GPRS协议分析与协议中间件设计方案

PAGE1第11页共18页GPRS协议分析与协议中间件设计GPＲＳ协议分析及协议中间件设计的目的和意义ＧPRS协议分析及协议中间件设计的目的在于理解和掌握GＰRS协议，协议的功能,了解什么是中间件,通过学习与了解明白GＰRＳ协议中间件是如何设计的。ＧPＲＳ2。1GPＲＳ的简介移动通信通常分为3代，第一代是模拟的通信网络，其次代是数字通信包括ＧＳM，CDMＡ等,第三代是分组型的移动业务，称为3Ｇ。GＰRS是通用分组无线业务(GenｅｒalＰａckｅtRadｉｏＳervice）的简称,是介于其次代和第三代之间的一种技术,是通过GSM来实现的.但是它突破了GSＭ网只能供应电路交换的思维方式,只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换。GＰRS是一种以全球手机系统（GSM)为基础的数据传输技术，可说是GSM的连续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Paｃｋｅｔ）式来传输的，使得通讯速率从５6始终上升到１14Kbpｓ,并且支持计算机和移动用户的持续连接，同时它较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备和笔记本电脑进行电视会议和多媒体页面以及类似的应用。GＰRＳ信道是共享使用的，是需要的时候才有包产生，那么比专用的连接要节省很多资源,它将使得为用户供应应用服务更加简洁.２．1。１ＧＰRS网络结构GPRＳ网络是基于现有的ＧSM网络来实现的。在现有的GSＭ网络中需要增加一些节点，如GGSN(ＧaｔeｗayＧＰＲSSupportingNｏｄe,网关GPRS支持节点）和SGSN(SeｒvinｇGＳＮ,服务GPRS支持节点）。SGSN［1]的功能：是GPRＳ骨干网的重要组成部份，是分组交换的核心部分，通过帧中继和PCU相连。功能类同于GSＭ系统的ＭＳＣ／VLＲ功能,ＳGSN不仅处理分组交换中的信令传输,同时也进行数据包的处理和传送。面对ＭS执行移动性管理、平安管理、介入掌握和路由选择功能。即记录当前活动在该SGSN区域内的移动数据用户的有关信息,如位置信息,可以对当前用户信息进行修改、删除等；负责数据用户的Ａｔｔaｃh和Deｔaｃh、位置更新、寻呼、鉴权、加密等;负责MS和SGSＮ之间规律链路的建立、维护和释放；负责路由的选择和信息的存储转发；产生原始计费数据。ＧGSN的功能：GGSN内部维护ＧＰRS骨干网,外部可以连接多个数据网如Ｉnteｒｎet、企业网、X.２5网等，是GPRＳ骨干网和外部数据网的网关;在ＧPRS数据网中的地位很类同于传统GSＭ网中的GMSＣ的地位;负责产生数据业务的原始计费数据。ＧGSN可以把GSＭ网中的ＧPＲＳ分组数据包进行协议转换,从而可以把这些分组数据包传送到远端的ＴCP/IP或X．2５网络。GＲ（GSＭRegisｔｅr，GPＲS数据库）的概念，GR类似于GＳM中的ＨＬR,是GＰRS业务数据库.它可以独立存在,也可以和HLR共存,由服务器或程控交换机实现。图1－１GＰRS网络结构ＭAC媒体访问掌握:ＭAC定义和安排空中接口的规律信道，并掌握移动台接入这些共享的规律信道；ＭＡC定义的规律信道有公共掌握信道ＰCCCＨ：掌握信令；分组广播信道PＢCCＨ：广播系统消息;分组业务信道ＰTCＨ：传输分组数据；分组专用掌握信道：功率掌握、定时等.ＲＬＣ无线链路掌握：ＲLC将上层LLＣ的数据分段和重组以便在规律信道上传送；RLC通过选择性重传,向上层供应一个牢靠的链路;它依据无线链路的传输能力将1527个字节（LLＣ帧的最大长度）按CS(coｄinｇschｅme）切成不同的小块，以便进行卷积、交织等信道编码。LLC规律链路掌握:LＬC是MＳ和ＳＧＳＮ之间的协议。基于HＤLC无线链路协议，传输能力１５20个字节，加上７个开销字节,总共15２7个字节；LLC向上层供应一个或多个由SAＰI区分的、高度牢靠无差错的、加密的规律链路（GMＭ，SM，SＮDＣＰ等)；ＬLＣ与下层使用的无线接口协议无关，向下隔离无线网;下层GPRS无线接口协议的转变不会影响上层协议和网络子系统；对中断的帧可以进行错误检测和恢复；可以实现一对多点寻址(向多个MS发信息）；传送的信息可以有不同的优先级即挨次掌握；流量掌握等.LLC实现了下层不同协议的向上统一，是保证向3G平滑过渡的一个关键点.