短消息網(wǎng)關(guān)通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
鄧麗華
1
，黃華
1
，張靖宇
2
（
1.
四川大學(xué)電氣信息學(xué)院
?
?2.
時(shí)力永聯(lián)科技有限公司）
摘
要
：
在闡述短消息網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了短消息網(wǎng)關(guān)通信模塊的設(shè)計(jì)思想，并給出了該通信模塊的具體實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：
短消息
;
短消息網(wǎng)關(guān)
;
通信
1???????
前言
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)短消息業(yè)務(wù)正在為用戶(hù)提供越來(lái)越多的服務(wù)。人們不僅可以通過(guò)手機(jī)點(diǎn)播定制新聞、股票信息、天氣預(yù)報(bào)，還可以下載鈴聲、圖片等。無(wú)論需要什么樣的信息，我們都可以隨時(shí)隨地地通過(guò)手機(jī)接入互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，享受各種服務(wù)。電信運(yùn)營(yíng)商要實(shí)現(xiàn)這些增值業(yè)務(wù)，就必須支持網(wǎng)間的互聯(lián)互通。
目前實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間互聯(lián)互通的方式有四種，包括：通過(guò)移動(dòng)關(guān)口局互聯(lián)互通；通過(guò)信令轉(zhuǎn)接點(diǎn)互聯(lián)互通；通過(guò)短消息網(wǎng)關(guān)互聯(lián)互通；通過(guò)第三方運(yùn)營(yíng)商系統(tǒng)互聯(lián)互通。前兩種方式不易設(shè)置計(jì)費(fèi)點(diǎn)和引出計(jì)費(fèi)話(huà)單，因此不利于網(wǎng)間結(jié)算；最后一種方式，雖然能夠保證計(jì)費(fèi)點(diǎn)和結(jié)算點(diǎn)的統(tǒng)一，但是易受到地域條件的限制
。
而通過(guò)短消息網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，無(wú)須對(duì)
現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行大面積的數(shù)據(jù)改動(dòng)和升級(jí)改造，能夠
合理的設(shè)置計(jì)費(fèi)點(diǎn)，保證計(jì)費(fèi)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)鑒權(quán)和業(yè)務(wù)過(guò)濾的功能，保證網(wǎng)絡(luò)的安全，也能夠通過(guò)對(duì)業(yè)務(wù)流量的監(jiān)視和控制，防止網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的發(fā)生，這種互聯(lián)方式具有其他三種方式不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。目前，大部分短消息業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通都是使用短消息網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2???????
短消息網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)
短消息網(wǎng)關(guān)（
ISMG
）是處于短消息中心（
SMSC
）和業(yè)務(wù)提供商（
SP
）之間的設(shè)備，它為這兩個(gè)實(shí)體的數(shù)據(jù)交換提供安全、快捷的通道。網(wǎng)關(guān)與短消息中心之間使用
SMPP
協(xié)議（
Short Message Peer to Peer,
短消息點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議）
,
與
SP
之間使用
CMPP
協(xié)議（
China Mobile Peer to Peer,
中國(guó)移動(dòng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議），因此短消息網(wǎng)關(guān)需要完成協(xié)議的轉(zhuǎn)換、計(jì)費(fèi)、路由、安全和網(wǎng)絡(luò)管理等功能。其結(jié)構(gòu)圖如圖
1
所示。
?
?
?
?
?
?
?
?
?
短消息網(wǎng)關(guān)（
ISMG
）
|
短消息網(wǎng)關(guān)處理系統(tǒng)
|
短信網(wǎng)關(guān)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)
|
具體說(shuō)來(lái)，圖
1
中
SMPP
通信代理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和
GSM
網(wǎng)中短消息中心（
SMSC
）的連接，確保準(zhǔn)確接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。為了達(dá)到規(guī)范要求的不超過(guò)
0.001%
的數(shù)據(jù)丟包率，
SMPP
通信代理需要支持流量控制。
CMPP
通信代理系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)和
SP
服務(wù)提供商的連接，與
SMPP
通信代理系統(tǒng)不同的是，由于協(xié)議的影響，
CMPP
通信代理是服務(wù)器端，需等待
SP
的連接，而
SMPP
通信代理是客戶(hù)端，需要主動(dòng)連接
SMSC
。短消息網(wǎng)關(guān)處理系統(tǒng)是網(wǎng)關(guān)中最復(fù)雜的處理進(jìn)程，它完成的任務(wù)包括：向
GNS(
匯接網(wǎng)關(guān)
)
查詢(xún)路由，維護(hù)路由表，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分發(fā)。防火墻系統(tǒng)主要為網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)提供安全保障，它包括
IP
包過(guò)濾和身份驗(yàn)證。短信網(wǎng)關(guān)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)主要形成各種計(jì)費(fèi)話(huà)單，為計(jì)費(fèi)提供依據(jù)。業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)主要完成對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)告，生成報(bào)表，為運(yùn)營(yíng)者對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)的添加、修改、刪除以及對(duì)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的監(jiān)控、查詢(xún)、操作和維護(hù)提供接口和界面。
?
