PPP协议在GPRS无线网络中的嵌入式实现

第24卷第4期 中南民族大学学报(自然科学版) V o l .24N o.42005年12月 Journal of South 2Central U niversity fo r N ati onalities (N at .Sci .Editi on ) D ec .2005αPPP 协议在GPR S 无线网络中的嵌入式实现蓝晓 童小念3(中南民族大学计算机科学学院,武汉430074)摘　要　介绍了PPP 协商机制,给出了一个利用GPR S 模块实现快速小数据量的无线数据通信的实例,此例中PPP 协议采用了优化的协商流程以提高链路建立的速度,项目实施中还采用了串口监测的方式检测收发的数据值,这个重要的调试手段保证了系统的正确实现.关键词　点到点协议;通用分组无线业务;因特网协议中图分类号　T P 393.04　文献标识码　A 文章编号　167224321(2005)0420072204Em bed I m plem en ta tion of PPP Protocol i n GPRS W ireless NetworkL an X iaop ang T ong X iaon ianAbstract T h is paper in troduces nego tiati on m echan is m of PPP p ro toco l and gives an examp le of u sing GPR S modu le to con struct a w ireless comm un icati on system .T he op ti m izing nego tiati on p rocess is u sed in th is examp le to i m p rove speed of estab lish ing data link .Fu rthermo re ,the tow com s is u sed to validate the packet that tran s m its and receives data value ,and th is efficien t debug m ethod can en su re the validity of system .Keywords PPP ;GPR S ;IPLan X i aopang M aster ′s Candidate ,Co llege of Compu ter Science ,SCU FN ,W uhan 430074,Ch ina 笔者在一个3G (G IS ,GPR S ,GPS )项目中完成了一个通信模块的实现.此模块的基本功能是:把GPS 采集移动终端的当前位置通过PPP 协议传给GPR S 模块,此模块再通过无线链路发到数据中心,G IS 系统将位置信息加以处理和利用.系统中数据中心是连接到In ternet 上的一台主机,移动终端必须通过GPR S 网络连上In ternet ,然后利用IP 和U D P 协议和中心机通信.图1为GPR S 网络中的用户传输面的网络协议栈结构[1,2].图1　GR PS 用户传输面网络协议结构 由图1可知:移动终端要连上In ternet 取得GPR S 服务,首先需要支持GPR S 功能的GS M 模块,使移动终端通过串口和GPR S 模块相连,然后通过A T 命令先设置好模块,定义PD P 上下文和网络服务质量;发出进行申请GPR S 服务的拨号命令,这时移动终端中的PPP 协议客户端程序开始启动,α收稿日期　2005209208　3通讯联系人作者简介　蓝晓　(19762),男,硕士研究生,研究方向:多媒体与网络应用,E 2m ail :ow lsky @ 基金项目　湖北省自然科学基金资助项目(2004ABA 029)GPR S模块的PPP协议服务器端程序进行协商通信.收到拨号命令后GPR S M模块会进行网络的附着,进行PD P移动场景激活[2],核心网接着分配无线链路资源,这时GPR S模块中的PPP协议服务器端进入N ETW O R K状态,把自己激活PD P场景时得到的核心网分配的IP地址通过IPCP协议分配给移动终端,这样移动终端通过串口和GPR S之间用PPP协议就建立了一条链路并取得了自己的IP地址,即连接上了In ternet,可以和数据中心通信了.实现该系统的关键是链路建立的协商流程和调试方法.1　PPP协议及其链路建立协商机制1.1　PPP(Po in t2to2Po in t)协议PPP协议由R FC1661[3]定义,主要用于串行链路上提供一个简单高效的数据链路,并能承载高层的网络协议.它是一个协议框架,主要用到3个协议:L CP、PA P、IPCP协议.1)L CP为连接控制协议用来协商基本的通信参数.2)PA P为口令认证协议用来签权,提供安全支持.3)IPCP为IP控制协议用来协商IP协议相关的参数,得到服务器动态分配的IP地址.