隨著網(wǎng)絡應用的普及和移動裝備的大量增加，GPRS技術(shù)以其低廉的價格和較快的速率已經(jīng)越來越多地應用到各種各樣的場合中，通過操作系統(tǒng)自帶的網(wǎng)絡協(xié)議來控制GPRS的撥號過程已經(jīng)很成熟，但是，并非所有的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都擁有操作系統(tǒng)或網(wǎng)絡協(xié)議。相對干昂貴的嵌入式芯片，8051系列單片機更經(jīng)濟，更具有實用性且如果僅僅為了實現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)傳輸而采用嵌入操作系統(tǒng)也顯得過于復雜這就要求能夠有一種簡潔有效的新方法來實現(xiàn)整個撥號過程及數(shù)據(jù)傳輸過程。因此有必要研究一種簡單經(jīng)濟的新辦法來解決這種矛盾。本文正是基于上述原因而提出了相應的解決辦法.
一、網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)分析
文中研究UDP/IP協(xié)議而不是TCP/IP協(xié)議，這主要根據(jù)本研究背景課題的實際情況而定。UDP相對于TCP的優(yōu)點在干：簡潔、方便迅速、經(jīng)濟。缺點在于：傳輸過程中可能出現(xiàn)“丟包”現(xiàn)象但對于本研究所涉及的工程項目則影響不大。具體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要是通過GPRS模塊實現(xiàn)遠程傳輸從傳感器采樣的數(shù)據(jù)同時能夠通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程管理。外圍電路還包括了看門狗、時鐘、閃存、AD轉(zhuǎn)換器等上位機軟件再通過具體算法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必不可少的基礎工作，有很重要的實際意義。
研究基干GPRS的無線通訊必須首先明了通訊過程的網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，才能在實際解決問題的過程中不致誤入歧途。
GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹蛯樱次锢韺邮峭ㄟ^RS232串口及GPRS模塊組成的，然后是數(shù)據(jù)鏈路層，該層是分析的重點和難點，其中涉及到PPP協(xié)議實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)鏈路層上面是網(wǎng)絡層，其后是傳輸層，就是我們通常所說的UDP/IP，TCP/IP其中IP協(xié)議屬于網(wǎng)絡層協(xié)議，而UDP.TCP都屬于傳輸層協(xié)議傳輸層上方的是包括會話層、表示層、應用層等，均不屬本文討論范圍內(nèi)，這里不再詳述。
另一方面，每層協(xié)議都是基于下方協(xié)議而實現(xiàn)的即如果使用數(shù)據(jù)鏈路層則必須有物理層的支持。如果沒有物理層，實施軟件的物理介質(zhì)也就不存在。同理，IP則是基于PPP協(xié)議實現(xiàn)的數(shù)據(jù)鏈路層，而UDP是基于IP協(xié)議實現(xiàn)的網(wǎng)絡層，這也就是UDP/IP包要通過PPP協(xié)議封裝起來的原因.
二、數(shù)據(jù)鏈路層的建立
GPRS登陸網(wǎng)絡過程屬干數(shù)據(jù)鏈路層的建立，要通過PPP協(xié)議實現(xiàn)PPP協(xié)議（Point-to-Point Protocol）提供了在串行點對點鏈路上傳輸數(shù)據(jù)報的方法，支持異步8位數(shù)據(jù)及位導向的同步連接（如ISDN）它提供了一種管理兩點間會話的有效方法，正在取代SLIP（Serial Line Interface Protocol）協(xié)議成為點對點網(wǎng)絡的標準.