它（LLC）和ＳNＤCＰ协议一起类同于CDＭA1X网络中ＭS和PＤSN之间的ＰＰP协议的功能。GPRS的功能与业务ＧPRS是一种新的ＧSＭ数据业务,它可以给移动用户供应无线分组数据接入服务.ＧPRＳ主要是在移动用户和远端的数据网络（如支持TCP/IP、X。２5等网络）之间供应一种连接,从而给移动用户供应高速无线IP和无线X．25业务.GPＲS能支持下列功能和业务[2]：ﻫ(1）ＴCP／IP和X.25业务;ﻫ(２）全新GPRＳ空中接口加密技术;ﻫ（3）GPRS附加业务;ﻫ(4)增强型的短信业务（E－SＭS）;ﻫ（5)ＧPRS分组数据计费功能，即依据数据量计费；（6)虚拟专用网业务;（7）掌握家庭设备;(8）结合定位技术，供应共性化移动定位服务；GPRＳ的优势资源利用率高实时在线,即用户随时与网络保持联系传输速率高GPRS可供应高达115kｂit／s的传输速率接入时间短分组交换接入时间缩短为少于１秒,能供应快速即时的连接,可大幅度提高一些事务(如信用卡核对、远程监控等)的效率，并可使已有的Inteｒneｔ应用（如Ｅ－maｉl、网页扫瞄等）操作更加便捷、流畅GPRS还具有数据传输与话音传输可以同时进行或切换的优势GＰRS支持Intｅrｎet上应用最广泛的IP协议和X．25协议影响GPRS的因素（1）GPRS确实能够影响一个网络现有的小区容量,对于不同的用途而言只有有限的无线资源可供使用。（2)在实际应用中速率比理论值要低得多.要达到ＧＰRS数据传输速率理论上的最大值17２。2kbpｓ,就要求只有一个用户占用全部8个时隙并且没有任何防错保护。一个网络运营者将全部8个时隙都给一个用户使用显然是不太可能的。（3）次最佳(次优化）调制.ＧPＲＳ基于一种GMSＫ（高斯滤波最小频移键控)调制技术，相比之下,EDGE基于一种新的调制机制，该机制允许更高的比特率通过空中接口调制。（4)转接时延。GPRS分组通过不同的方向发送数据，最终达到相同的目的地。那么数据在通过无线链路传输的过程中就可能发生一个或几个分组丢失或出错的情况。GPＲＳ的工作原理及组网特点2．2.１GＰＲS的工作原理GＰRＳ工作时,是通过路由管理来进行寻址和建立数据连接的,而GPRS的路由管理表现在以下3个方面：移动终端发送数据的路由建立；移动终端接收数据的路由建立;以及移动终端处于漫游时数据路由的建立。对于第一种情况，当移动终端产生了一个ＰDU（分组数据单元），这个ＰDU经过SNDＣ层处理，称为ＳNDC数据单元.然后经过LLC层处理为LLC帧，通过空中接口（空中接口(AirInｔerfａce)是指用户终端（UT）和无线接入网络（ＲＡＮ）之间的接口）送到ＧＳM网络中移动终端所处的SGSN.SGSN把数据送到GGSN.ＧGＳN把收到的消息进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送的格式（如PSＰＤN的PＤＵ),最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率，并保证数据传输的平安，可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。在其次种情况中,一个公用数据网用户传送数据到移动终端时，首先通过数据网的标准协议建立数据网和GGSN之间的路由.数据网用户发出的数据单元(如ＰSＰＤＮ中的ＰＤＵ），通过建立好的路由把数据单元PDＵ送给GGＳＮ。而GGSN再把PDＵ送给移动终端所在的SGＳN上，GSN把ＰＤU封装成ＳNDC数据单元，再经过LＬC层处理为LLＣ帧单元，最终通过空中接口送给移动终端.第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户.这种情况下的数据传送必必要经过归属地的GGＳＮ,然后送到移动用户A。GPRS的组网特点图2—１GPRS组网原理图GPRＳ组网具备如下特点:ﻫ1、良好的实时响应与处理能力2、远程仪器设备掌握3、建设成本低4、安装调试简洁,建设周期短５、掩盖范围广６、数据传输速率高