用PA P协议而不是用CHA P来进行鉴权使PA P更简单,从而简化协商流程,提高协商速度.1.2　PPP数据帧格式PPP协议采用HDL C[4]规程的帧格式,如果PPP数据帧中封装的不是网络层的协议,则帧格式如下:start flag A ddress Contro l P ro toco l Code Id L ength Op ti on CheckSum End flag 7E FF032byte1byte1byte2byte选项2byte7E1.3　PPP协议协商机制PPP协议框架中L CP、PA P、IPCP协议是用来建立链路的,它们都用相同的协商机制在PPP的客户端和服务器端之间进行协商.主要用R EQ、A CK、NA K、R EJ4种类型的数据帧来进行协商.(1)R EQ.即配置请求帧,Code字段等于01.表示发送方愿意以该帧O p ti on字段中列举的配置选项接收数据;(2)A CK.即配置应答帧,Code字段等于02.当收到R EQ帧后发送对该R EQ帧的配置应答帧,表示发送A CK帧的一方完全接受该R EQ帧O p ti on字段中列出的配置选项和这些选项的值,完成一次协商;(3)NA K.即配置否定帧,Code字段等于03.表示接受R EQ中的配置选项,但对有些选项的参数值不能接受,于是在NA K帧的O p ti on字段中列出这些配置选项并给出可以接受的配置选项参数建议值(h in t);收到NA K消息的一方,如果接受h in t值,则将对应选项参数修改后,再发R EQ帧再次协商;否则则将对应选项从后续R EQ消息中删掉.所以如果接受NA K的一方发一个包含该NA K帧中h in t值的R EQ帧,且收到到对方的一个对应于该R EQ帧的A CK,那么该协商就告成功;(4)R EJ.即配置拒绝帧,Code字段为04.当收到R EQ帧的时候,如果R EQ中的某些配置选项不可识别或者不能进行协商,于是把这些配置选项和值复制到R EJ帧的O p ti on字段中,并发出R EJ帧;收到R EJ消息的一方,将不应该发出包含在R EJ帧中的配置选项的R EQ帧.2　系统硬件模块设计硬件设计中M CU采用的是M icroch i p公司的P ic18F 452,它是R ISC指令的单片机,内部采用哈佛结构,有32KB的程序存储器以及256B yte的数据存储器空间,长字指令.它具有很高的性能,可游刃有余地并行执行无嵌入式O S支撑的嵌入式网络协议和系统中各种数据采集的任务.GPR S模块采用的是CS M91.它支持标准的A T命令,对外的接口支持115200波特率的串口.实际上项目中是把GPR S模块作为一个无线M OD E M来用,但是为实现简单,没有使用标准的M OD E M硬件握手信号,采用了串口发送(TXD)和串口接收(RXD)的方式.其它载波检测(DCD),终端准备(D TR)等信号带来的问题,系统中采用软件办法来解决.M CU和GPR S模块之间增加了一个M A X232模块来匹配双方管脚的电平.硬件连线如图2所示.值得注意的是图2中两个监控串口的接法.在37第4期 蓝晓　,等:PPP协议在GPR S无线网络中的嵌入式实现 图2　硬件连线实现嵌入式网络协议的时候,最大的困难是缺少调试手段,无法监控收发的数据.经过这样的连线,就能把监控串口直接连到PC 的串口,然后再利用串口工具监控串口上传输的数据,分析这些数据就能检验其协议的实现是否正确.这是系统实现中一个重要的调试手段.3　PPP 模块的软件实现系统的软件模块结构如图3所示.这是一个PPP 协议客户端模块,该模块的工作原理是:PPP 数据帧发送时,将缓冲区的数据发送到串口;每当有数据来到的时候就用串口中断服务程序ISR 来接受数据,ISR S 把数据传给报文解析模块;当报文解析模块收到完整的PPP 帧时就按照PPP 协议的转义规则把接收到的数据进行转义,再将转义后的数据存放到缓冲区,同时检验是不是收到一个正确的帧,如果是就把帧标志置为真.主程序检测帧标志,为真时就根据数据帧的类型进行相应的处理,这是一个L CP 、PA P 、IPCP 协议协商建立数据链路的过程.链路建立好之后,移动终端中PPP 客户端模块得到GPR S 模块中PPP 服务器分配的IP 地址,采用在PPP 数据帧中封装网络层IP 协议的方法连接到In ternet .图3　软件模块结构PPP 模块协商过程是PPP 模块的核心,主要是建立PPP 链路,是PPP 的C lien t 模块和GPRS 模块的PPP server 之间进行数据包交换的过程.整个链路建立要经过4个协商过程:从死亡到建立协商、L CP 、PA P 和IPCP 协商.PPP 链路建立协商流程如图4所示.图4　PPP 链路建立协商流程3.1　从死亡状态到建立状态的协商这部分的功能是取得GPR S 网络服务.GPR S模块在取得GPR S 网络服务之前处于命令模式,这时PPP 模块先发送A T 命令给GPR S 模块,使GPR S 模块准备好,然后用A T 命令申请GPR S 网络服务.当GPR S 模块收到命令字符串“A TD 3993331#”后,这时候开始和GGSN 握手,握手成功就返回字符串“Connet ”给PPP 模块.GPR S 模块这时处于在线模式,移动终端和GPR S 模块的PPP 协议处于建立状态.