1．通過PPP實現(xiàn)GPRS的上網(wǎng)認證過程
在GPRS模塊上網(wǎng)的過程中，主要是經(jīng)過PPP協(xié)議中的三種協(xié)議，分別為LCP（Link Control Protocol）協(xié)議，PAP（Pass-word Authentication Protocol）認證協(xié)議以及IPCP（Internet Protocol Control Protocol）協(xié)議LCP部分主要協(xié)商下一步的密碼認證協(xié)議，可選擇PAP方式或CHAP方式，我們根據(jù)ISP要求選擇PAP方式。PAP部分主要是向ISP發(fā)送密碼進行認證。密碼認證通過以后進入IPCP，完成客戶端請求IP及ISP端分發(fā)IP的過程。其實現(xiàn)過程圖如圖2所示
在認證過程中，MCU、GPRS模塊及ISP都需要發(fā)送PPP格式的數(shù)據(jù)包來完成協(xié)商過程該數(shù)據(jù)包為16進制，多數(shù)情況下其對應ASCII碼并無實際意義PPP數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如表1所示。
對于表1所示的信息位包括了鏈路配置包標志，描述如下：
以上3個表所示的內(nèi)容是分析PPP協(xié)議各種類型數(shù)據(jù)包的基本概念。在解析PPP數(shù)據(jù)包中需要注意的另外一個事項是，如果字符中包括了Ox7D，則表示該字符后面的字符需要轉(zhuǎn)義。轉(zhuǎn)義方式是后一個字符與0x20進行異或運算得出的16進制數(shù)據(jù)作為真是數(shù)據(jù)比如一個數(shù)據(jù)包包括了......Ox7D0x23......，則真實表示的為Ox03a（為方便表示下文所示數(shù)據(jù)均為轉(zhuǎn)義后的數(shù)據(jù)）
2．實際協(xié)商過程分析
�。�1）LCP協(xié)商過程
首先設置模塊的初始化參數(shù)及工作參數(shù)向模塊發(fā)送如下AT指令：
1）AT+CGCLASS="B"置為“B”模式
2）AT+CGDCONT=1，"IP";"CMNET"設置APN
3）AT+CGATT=1，使GPRS模塊附著在網(wǎng)絡上
然后發(fā)送指令"ATD*99***1#"建立撥號過程，模塊會返回16進制的一些數(shù)據(jù)。我們要據(jù)此與模塊進行協(xié)商。首先返回數(shù)據(jù)包（16進制）:7EFF03CO2101010016010405DC020600000000070208020304CO2326B47E
數(shù)據(jù)包含義:7E（PPP包頭）FF03CO21（LCP協(xié)議）01（代碼）01（標識符）0016（長度）01（類型）04（長度）05DC（協(xié)商內(nèi)容Maximum-Receive-Unit）02（類型）06（長度）00000000（協(xié)商內(nèi)容）07C類型協(xié)議壓縮協(xié)商）02（長度）08（類型，地址控制域壓縮協(xié)商）02C長度）03〔類型）04（長度）CO23（內(nèi)容表示請求PAP認證）26B4（FCS，校驗和）7E（PPP包尾）。
此模塊在進行LCP協(xié)商階段是比較友好的，主動提出了PAP認證方式，可直接返回對它請求的同意也可以提出些新的申請，實際操作中發(fā)送同意請求為：7EFF03CO2102010016010405DC020600000000070208020304CO23DO477E。
至此LCP認證階段已經(jīng)結(jié)束
�。�2）PAP認證過程
因為協(xié)商同意PAP密碼認證方式故進入PAP過程，需要發(fā)送用戶名和密碼至ISP.請求格式為7ECO230101000600003B3F7E
該包在0006后的0000分別代表用戶名和密碼，都為空此時由于需要與ISP進行認證，需要等一段時間經(jīng)過判斷，服務器通過密碼認證，返回：7ECO237D227D217D207D2D7D2857656C636F6D65214EBC7E
其中的16進制字符"57656C636F6D6521"轉(zhuǎn)為ASCII碼為"Welcome!".同時服務器發(fā)送IPCP請求數(shù)據(jù)包：7E8021010100OA0306COA86F6FCID497E
進入IPCP協(xié)商過程
�。�3）IPCP協(xié)商過程
客戶端部分此時需要請求ISP分發(fā)IP請求為：7E802101060016030600000000810600000000830600000000OACF7E
"0306""8106""8306"后的四個00分別代表客戶端IP，第一DNS主機地址，第二DNS主機地址，這3個部分全部為00表示內(nèi)容為空，是請求ISP分發(fā)IP到客戶端。
服務器得到請求后分發(fā)IP數(shù)據(jù)包為：7E8021030600160306OA4A0C148106D38812AB8306D3887D34CB.6B6B7E
OA4AOC14表示為十進制的10.74，12.20，由于中國移動通信規(guī)定GPRS撥號上網(wǎng)的用戶分發(fā)的IP均為內(nèi)部IP，非外部IP，所以IP都是以10.＊＊＊開頭的。8106后面的D38812AB表示211.136.18171，是第一DNS主機的IP地址。8306后面的D38814CB表示211.136.20.203，是第二DNS主機的IP地址此后我們需要對分發(fā)下的幾個IP辨認識別，然后再次請求請求中包含這3個分發(fā)IP，代表接受分發(fā)結(jié)果。數(shù)據(jù)包為7E8021010700160306OA4A4C838106038812ABe3o6D38e14CBF2C17E
此后清求得到ISP認可，鏈路層PPP握手過程全部結(jié)束進入網(wǎng)絡階段。此后所有發(fā)往GGSN網(wǎng)紹的包含IP的數(shù)據(jù)包都會透明的傳給所對應的IP地址。以上既是對PPP協(xié)商過程的分析，只要注意上面所提及的每步的注意事項及含義，即可迅速快捷的建立數(shù)據(jù)鏈路層.