7、系统的传输容量大８、通信费用低,可按时间和流量进行收费ﻫ9、系统易于扩展和维护,在CDＭA网络的掩盖区中，PＯＳ机可以架设在任何地点GPRS协议及主要功能２．3。1GPＲS各接口协议栈所谓协议栈［３]就是对信息进行多次封装和解封的过程,以便能够在不同的实体间传送信息。ＧＰRS中的协议有:LLＣ规律链路掌握协议、SNDCＰ子网聚合协议、ＮS网络服务协议、ＢＳSGＰ（BSSGPＲS应用协议)、Ｌ2协议、IP网络互联协议、ＴCＰ传输掌握协议、UＤＰ用户数据报协议、GＴP即GPRS隧道协议等。2。３.2ＧＰRS中各协议的功能LＬＣ规律链路掌握：LLＣ是ＭS和SGSN之间的协议。基于ＨDＬC无线链路协议,传输能力1520个字节，加上７个开销字节，总共1527个字节;LLＣ向上层供应一个或多个由SAPI区分的、高度牢靠无差错的、加密的规律链路(ＧＭM,SM，ＳNＤCＰ等）；LLC与下层使用的无线接口协议无关，向下隔离无线网;下层GPRS无线接口协议的转变不会影响上层协议和网络子系统；对中断的帧可以进行错误检测和恢复;可以实现一对多点寻址（向多个MS发信息）；传送的信息可以有不同的优先级即挨次掌握；流量掌握等。LＬC实现了下层不同协议的向上统一，是保证向3G平滑过渡的一个关键点。它（LLC）和ＳNDCP协议一起类同于ＣＤMＡ1X网络中MS和PDSＮ之间的ＰＰP协议的功能。ＳNＤCＰ子网聚合协议：将外网的各种协议(IPｖ4、Ｉpｖ6、X.25等）格式统一为一种协议格式;用NSＡPI区分不同的应用；移动台和SGSN之间的IP数据包或X。２５报文被分割成多个SNDC数据包单元以适应ＬLC的ＭＴＵ的大小，数据包单元被放置到ＬＬC帧内;完成数据的分段和重装；对数据进行压缩,以节省空中接口带宽；负责TＣＰ/IP头的压缩；对数据进行加密等。NS网络服务协议:网络服务协议是基于帧中继网络的,包括网络层和链路层功能;在PＣＵ和SGＳN之间传送BＳＳGＰ协议的数据单元；PCＵ和SGSN可能经过多跳帧中继网；在ＢＳＳ和SGＳＮ之间要建立通过NSVＣ识别的规律帧中继链路，多个用户的LLC—ＰDＵ按负荷分担方式复用在这些虚电路上;该层还负责ＮS—ＶＣ的闭锁、解锁、复位、测试等ＮS-ＶＣ管理功能.在ＰCＵ和SＧSＮ的数据库中需要定义NSＶCI和GBL、DＬCI的映射关系.BＳSGP（BＳSGPRＳ应用协议）：供应PCU和SGＳN间的无连接链路;承载上层数据信息即LLC信息,在下行方向上向BSS供应RLC/ＭAC功能有用的无线相关的信息,在上行方向上向ＳGSN供应从RLC/MAC功能获得的无线相关的信息；承载SＧＳN和PCU之间的路由信息和ＱOS信息；支持SGSN和ＰＣＵ之间信令管理和分组确认；通过BVCI识别小区；通过ＮSＥI识别PＣＵ，所以通过NＳＥI+BVＣI可以唯一地识别每个BＳSGＰ虚连接。ＩP网络互联协议:网络互联协议，主要完成路由功能，用于用户数据和信令的路由。目前采纳的是ＩPv4。IP的开放性使得上层的应用和下层的承载网络没有必定的联系，使得应用服务和承载网络技术依据其独立的方向进展，加快了技术进展的速度。TCP传输掌握协议：供应面对连接的牢靠的数据传输链路，在数据传输之前需要建立连接.TＣP用来承载需要牢靠数据链路(如X。2５）的GTPPDＵ。TCP供应流量掌握的功能.UＤＰ用户数据报协议：供应非面对连接的，不行靠的数据传输链路，在数据传输之前不需要先建立连接，传输数据的牢靠性需要上层应用软件来保证。UDP用来承载不需要牢靠数据链路(如IＰ）的GTＰPDU.UDP不供应流量掌握的功能。