这时就双方可以开始PPP 协商了.3.2　L CP 协议协商流程L CP 协议用来建立、配置和测试链路.其流程如下:1)PPP 模块首先发送一个空的L CP 协议R EQ帧给GPR S 模块的PPP SERV ER ,发起PPP 协商;2)GPR S 模块的PPP SERV ER 对这个空的请求应答一个A CK 帧,并发一个包含L CP 配置选项2和3的R EQ 帧.两个配置选项内容是:0206000A 00000304C 023D .它表示需要用PA P 协议来认证,A CC M (同步控制字符映射)的值为:0AOOOO ;3)PPP 模块发现收到的R EQ 帧包含的配置选项2的值不是PPP 模块期待的0XFFFFFF .所以PPP 模块收到这个R EQ 后首先针对O p ti on 2发一个NA K 帧,给出自己想要的值FFFFFF ;4)GPR S 模块的PPP SERV ER 收到PPP 模块发的NA K 帧后,会用C lien t 认同的配置选项值形成一个新的请求.新的请求包含配置选项2和3,它们47 中南民族大学学报(自然科学版)第24卷的值为:0206FF FF FF FF0304C023;5)PPP模块接到这个R EQ后,A CK它表示同意这两个配置选项.整个L CP协商完成,可以开始PA P协商了.3.3　PA P[5]协议协商流程这是一个签权认证的过程.其流程如下:1)PPP模块首先发一个PA P请求帧,用户和密码都是空的.这是当前大多数GPR S模块的默认的配置值;2)GPR S模块的PPP SERV ER应答一个PA P 协议的A CK帧,该帧的信息域是login ok!的A SC II 码,表示登陆成功,整个签权认证过程结束.3.4　IPCP协议协商流程IPCP协议用来协商通信双方选择和配置网络层的IP协议,主要目的是让客户端得到GPR S模块在PD P激活成功后得到的C M N ET分配给GPR S模块的IP地址,因此IPCP协商用到了IPCP中选项3 (IPA ddress)进行协商.协商过程是:1)PPP模块首先发送IPCP R eq数据包开始进行IPCP协商.PPP模块向GPR S模块的PPP SERV ER发送的第一个IPCP R eq数据包中选项3,其它值为零,目的是让GPR S模块的PPP SERV ER 应答一个含有分配给PPP模块的有效IP地址的IPCP的NA K数据包;2)GPR S模块的PPP SERV ER应答一个NA K 帧,其中包含分配给PPP模块的有效IP地址;3)PPP模块收到这个NA K帧后,得到自己的IP地址.用这个有效的IP地址发送一个IPCP R EQ 数据包,这个R EQ请求包包含选项3,它的值为分配到的IP地址;4)GPR S模块的PPP SERV ER收到包含有效IP地址的IPCP R eq数据包后,应答IPCP A CK数据包.PPP模块收到这个IPCP A CK数据包后,PPP 协议处于网络层协议的状态,至此IPCP协商完成.这时IP、I C M P、U D P等上层的协议数据包可以封装在PPP帧里传输了.这时的帧格式如下:T ype L ength D ate P ro toco l上层协议数据CheckSum End flag 7E FF030021IP包2byte7E 笔者在总结R FC1661中定义的标准的PPP协商流程和深入研究3GPP的GPR S的协议的基础上,通过大量的试验,设计实施了以上优化的协商流程.该流程通过发空L CP R EQ来启动协商,能够使得须协商的配置选项最少,从而简化了协商过程,提高了协商速度.串口对收发数据的监测结果表明数据传输正确,系统工作稳定.4　结束语嵌入式In ternet技术和移动通信技术发展很快,通过GPR S网络进行数据传输,具有成本低、连网灵活快速、范围广的优点,已经有大量的成功的商业应用.本文的设计实例完成了PPP协议在GPR S 无线网络中的嵌入式实现.该实例稍加修改可以用于远程监测、数据采集、监控系统、智能交通等系统中,对于实际应用有较大的参考价值.参　考　文　献[1]　钟章队.GPR S通用分组无线业务[M].北京:人民邮电出版社,2001.12[2]　黄承安.微控制器拨号上网的实现[J].通讯与电视,2003,(5):21[3]　Si m p son W.T he po in t2to2po in t p ro toco l[S].R FC1661,IET F,h ttp: www.ietf.o rg rfc,1994.[4]　Si m p son W.Si m p son W.PPP in HDL C2L ike F ram ing[S].R FC1662,IET F,h ttp: www.ietf.o rg rfc,1994.[5]　L loyd B.PPP A u then ticati on P ro toco ls[S].R FC1334,IET F,h ttp: www.ietf.o rg rfc,1992.57第4期 蓝晓　,等:PPP协议在GPR S无线网络中的嵌入式实现 。