3???????
短消息網(wǎng)關(guān)通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
短消息網(wǎng)關(guān)通信模塊是整個(gè)短消息網(wǎng)關(guān)的基礎(chǔ)。無(wú)論是計(jì)費(fèi)、統(tǒng)計(jì)，還是超時(shí)重傳，高質(zhì)量的通信構(gòu)架是必不可少的保障。這個(gè)通信構(gòu)架不僅要完成基本的收發(fā)消息的功能，而且還要有好的結(jié)構(gòu)以支撐各種業(yè)務(wù)需求，保證良好的擴(kuò)展性。
3.1.???????
短消息網(wǎng)關(guān)通信模塊的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)短消息網(wǎng)關(guān)通信模塊時(shí)，我們考慮了以下幾點(diǎn)：
第一，由于短消息網(wǎng)關(guān)功能繁多，如果把通信和具體業(yè)務(wù)合在一起開(kāi)發(fā)，容易顧此失彼。可能會(huì)因?yàn)殚_(kāi)始的考慮不周全，造成在增加某項(xiàng)新業(yè)務(wù)時(shí)不得不修改通信底層和原來(lái)的業(yè)務(wù)代碼，導(dǎo)致重復(fù)開(kāi)發(fā)。所以我們采用通信代理的方式把通信和具體業(yè)務(wù)分開(kāi)，在增加新業(yè)務(wù)時(shí)，就只需少量修改通信代理的設(shè)置，而且不必再改動(dòng)原來(lái)的業(yè)務(wù)代碼了。
第二，通信代理需要同時(shí)偵聽(tīng)多個(gè)端口，我們選用多路復(fù)用
I/O
這種方式。雖然多線(xiàn)程能夠通過(guò)并行計(jì)算和共享內(nèi)存提高代碼效率和資源利用率，但在短消息網(wǎng)關(guān)中，處理的數(shù)據(jù)量大，多線(xiàn)程方式的并行處理會(huì)造成一些消息的邏輯混亂，資源共享也會(huì)增加代碼的復(fù)雜度。而多路復(fù)用使用簡(jiǎn)單，邏輯清晰明了，不易發(fā)生錯(cuò)誤，也不會(huì)出現(xiàn)因資源共享帶來(lái)同步和互斥問(wèn)題。因此使用多路復(fù)用
I/O
是比較合理的。
第三，業(yè)務(wù)處理模塊與通信代理之間可以使用隊(duì)列進(jìn)行通信，對(duì)隊(duì)列的管理和參數(shù)的設(shè)置(例如對(duì)同一隊(duì)列操作的互斥，以及隊(duì)列個(gè)數(shù)的設(shè)置等)都使用專(zhuān)門(mén)的隊(duì)列內(nèi)核程序統(tǒng)一調(diào)度并封裝成函數(shù)接口，以方便業(yè)務(wù)處理模塊對(duì)隊(duì)列的使用。另外，通過(guò)隊(duì)列通信，也可以為今后增加的業(yè)務(wù)提供良好的擴(kuò)展性。
第四，為了達(dá)到99.999%的不丟包率，通信代理需要使用流量控制機(jī)制以保證網(wǎng)關(guān)內(nèi)部不丟包。這是因?yàn)闊o(wú)論隊(duì)列設(shè)置有多大，如果出現(xiàn)消息只發(fā)不收的情況，都會(huì)造成隊(duì)列溢出而丟包。因此，為每個(gè)隊(duì)列中緩存的消息做記錄，當(dāng)某個(gè)時(shí)刻隊(duì)列消息的數(shù)量達(dá)到規(guī)定限度,隊(duì)列就不再收包,以保證到達(dá)網(wǎng)關(guān)的消息不會(huì)丟失。
3.2.???????