GTP即GPＲS隧道协议：由SGSN和GGＳＮ组成的GPＲS骨干网是一个纯粹的IP网；GPRＳ骨干网可以使用与因特网相同的方法构建,或在现有IP网上通过VPN来构建.GPRS骨干网中，GＴP可以传用户分组数据；可以传有关隧道建立、维护、释放的隧道管理信息;可以传有关回应恳求、回应相应、版本不支持的路经管理信息，这些GTＰ信令消息是依靠每个消息都有一个序列号、每个恳求消息都对应有响应消息以及相关Timｅr来保证传输的牢靠性。GTP允很多种协议包如IＰ包或Ｘ．25包等在GSN组件间用隧道方式穿过.由于每个用户同时只能有一个管道,所以用于区分不同GTP的TID必须用区分不同用户的IMSI和区分不同应用的NＳAPI一起加以区分。在现有的IＰ网上通过ＶPN来构建ＧPRS的骨干网可以保证来自网外的ＩP报文不在骨干网内路由，增加了系统的隐蔽性和报文的保密性；由于隧道可以封装任意数据,这样就可实现GPRS骨干网与多种外部数据网互通。在GPRＳ骨干网中,GTP依靠下层的UＤP/IP协议来实现，端口号为338６，使用GTP协议的接口有同一PＬMＮ内部ＧSN节点间的Gn接口和不同ＰLMＮ之间GSN节点间的Gｐ接口，还有GSN和计费网管CＧ之间的Gａ接口。中间件２．4。1中间件的简介中间件是一类连接软件组件和应用的计算机软件，它包括一组服务,这些服务具有标准的程序接口和协议。针对不同的操作系统和硬件平台，它们可以有符合接口和协议规范的多种实现,

以便于运行在一台或多台机器上的多个软件通过网络进行交互。该技术所供应的互操作性，推动了全都分布式体系架构的演进,该架构通常用于支持并简化那些简洁的分布式应用程序，它包括web服务器、HＹPＥＲＬINK"http:／/baｉke。ｂａidu．com/vｉew/121５１1．ｈｔｍ＂\t"_ｂlanｋ”事务HYＰERLINＫ"http：//ｂａｉｋe．bａｉdｕ.coｍ/view/1938865.ｈtm”＼ｔ”＿bｌanｋ＂监控器和HYPERＬINK"htｔp：／/bａｉｋe.baiｄu.ｃｏm／viｅw/26２４73．ｈｔｍ"\ｔ”_blank＂消息队列ＨYPERＬIＮK"http://baike。ｂaiｄｕ．com／viｅw／37.htm"\t"＿blanｋ"软件。由于标准接口对于可移植性和标准协议对于互操作性的重要性，中间件已成为很多标准化工作的主要部分.对于应用软件开发,中间件远比操作系统和网络服务更为重要,中间件供应的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境,不管底层的计算机硬件和系统软件怎样更新换代,只要将中间件升级更新，并保持中间件对外的接口定义不变,应用软件几乎不需任何修改,从而保护了企业在应用软件开发和维护中的重大投资。中间件应具有如下的一些特点:

ﻫ(1）满意大量应用的需要

(2）运行于多种硬件和OS平台

ﻫ（３）支持分布计算，供应跨网络、硬件和ＯS平台的透明性的应用或服务的交互

(４)支持标准的协议

(５）支持标准的接口

２．4．２中间件的分类及选择中间件的分为：消息中间件、交易中间件、对象中间件、应用服务器、平安中间件、应用集成服务器等。消息中间件适应于任何需要进行网络通信的系统,负责建立网络通信的信道，也可以实现跨平台操作,为不同操作系统上的应用软件集成供应服务。典型的产品有ＩBM的MQＳEＲＩES。交易中间件的主要功能是管理分布在不同计算机上的数据的全都性。典型产品有BEA的TＵXEＤO。对象中间件为软件用户及开发者供应一种即插即用互操作性。典型产品有IONA的OＲBIX。应用服务器用来构造interneｔ应用和其他分布式的应用,是企业实施电子商务的基础设施.典型产品有IBM的WEＢＳＰＨEＲE［４］和ＢＥA的ＷＥＢLOGIC.平安中间件是建立在一系列相关国际平安标准之上的一个开放式应用开发平台，向上为应用系统供应开发接口,向下供应统一的密码算法接口等。典型产品有EＮTRUST的ENTRUSＴ。应用集成服务器把工作流和应用开发技术结合在一起，可以使构建和工作流集合在一起。典型产品有IBM的ＦLOWMAＲＫ。由于中间件的特殊性,企业在选择简略的中间件之前，必须确定企业的应用类型和简略需求，进而仔细确定选择哪一类中间件.这一点是格外重要的，比如企业只是传递消息而对高牢靠、高效率无要求时就应该选择消息中间件而非交易中间件。如果是典型的联机事务处理就应该选择交易中间件。当然,中间件的功能常常是相互交叉的,因此除了技术上的界定外还必须考虑下面几个因素：技术的成熟度、使用的难易程度、成本、技术方向。ＷＥBSＰHERE应用服务器WｅｂSｐhｅre[5］应用服务器是一个完善、开放的Weｂ应用服务器,是IBME—buｓinesｓ应用架构的核心。WebSpｈｅre应用服务器供应了开放、标准的平台和工具，以加速向网上服务的迁移.Ｗebｓpｈerｅ应用服务器满意维护一个Wｅb站点的任何需求：简洁安装,图形用户界面（便利seｒｖｌet管理),基于Weｂ的远程管理和平安特性。它支持标准的Jａvasｅrvlｅt(包括JavaSｅｒｖｅrPaｇesscｒiｐｔｓ），并增强其服务,例如会话状态（ＳessiｏｎSｔａte)、用户环境信息(ＵseｒＰroｆｉlｅ）、通过连接管理器（连接缓冲区)实现高性能的数据库访问。将通常的Wｅｂ服务器(如Apａcｈｅ服务器、MicrｏsｏｆtIIS、Ｎetsacpe企业服务器和LoｔuｓDomｉnoGoＷebSｅｒvｅr等）增强为基于Ｊaｖa的Web应用服务器。ＷebSpｈeｒｅ最大的优势在于能够针对不同规模和层次的企业在电子商务的建立、实施和维护过程中的各种需求供应相应的解决方案。无论企业规模大小,无论企业所处行业,只要拥有了WebSｐheｒe,都能够快捷地建立自融的电子商务系统。企、业可以依据自身的需求选择基础层、基础扩展层喝应用加速层三个层次的产品。3．基于GＰRS与中间件的PＷAS的设计与实现在无线应用的基础上，开发了基于GPRＳ与中间件的警用无线应用系统－-—ＰWAS［６］软件。该系统主要是用各种无线终端通过公共的ＧＰＲＳ网络访问WEB服务器.将无线应用的技术用到交警部门，使他们在执勤时可以立刻通过无线终端设备查询到驾驶员的信息，并准时把违章车辆信息输入到违章车库中。这种无线方式即提高了工作人员的效率,也提高了交通管理的服务质量。ＰWAS系统总体设计3。1．1ＰＷAS系统总体设计的目标利用先进的现代通信手段为公安战线的民警供应个人移动通信终端,使它们能够随时随地的接入公安信息网,共享网上信息，并能对所需的信息进行统计,汇总，分析工作，并在此系统上进一步扩充系统功能。3.1。2系统构成图图３－１PWＡＳ系统构成图系统的平安设计简略采纳以下平安措施来提高系统的的平安性：防火墙技术、用户身份验证、移动终端验证、虚拟专用网络。ﻫ图3－2移动终端验图移动终端系统3。3．１手持式移动终端系统手持式移动终端主要配备给路面执勤民警随身携带,因此必须轻松有用，一般选用带有ＧPRＳ无线通讯功能的设备。该终端时刻与ＧPRS保持在线联通状态,用户只需要在终端上输入最基本的信息，就可以实时从公安系统中心获得简略信息，从而为业务的处理供应准时精准的依据。简略在警务应用中的掌上电脑的性能指标要求如下：（1）为保证掌上电脑可编程性及台式机上程序与掌上电脑之间的可移植性,掌上电脑的操作系统应选用ＰｏckｅtPC２002操作系统。(２）掌上电脑必须支持GＳM/ＧPＲs无线通讯技术.(3）考虑到今后必须添加附加程序，掌上电脑的存储空间至少为32M。(4）掌上电脑至少能支持25６色的颜色显示.(５)为便利路面执勤民警的使用,掌上电脑的充电电池储备至少应能工作5小时以上。3。３．２车载移动终端车载移动终端主要配备给路面巡逻车辆使用，所以可以选择功能强大的笔记本电脑作为移动终端.基于套询速度及通讯费用的考虑，我们可以将部分交通管理信息移植到笔记本电脑中,同时在笔记本电脑上安装相应的查询软件，从而使用户不必通过无线通讯，直接接在笔记本上就可以实现各种查询操作。为确保笔记本上数据信息与信息中心的数据保持同步，将在笔记本上开发安装数据同步软件,用户可以在信息中心进行同步，也可以在路面通过GPＲS实现实时数据同步。

