l s b i t 生存时间 u n s i g n e dc h a rp r o t o c o l ； s b i t 协议域 u n m g n e di n tc h e c k s u m ； 1 6 b i t 题头校验和 u n s i g n e dc h a rs o u r c e a d d r e s s 【4 】；朦m 地址 u n s t g n e dc h a rd c s t a d d r e s s 【4 】； 目标口地址 i p d a t a g r a m ； 3 2 3 首部校验和的计算 采用r io1 0 7 1 中的校验模式，这是现有网络协议中广泛采用的校验方式。计算方 法如下【1 2 】： i n t i p c h e c k s u m ( c h a r d a t a , i n ts i z e ) ( u n s i g n e dl o n gs u m = 0 ： w h i l e ( s i z e 一 l n s u m + = ( ( u n s i g n e dl o n g x ( d a t a 8 ) 1 p a t a + d ) o 】【f f f f ) ； d a t a + = 2 ； ) s u m = ( s u m 1 6 ) + ( s u m 0 x f f f f ) ； s u m + = ( s u m 1 0 ； r e t u r nt w o p - d ) - s u m ； 3 3u d p 协议 3 3 1u d p 协议功能 u d p 是用户数据报协议的简称。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 使用底层的网 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 华北电力大学硕士学位论文 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 的应用程序来解决【1 0 l 。 3 3 2u d p 报文格式 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 报文格式如图3 3 所示【1 0 】【1 3 】 图3 - 3i j d p 报文格式 u d p 校验和采用与i p 题头校验和相同的算法计算。 3 4t c p 协议 3 4 1t c p 协议功能 t c p 是传输控制协议的简称。t c p 在应用层和m 层之间，是作为应用程序和 网络操作的中介物。传输层协议通常有几种责任。一种责任就是创建进程到进程的 通信；t c p 使用端口号来完成这种通信。另一种责任就是在传输层提供流量控制和 差错控制机制。t c p 使用滑动窗口协议来完成流量控制。t c p 使用确认分组、超时 和重传来完成差错控制。 传输层还应负责为应用程序提供连接机制。这些应用程序应当能够向传输层发 送数据流。在发送站传输层的责任是和接收站建立连接，把数据流分割成可传输的 单元，把它们编号，然后逐个发送。在接收端的责任是等待属于同一个进程的所有 不同单元的到达，检查并放过那些没有差错的单元，并以流的方式把它们交付给接 收进程。t c p 完成所有上面的任务【埘。 3 4 2t c p 报文格式 t c p 是面向连接的、可靠的传输协议。它给口服务添加了面向连接和可靠性的 特点。t c p 报文格式如图3 4 所示【1 0 l 。 华北电力大学硕士学位论文 源端口号信宿端口号 序号 确认号 h u k 保留 标识域 窗口大小 t 州 t c p 校验和紧急指针 选项( 如果有的话) 数据 图3 - 4t c p 报文格式 源端口号：1 6 位字段，在主机中发送这个报文段的应用程序的端口号，这 和前面介绍的u d p 源端口号的作用是一样的。 信宿端口号：1 6 位字段，在主机中接收这个报文段的应用程序的端口号， 和u d p 的目标端口号的作用是一样的。 序号：这个3 2 位字段定义了指派给本报文段第一个数据字节的一个数。t c p 是流式传输协议。为了保证连通性，要发送的每一个字节都要编号。序号 可以告诉目的端，这个序号中的哪个字节是报文段的第一个字节，目的进 程在知道数据块长度后就可以确定最后一个字节的序号。 确认号：这个3 2 位字段定义了源进程期望从对方接收的报文段的序号。 首部长度：这个4 位字段指出了t c p 首部共有多少个4 字字节。首部长度 可以在2 0 6 0 字节之间。因此，这个字段的值可以在5 ( 5 x 4 = 2 0 ) 至1 5 ( 1 5 x 4 = 6 0 ) 之间。 保留：这是6 位字段，保留为今后使用。 标识域：这个6 位字段定义了6 种不同的控制位或标志，在同一时间可以 设置一个或多个这样的位。 窗口大小：这个1 6 位字段定义了对方必须维持的窗口值( 以字节为单位) 。 t c p 校验和：t c p 首部+ 数据的校验和。 紧急指针：只有当紧急标志置位时，这个1 6 位字段才有效，这时的报文段 中包括紧急数据。紧急指针定义了一个数，把这个数加到序号上就得出报 文段数据部分中最后一个紧急字节。 选项：在t c p 首部中可以有多达4 0 字节的可选信息。 3 4 3t c p 连接 j t c p 是面向连接的协议。在t c p 中，面向连接的传输是通过两个过程来完成的： 连接建立和连接终止【l o 】1 1 ”。 1 连接建立过程 1 ) 客户端发送第一个报文段，s y n 报文段。这个报文段包括源端1 3 号和目的 t 4 华北电力大学硕士学位论文 端口号。目的端口号清楚地定义了这个客户打算连接到的服务器。这个报文 段还包括了客户的初始序号( i s n ) ，用来对从客户端发送到服务器的数据字 节进行编号。这个报文段不包括任何确认号。 2 ) 服务器发送第二个报文段，即s y n 和a c k 报文段。这个报文段有两个目的。 第一，它使用a c k 标志和确认号字段来确认已收到了第一个报文段。确认 号是客户初始序号加l 。第二，这个报文段用来对服务器的报文进行初始化。 3 ) 客户发送第三个报文段。这仅仅是一个a c k 报文段。它使用a c k 标志和 确认号字段来确认收到了第二个报文段。确认号是服务器的初始序号加l 。 2 连接终止过程 1 ) 客户端发送第一个报文段，f i n 报文段。 2 ) 服务器发送第二个报文段，即a c k 报文段，用来确认从客户端发来的f i n 报文段。在这种报文段中使用了确认号，这个确认号等于收到的f i n 报文 段中的序号加1 。 3 ) 服务器可以在服务器到客户端方向继续发送数据。当服务器没有更多的数据 发送时，它就发送第三个报文段。这个报文段是f i n 报文段。 4 ) 客户端发送第四个报文段，即a c k 报文段，用来证实从t c p 服务器收到了 f i n 报文段。这个报文段包括确认号，这个确认号等于从服务器收到的f i n 报文段的序号加1 。 由于需要清楚地掌握在连接建立、连接终止及数据传输时所发生的所有不同事 件，t c p 软件是以有限状态机的形式来实现的。客户端t c p 状态转换图如图3 - 5 所 示。 3 。5p p p 协议 3 5 1p p p 协议概述 圈3 - 5 客户端t c p 状态转换图 华北电力大学硕士学位论文 点到点协议( p p p ) 是一种在点到点链路上传输多协议分组的标准方法，它是为在 两个对等实体之间传输数据包建立简单连接而设计的，这种连接提供了全双工的操 作，