基于嵌入式 Linux 的移动终端的软件设计

　　3.4   GPRS 通信程序

　　3.4.1 拨号到 GPRS 网络的基本原理

　　移动终端要想通过 GPRS 通信模块访问 Internet，首先得附着在 GPRS 网络上，然后发起 PDP（Packet Data Protocol，分组数据协议）上下文激活过程[4]，如图 4 所示。只有通过此过程，GPRS 通信模块才能与 GGSN 建立一条逻辑通路，从而访问 Internet。

图 4    PDP 上下文激活过程示意图

　　3.4.2 移动终端上拨号程序的实现

　　在嵌入式 Linux 系统平台下，移动终端利用 pppd（包含 chat）拨号到 GPRS 网络。pppd 是一个用户空间的后台服务进程（daemon），而 chat 是 pppd 所带一个辅助工具，用来与 GPRS 通信模块建立会话。在 PDP 上下文激活过程中，chat 完成了第 ① 步，而 pppd 完成了第 ②、③、④、⑩ 步。pppd 拨号程序的层次结构如图 5 所示。

图 5 pppd 拨号程序的层次结构

　　其中，N_PPP 层就是 PPP 协议层。PPP 协议模块不仅提供简单的数据链路层功能，它还提供诸如鉴权（如PAP/CHAP），数据压缩/解压（如CCP）和数据加密/解密（如ECP）等扩展功能。由于 GPRS 通信程序要求透明化地使用这些扩展功能，而 PPP 协议模块本身无法对各种策略进行选择，于是 pppd 应运而生。PPP 协议模块中策略性的内容都移到了 pppd 中，由 pppd 完成对鉴权、压缩/解压和加密/解密等扩展功能的选用。

　　在运行 pppd 的时候，pppd 首先读取配置文件中的配置信息，其中包含了设置 PPP 协议模块的参数、GPRS 通信模块连接的端口（/dev/ttyS1）以及对 chat 进行调用的语句，等等。随后 pppd 调用 chat，chat 也会读取相应的配置文件（其中包含一些应答语句对和 AT 命令），然后使用默认的行规程 N_TTY 向 GPRS 通信模块发送 AT 命令，接着 chat 将控制权返还给 pppd。pppd 将行规程切换为 N_PPP，而 pppd 与 PPP 协议模块之间采用了设备文件来进行通信，设备文件名是 /dev/ppp。通过 read 系统调用，pppd 可以读取 PPP 协议模块的数据包（当然，PPP 协议模块只会把应该由 pppd 处理的数据包发给 pppd）。通过 write 系统调用，pppd 可以把要发送的数据包传递给 PPP 协议模块，而通过 ioctl 系统调用，pppd 可以设置 PPP 协议模块的参数，可以建立/关闭连接。

　　此后，pppd 执行了 PDP 上下文激活过程的第 ②、③、④ 步。等 PDP 上下文激活过程的第 ⑤－⑨ 步（与移动终端不直接相关）完成之后，pppd 执行第 ⑩ 步，在函数 make_ppp_unit( ) 中调用 ioctl(PPPIOCNEWUNIT) 创建一个网络接口（如ppp0）。当 PPP 协议模块在处理 PPPIOCNEWUNIT 时，调用函数 register_netdev( ) 向内核注册 PPP 网络接口，该网络接口的传输函数指向函数 ppp_start_xmit( )。值得注意的一点是，如果关闭进程 pppd，行规程会由 N_PPP 切换回默认的 N_TTY，因此，在移动终端与监控中心通信的过程中不能关闭 pppd 进程。