车载移动终端的性能技术要求如下:(1)为保证系统平安和稳定性，使只有经过授权的人员才能使用车载移动终端,系统必须安装WIＮDOＷS２0００操作系统。（２）车载移动终端必须配备ＧPRＳ无线通讯卡，从而确保其能通过无线通讯实时进行数据同步。(3）由于车载移动终端要安装数据库，因此，其至少应有２５６Ｍ内存，20G硬盘。（4)为便利执勤民警使用，充电电池储备至少能工作5小时之上。3.３.3移动终端的皮套移动终端主要在野外使用,因此,必须解决设备的防雨、防晒及电源供应问题。针对最终的设备选型，配制专门的皮套夹,以实现防雨防晒的目的，同时，设备除配备２20Ｖ电源适配器以外,还配备车开电源适配器，以解决电源供应的问题.服务器目前在公安系中使用的WEB服务器是由ＩＢM公司的ＨＴTPSＥＲVER和WＥＢAＰPLICATＩSＥRＶER组成的，为充分利用现有系统,实现应用程序之间的兼容性和可管理性,警用无线应用系统采纳ＨTTＰSＥＲVＥR和ＷEＢAＰPLICATIOＮSERVER系统，简略的原理图如图所示：无线警用应用系统将是一个完全Wｅb化、全面基于wｅｂＳerver的软件.它完全采纳分布式网络构架，由WeｂＳｅrｖer(IBMＨＴTPＳERｖER)、WEBAPＰLICATIONSＥＲＶER及所开发的分布式组件来完成全部的交互运作.由于采纳了三层构架,中间层的组件进行对象化构建和分布是技术,从而为进一步的开发鉴定了坚实的的基础。系统良好地结合了当前很多最新的技术,包括Wｅｂ技术、ＥJB组件按术；同时实现了对后台组件的无缝连接。图３-3警用应用系统原理图信息中心的功能划分图3－4信息中心的功能划分图3.５.１系统管理系统管理主要是对移动查询系统进行集中管理,是整个系统正常运行的保障枢纽。系统管理的内容如下：用户管理用户管理系统供应对系统用户类型的添加,删除和配置系统用户类型的基本信息。用户身份认证主要认证登录用户是否为合法用户，密码是否正确.查询恳求审核验证用户的查询恳求是否与系统管理员定义的权限符合。3。5。２业务需求查询(1)机动车信息查询(2）驾驶员信息查询(３)违章信息查