三、網(wǎng)絡層及傳輸層的實現(xiàn)
網(wǎng)絡層和傳輸層雖然屬于IP及UDP協(xié)議實現(xiàn)的功能但此兩者都是建立在數(shù)據(jù)鏈路層基礎上的，因此在發(fā)送PDP/IP包的時候仍然不能擺脫對PPP協(xié)議的依賴。由PPP封裝的UDP/IP數(shù)據(jù)包組成如下表所示：
1．IP協(xié)議介紹
IP包的組成形式如表5所示，其中8位協(xié)議處可選擇TCP方式或UDP方式，8位TTL為TimeToLive，只數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中的存活時間。
2．UDP協(xié)議介紹
相對于舊數(shù)據(jù)包UDP數(shù)據(jù)包的組成比較簡草，主要包含所要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息即數(shù)據(jù)段。結(jié)構(gòu)如表6所示其中最后的UDP校驗與IP數(shù)據(jù)包中的IP校驗方式一樣，但與PPP協(xié)議中的FSC校驗方式不同。FSC校驗屬于CRC16位校驗方式的一種而舊校驗和UDP校驗是相對簡單的反碼求和的校驗機制。并且對于IP及UDP校驗而言需要將數(shù)據(jù)包需要校驗部分的16位轉(zhuǎn)換為32位進行校驗校驗好之后再轉(zhuǎn)換為16位.
3．IP及UDP校驗和
IP校驗和所要校驗的數(shù)據(jù)段包括了前面所提的IP數(shù)據(jù)包內(nèi)的所有位段，而UDP校驗相對IP校驗復雜的地方在于，UDP校驗不僅僅要將UDP數(shù)據(jù)包內(nèi)的內(nèi)容包括進來，而且還要包括IP部分的一些信息UDP校驗位組成如下：
對于最后一位的數(shù)據(jù)段而言由于校驗是32位所以如果數(shù)據(jù)段出現(xiàn)奇數(shù)個數(shù)據(jù)，需要加零補位。
校驗程序如下所示：
HdelineUSHORT
unsignedshortUSHOPTchecksum(USHORT*buller，Intsize)
{
unsignedIongcksum=0;
while(size＞1)
{
cksum+=*buffer++；
size-=sizeof(USHORT);
}
if(size)
cksum+=*(UCHAR*)buller;
cksum＝(cksum>>16)+(cksum＆oxnff);
cksum+=(cksum>>16)return(USHORT)(Ccksum);
}
4．由PPP封裝形式封裝的UDP/IP數(shù)據(jù)包
根據(jù)前面所介紹的方法，下面給出一個具體的實例進行分析：7E2145.00001D47F300DOBID11BOF60A4A30EDD350336C03E803F20000551B61A5DE7E
7E21為PPP包頭，4表示舊版本號5表示首部長度，00表示服務類型，001D表示包的All長度47F3表示16位的標識，00表示3位的標志+13位的片偏移，80表示TTL，11表示協(xié)議（11表示UDP協(xié)議，TCP為06），B0F6是IP首部校驗和。接下來的"0A4A30E0"表示本地IP地址即剛才通過PPP協(xié)議獲得的動態(tài)IP而"D350336C"表示對方IP，即要發(fā)送的目的IP，"03E8"表示本地端口（這個可以隨便設定只要不與系統(tǒng)已用端口沖突即可，對于UDP而言這個沒有實際意義因為GPRS分配到的是內(nèi)部IP，即使對方知道你的IP及端口也可能通過UDP方式傳輸數(shù)據(jù)，而如果是TCP協(xié)議則用GPRS作為Client清求Server建立通道后Server端可根據(jù)端口發(fā)送數(shù)據(jù)）"03F2"表示目的端口"0009"，表示UDP包的長度（本地端口2字節(jié)＋目的端口2字節(jié)＋數(shù)據(jù)長度2字節(jié)＋數(shù)據(jù)端n字節(jié)十UDP校驗2字節(jié)），“55”表示數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為ASCII碼應為"a"，"1B61"為UDP校驗和"A5DE"為PPP包的FSC校驗和。此段代碼的含義是“向IP為211.80.51.108，端口為1010的目的地發(fā)送字符a".
四、結(jié)束語
GPRS的應用不僅僅局限于嵌入式或PC機領域，更能擴大到簡單的8051微控制器，從而更深入地擴大GPRS技術(shù)的使用。同時針對GPRS上網(wǎng)方式裁減PPP和UDP/IP協(xié)議，軟件部分用C語言編寫可壓縮至4K，不僅簡化認證過程更節(jié)省程序運行時間，正常情況下從撥號到登陸網(wǎng)絡只需要3秒鐘而且該程序可方便的移植到各種硬件系統(tǒng)中。目前該系統(tǒng)已穩(wěn)定運行于南京試驗田農(nóng)田墑情檢測系統(tǒng)。
