基于嵌入式Linux 的移動終端的軟件設計

3.4 GPRS 通信程序

　　3.4.1 撥號到 GPRS 網絡的基本原理

　　移動終端要想通過 GPRS 通信模塊訪問 Internet，首先得附著在 GPRS 網絡上，然后發起 PDP（Packet Data Protocol，分組數據協議）上下文激活過程[4]，如圖 4 所示。只有通過此過程，GPRS 通信模塊才能與 GGSN 建立一條邏輯通路，從而訪問 Internet。

圖 4 PDP 上下文激活過程示意圖

　　3.4.2 移動終端上撥號程序的實現

　　在嵌入式 Linux 系統平臺下，移動終端利用 pppd（包含 chat）撥號到 GPRS 網絡。pppd 是一個用戶空間的后臺服務進程（daemon），而 chat 是 pppd 所帶一個輔助工具，用來與 GPRS 通信模塊建立會話。在 PDP 上下文激活過程中，chat 完成了第 ① 步，而 pppd 完成了第 ②、③、④、⑩ 步。pppd 撥號程序的層次結構如圖 5 所示。

圖 5 pppd 撥號程序的層次結構

　　其中，N_PPP 層就是 PPP 協議層。PPP 協議模塊不僅提供簡單的數據鏈路層功能，它還提供諸如鑒權（如PAP/CHAP），數據壓縮/解壓（如CCP）和數據加密/解密（如ECP）等擴展功能。由于 GPRS 通信程序要求透明化地使用這些擴展功能，而 PPP 協議模塊本身無法對各種策略進行選擇，于是 pppd 應運而生。PPP 協議模塊中策略性的內容都移到了 pppd 中，由 pppd 完成對鑒權、壓縮/解壓和加密/解密等擴展功能的選用。

　　在運行 pppd 的時候，pppd 首先讀取配置文件中的配置信息，其中包含了設置 PPP 協議模塊的參數、GPRS 通信模塊連接的端口（/dev/ttyS1）以及對 chat 進行調用的語句，等等。隨后 pppd 調用 chat，chat 也會讀取相應的配置文件（其中包含一些應答語句對和 AT 命令），然后使用默認的行規程 N_TTY 向 GPRS 通信模塊發送 AT 命令，接著 chat 將控制權返還給 pppd。pppd 將行規程切換為 N_PPP，而 pppd 與 PPP 協議模塊之間采用了設備文件來進行通信，設備文件名是 /dev/ppp。通過 read 系統調用，pppd 可以讀取 PPP 協議模塊的數據包（當然，PPP 協議模塊只會把應該由 pppd 處理的數據包發給 pppd）。通過 write 系統調用，pppd 可以把要發送的數據包傳遞給 PPP 協議模塊，而通過 ioctl 系統調用，pppd 可以設置 PPP 協議模塊的參數，可以建立/關閉連接。

　　此后，pppd 執行了 PDP 上下文激活過程的第 ②、③、④ 步。等 PDP 上下文激活過程的第 ⑤－⑨ 步（與移動終端不直接相關）完成之后，pppd 執行第 ⑩ 步，在函數 make_ppp_unit( ) 中調用 ioctl(PPPIOCNEWUNIT) 創建一個網絡接口（如ppp0）。當 PPP 協議模塊在處理 PPPIOCNEWUNIT 時，調用函數 register_netdev( ) 向內核注冊 PPP 網絡接口，該網絡接口的傳輸函數指向函數 ppp_start_xmit( )。值得注意的一點是，如果關閉進程 pppd，行規程會由 N_PPP 切換回默認的 N_TTY，因此，在移動終端與監控中心通信的過程中不能關閉 pppd 進程。

　　至此，移動終端完成了向 GPRS 網絡的撥號，這樣它就擁有了一個可以用于與監控中心進行通信的網絡接口（如ppp0）。

　　3.4.3 移動終端與監控中心的數據交互

　　前面，移動終端已經與監控中心建立了網絡鏈接。接下來，移動終端就可以與監控中心進行通信了。GPRS 通信程序的層次結構如圖 1 的右半部分所示。

　　在移動終端向監控中心發送定位信息的過程中，移動終端上的 GPRS 通信程序通過 socket 接口發送 TCP/IP 數據包，內核根據 IP 地址和路由表，找到 PPP 網絡接口，然后調用函數 ppp_start_xmit( )，此時控制權就轉移到了 PPP 協議模塊。函數 ppp_start_xmit( ) 調用函數 ppp_xmit_process( ) 去發送隊列中的所有數據包，而函數 ppp_xmit_process( ) 會進一步調用函數 ppp_send_frame( ) 去發送單個數據包。函數 ppp_send_frame( ) 根據前面 pppd 對 PPP 協議模塊的設置調用壓縮等擴展功能之后，又經函數 ppp_push( ) 調用函數 pch->chan->ops->start_xmit( ) 發送數據包。函數 pch->chan->ops->start_xmit( ) 是具體的傳輸方式，對于串口發送方式，則是 ppp_async.c:ppp_asynctty_open 中注冊的函數 ppp_async_send( )，函數 ppp_async_send( ) 經函數 ppp_async_push( ) 調用函數 tty->driver->write( )（定義在低層驅動程序中）把數據發送到串口 2（GPRS 通信模塊接在串口 2 上）。

　　ppp_async.c 在初始化時（ppp_async_init），調用函數 tty_register_ldisc( ) 向 tty 注冊了行規程 N_PPP 的處理接口，也就是一組回調函數。在移動終端接收監控中心指令的過程中，當 GPRS 通信模塊收到數據時，就會回調 N_PPP 行規程中的函數 ppp_asynctty_receive( ) 來接收數據。函數 ppp_asynctty_receive( ) 調用函數 ppp_async_input( ) 把數據 buffer 轉換成 sk_buff，并放入接收隊列 ap->rqueue 中。ppp_async 另外有一個 tasklet（ppp_async_process）專門處理接收隊列 ap->rqueue 中的數據包，ppp_async_process 一直掛在接收隊列 ap->rqueue 上，一旦被喚醒，它就調用函數 ppp_input( ) 讓 PPP 協議模塊處理該數據包。在函數 ppp_input( ) 中，數據被分成兩路，一路是協議控制數據包，放入隊列 pch->file.rqb 中，交給 pppd 處理。另外一路是用戶數據包，經函數 ppp_do_recv( )、ppp_receive_frame( ) 進行 PPP 協議相關的處理后，再由函數 netif_rx( ) 提交給上層的 TCP/IP 協議模塊進行處理，最后經 socket 接口傳遞給應用層的 GPRS 通信程序。

　　4 總結

　　近幾年，智能交通系統（包括車輛監控系統）發展非常迅速，因此，移動終端將會有非常廣泛的應用前景。隨著市場需求的不斷擴大，更加豐富的功能將會被集成到移動終端上，而嵌入式 Linux 系統憑借其自身的優勢將會被越來越多地應用到這個領域。

　　本文作者創新點：本方案充分利用了嵌入式 Linux 平臺所提供的系統功能，大大簡化了應用程序的開發，并且具有良好的可擴展性。在詳細介紹 GPS 信號的接收過程并給出一個簡潔的 GPS 數據處理辦法后，本文提供了一種切實可行的撥號到 GPRS 網絡的方法，從而實現了移動終端跨越 GPRS 網絡與 Internet 上監控中心的通信。