短消息網(wǎng)關(guān)通信模塊的實(shí)現(xiàn)
基于以上設(shè)計(jì)思路，我們實(shí)現(xiàn)的短消息通信模塊包括四個(gè)父進(jìn)程：
CMPP
通信代理
(cmpp_server)
、
SMPP
通信代理
(smpp_server)
、消息分發(fā)處理
server(package_server)
和前轉(zhuǎn)消息處理
server(route_server)
。它們之間通過(guò)
6
個(gè)消息隊(duì)列相互通信。具體的軟件結(jié)構(gòu)如圖
2
所示。
Cmpp_server
主要為
SP
和網(wǎng)關(guān)之間建立一條高質(zhì)量的傳輸通道。它同時(shí)偵聽(tīng)與它相連的多個(gè)
socket
，通過(guò)隊(duì)列接口函數(shù)
mqm_send( )
把接收到的
CMPP
格式的消息送入隊(duì)列
2
中。同時(shí)，它也要通過(guò)函數(shù)
mqm_recv( )
不停的從隊(duì)列
1
中獲得消息，并把它轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的目的
SP
。
cmpp_server
不需判斷收到的消息類(lèi)型，只負(fù)責(zé)通信，因此稱(chēng)通信代理。
Smpp_server
與
cmpp_server
基本一致，唯一不同的只有一點(diǎn)：
SMPP
協(xié)議規(guī)定
smpp_server
是客戶(hù)端，需要主動(dòng)發(fā)起建立連接的請(qǐng)求；而
CMPP
協(xié)議規(guī)定
cmpp_server
是服務(wù)器端，需等待對(duì)方連接。
Package_server
是短消息網(wǎng)關(guān)的核心，所有的消息都要經(jīng)過(guò)它，包括協(xié)議轉(zhuǎn)換，超時(shí)重傳，計(jì)費(fèi)，路由，都需要在
package_server
中完成。
package_server
同時(shí)監(jiān)聽(tīng)
2
、
4
、
6
三個(gè)隊(duì)列，根據(jù)不同的消息頭來(lái)判斷這個(gè)消息的下一個(gè)目的地。路由表也需要在
package_server
中維護(hù)，以便
package_server
能得到路由信息，轉(zhuǎn)發(fā)消息。如果路由表中找不到相關(guān)的信息，
package_server
就要把該消息轉(zhuǎn)發(fā)給
route_server
，由
route_server
從匯接網(wǎng)關(guān)處獲得路由信息后發(fā)送該消息。
Route_server
主要處理需要轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)關(guān)的消息。當(dāng)
package_server
發(fā)現(xiàn)消息的目的地不是本地網(wǎng)關(guān)所連的
SP
或
SMSC
，那么它就會(huì)把消息轉(zhuǎn)發(fā)給
route_server
處理。
Route_server
接到消息后與匯接網(wǎng)關(guān)通信，請(qǐng)求目的地的網(wǎng)關(guān)地址，然后與目的網(wǎng)關(guān)建立
socket
連接，交付該消息并記錄前轉(zhuǎn)話(huà)單。
??????
在整個(gè)通信模塊中，所有的
server
都使用隊(duì)列接口函數(shù)
mqm_init( )
初始化消息隊(duì)列并復(fù)接在隊(duì)列上。收發(fā)數(shù)據(jù)使用
mqm_send( )
和
mqm_recv( )
函數(shù)完成。存儲(chǔ)消息采用固定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如下：
struct mqm_connection {
unsigned int??????????? package_server_seqnum; //
由網(wǎng)關(guān)自行產(chǎn)生。若消息從隊(duì)列
4
中來(lái)，該元素將是轉(zhuǎn)化后的
CMPP
協(xié)議格式的消息序列號(hào)；若消息從隊(duì)列
2
中來(lái)，該元素將是轉(zhuǎn)化后的
SMPP
協(xié)議格式的消息序列號(hào)。
?????? short?????? ????????????? mqm_sockfd; //
接收該消息的
socket;
?????? short?????? ????????????? mqm_seqnum; //
收到的消息序列號(hào)；
?????? time_t???? ????????????? mqm_timeout;//
收到該消息的時(shí)間；
?????? int?????????? ????????????? total_length; //
該消息的長(zhǎng)度；
?????? char????????????? ??? mqm_buf[MAX_PACKET_SIZE]; //
該消息的內(nèi)容；
char????????????????????? converted_buf[MAX_PACKET_SIZE]; //
轉(zhuǎn)換協(xié)議后的消息內(nèi)容；
};
現(xiàn)以
MO
請(qǐng)求業(yè)務(wù)為例，描述通信模塊的工作流程。
當(dāng)
SMSC
以
SMPP
格式的
DELIVER_SM
消息發(fā)出訂閱某個(gè)
SP
的言語(yǔ)傳情短消息，經(jīng)由
smpp_server
收到，從隊(duì)列4中轉(zhuǎn)發(fā)給
package_server
。
Package_server
收到
MO
請(qǐng)求后回送給
SP
一個(gè)
SMPP
格式的