　　至此，移动终端完成了向 GPRS 网络的拨号，这样它就拥有了一个可以用于与监控中心进行通信的网络接口（如ppp0）。

　　3.4.3 移动终端与监控中心的数据交互

　　前面，移动终端已经与监控中心建立了网络链接。接下来，移动终端就可以与监控中心进行通信了。GPRS 通信程序的层次结构如图 1 的右半部分所示。

　　在移动终端向监控中心发送定位信息的过程中，移动终端上的 GPRS 通信程序通过 socket 接口发送 TCP/IP 数据包，内核根据 IP 地址和路由表，找到 PPP 网络接口，然后调用函数 ppp_start_xmit( )，此时控制权就转移到了 PPP 协议模块。函数 ppp_start_xmit( ) 调用函数 ppp_xmit_process( ) 去发送队列中的所有数据包，而函数 ppp_xmit_process( ) 会进一步调用函数 ppp_send_frame( ) 去发送单个数据包。函数 ppp_send_frame( ) 根据前面 pppd 对 PPP 协议模块的设置调用压缩等扩展功能之后，又经函数 ppp_push( ) 调用函数 pch->chan->ops->start_xmit( ) 发送数据包。函数 pch->chan->ops->start_xmit( ) 是具体的传输方式，对于串口发送方式，则是 ppp_async.c:ppp_asynctty_open 中注册的函数 ppp_async_send( )，函数 ppp_async_send( ) 经函数 ppp_async_push( ) 调用函数 tty->driver->write( )（定义在低层驱动程序中）把数据发送到串口 2（GPRS 通信模块接在串口 2 上）。

　　ppp_async.c 在初始化时（ppp_async_init），调用函数 tty_register_ldisc( ) 向 tty 注册了行规程 N_PPP 的处理接口，也就是一组回调函数。在移动终端接收监控中心指令的过程中，当 GPRS 通信模块收到数据时，就会回调 N_PPP 行规程中的函数 ppp_asynctty_receive( ) 来接收数据。函数 ppp_asynctty_receive( ) 调用函数 ppp_async_input( ) 把数据 buffer 转换成 sk_buff，并放入接收队列 ap->rqueue 中。ppp_async 另外有一个 tasklet（ppp_async_process）专门处理接收队列 ap->rqueue 中的数据包，ppp_async_process 一直挂在接收队列 ap->rqueue 上，一旦被唤醒，它就调用函数 ppp_input( ) 让 PPP 协议模块处理该数据包。在函数 ppp_input( ) 中，数据被分成两路，一路是协议控制数据包，放入队列 pch->file.rqb 中，交给 pppd 处理。另外一路是用户数据包，经函数 ppp_do_recv( )、ppp_receive_frame( ) 进行 PPP 协议相关的处理后，再由函数 netif_rx( ) 提交给上层的 TCP/IP 协议模块进行处理，最后经 socket 接口传递给应用层的 GPRS 通信程序。

　　4   总结

　　近几年，智能交通系统（包括车辆监控系统）发展非常迅速，因此，移动终端将会有非常广泛的应用前景。随着市场需求的不断扩大，更加丰富的功能将会被集成到移动终端上，而嵌入式 Linux 系统凭借其自身的优势将会被越来越多地应用到这个领域。

　　本文作者创新点：本方案充分利用了嵌入式 Linux 平台所提供的系统功能，大大简化了应用程序的开发，并且具有良好的可扩展性。在详细介绍 GPS 信号的接收过程并给出一个简洁的 GPS 数据处理办法后，本文提供了一种切实可行的拨号到 GPRS 网络的方法，从而实现了移动终端跨越 GPRS 网络与 Internet 上监控中心的通信。

　　参考文献：

　　[1]    李艳晴等．基于 GPRS/GPS 的车辆监控系统的设计［J］．微计算机信息，2004，20-4：39-40．

　　[2]      Alessandro Rubini等．LINUX 设备驱动程序（第三版）［M］．中国电力出版社．2005．

　　[3]      成洁，路欣．嵌入式Linux平台的GPS数据采集研究［J］．江西理工大学学报，2006,vol.27,No.3．

　　[4]      刘旭，张其善．一种基于 GPRS 的车辆监控系统［J］．遥测遥控，2003，1，42-45．