DELIVER_SM_REP
應(yīng)答消息，并用
mqm_connection
結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)這條
MO
消息的各個(gè)信息。 之后，
package_server
就把該消息轉(zhuǎn)換成
CMPP
協(xié)議的
CMPP_Deliver
消息，并通過(guò)隊(duì)列1送到
cmpp_server
中，轉(zhuǎn)發(fā)給目的
SP
。
SP
在接收到這個(gè)消息后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)
CMPP
格式
的
CMPP-_Deliver_Rep
的應(yīng)答消息返回給網(wǎng)關(guān)。當(dāng)
package_server
收到了應(yīng)答信號(hào)，也需要用
mqm_connection
結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ)。這時(shí)，一條
MO
短消息轉(zhuǎn)發(fā)成功，
package_server
記錄
SMO
話(huà)單。
下面給出在Linux7.2版本的操作系統(tǒng)下，用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的package_server的主要代碼：
main
（）
{
???????
?????? mqm_init( ); //
初始化隊(duì)列；
?????????????? ……
?????????????? pipe( ); //
建立管道
;
?????????????? if (( child_pid = fork( ) ) ==0)
?????????????? {
????????????????????? //
通過(guò)管道通知
2
隊(duì)列有數(shù)
;
????????????????????? while(1){
??????????????
???????????????????? get_result_msg_info(REQUEST_2,pipfd2[1]);
???????
??????????????????????????? }
?????????????? }
?????????????? ……
?????????????? //
建立監(jiān)聽(tīng)描述符集
;
?????????????? FD_ZERO ( &monit);
?????????????? FD_SET ( )_;
?????????????? ……
?????????????? //
處理隊(duì)列中來(lái)的數(shù)據(jù)
?????????????? while(1)
?????????????? {
?????????????????????
?select ( ); //
監(jiān)聽(tīng)
2,4,6
隊(duì)列
;
????????????????????? if ( FD_ISSET(queue2,&read_monit ))? //
如果
2
隊(duì)列有數(shù)
;
????????????????????? {
??????????????????????????????????? handle_queue2_in( );//
處理
2
隊(duì)列來(lái)的數(shù)據(jù)
;
????????????????????? }
????????????????????? ……
?????????????? }//end while;
} //end main
；
4????????
結(jié)束語(yǔ)
短消息網(wǎng)關(guān)是
無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)短消息業(yè)務(wù)中最為關(guān)鍵的一個(gè)設(shè)備，
它為手機(jī)用戶(hù)和互聯(lián)網(wǎng)的信息資源架起了一座橋梁。本文中短消息網(wǎng)關(guān)的通信模塊設(shè)計(jì)周全，結(jié)構(gòu)合理，為計(jì)費(fèi)、路由、超時(shí)重傳等模塊提供了良好的擴(kuò)展性。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，在奔
2
處理器，
64
兆內(nèi)存的機(jī)器上，收發(fā)包速率為每秒
5000
條，不丟包率達(dá)到
100%
，是一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
[1]
短消息網(wǎng)關(guān)設(shè)備規(guī)范
(V1.2).
中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司，
2001.
[2]
中國(guó)移動(dòng)通信短消息網(wǎng)關(guān)測(cè)試規(guī)范（
V1.2
）
.
中國(guó)移動(dòng)通信公司，
2001.
[3]
中國(guó)移動(dòng)通信信息資源站實(shí)體與互聯(lián)網(wǎng)短消息網(wǎng)關(guān)接口協(xié)議（
V1.3
）
.
中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司，
2001.
[4] Short Message Peer to Peer Protocol Specification v3.4 .SMPP Developers Forum
，
1999.
[5] W.Richard Stevens.UNIX
網(wǎng)絡(luò)編程
.
施振川，周利民，孫宏暉等譯
.
清華大學(xué)出版社，
1999.
?
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