基于GPRS的車隊管理系統(tǒng)傳輸協(xié)議

0 引言

由于土地資源的限制，各級道路建設(shè)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上機動車輛的增長速度，造成城市交通擁擠，加上人們對機動車安全措施的重視，使得車隊管理系統(tǒng)越來越多地受到業(yè)界的關(guān)注。

典型的車隊管理系統(tǒng)由監(jiān)控中心，通信網(wǎng)絡(luò)和車載終端3部分組成。
在通信網(wǎng)絡(luò)部分，gprs（通用分組無線電業(yè)務(wù)）由于其永遠(yuǎn)在線、流量計費、高速傳輸?shù)忍攸c已成為廣大車隊管理系統(tǒng)制造商的首選，gprs是在現(xiàn)有的gsm（全球移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)上增加了3種新的邏輯網(wǎng)絡(luò)實體并進(jìn)行相應(yīng)的軟件升級而發(fā)展起來的，這3種邏輯網(wǎng)絡(luò)是：sgsn（服務(wù)gprs支持節(jié)點）、ggsn（網(wǎng)關(guān)gprs支持節(jié)點）和pcu（分組控制單元）。應(yīng)用中，用戶在gprs網(wǎng)絡(luò)上可任意選擇udp（通用數(shù)據(jù)報協(xié)議）與tcp（傳輸控制協(xié)議），而沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。

本文將兩種協(xié)議進(jìn)行對比，從可靠性、適用性、資費等方面深入討論車隊監(jiān)控系統(tǒng)中適合采用哪種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

1 兩種傳輸協(xié)議的定義與主要特征的比較

udp是一個簡單的面向數(shù)據(jù)報的運輸層協(xié)議，進(jìn)程的每個輸出操作都正好產(chǎn)生一個udp數(shù)據(jù)報，并組裝成一份待發(fā)送的ip數(shù)據(jù)報，udp數(shù)據(jù)報封裝成一份ip數(shù)據(jù)報的格式如圖1所示。

udp不提供可靠性連接，它把應(yīng)用程序傳給ip層的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，但是并不保證它們能到達(dá)目的地。

tcp和udp都使用相同的網(wǎng)絡(luò)層ip。tcp提供了一種可靠的面向連接的字節(jié)流運輸層服務(wù)。

tcp向應(yīng)用層提供與udp完全不同的服務(wù)。tcp提供一種面向連接的、可靠的字節(jié)來服務(wù)，tcp將用戶數(shù)據(jù)打包構(gòu)成報文段；它發(fā)送數(shù)據(jù)后啟動一個定時器。等待對端數(shù)據(jù)確認(rèn)；另一端對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，對失序的數(shù)據(jù)重新排序，丟棄重復(fù)數(shù)據(jù)；tcp提供端到端的流量控制，并計算和驗證一個強制性的端到端檢驗和。

面向連接意味著兩個使用tcp的應(yīng)用（通常是一個客戶和一個服務(wù)器）在彼此交換數(shù)據(jù)之前必須先建立一個tcp連接。這一過程與打電話很相似，先撥號振鈴，等待對摘機說"喂"，然后才說明是誰。

tcp傳輸協(xié)議連接過程如下，首先建立連接，tcp用3個報文段完成連接的建立，這個過程也稱為三次握手（three－way handshake），如圖2所示。

終止一個連接采用的是修改的三次握手協(xié)議，即要經(jīng)過4次握手，如圖3所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送必須經(jīng)過接收方確認(rèn)，并且有超時重傳等保障機制，這是tcp傳輸有一定保障的根本原因，可以看到，完成一次數(shù)據(jù)傳送，除了完成連接、終止連接外，至少還需要一個數(shù)據(jù)分組與一個ack分組。

udp與tcp提供不同的傳輸方式和傳輸質(zhì)量，tcp以增加網(wǎng)絡(luò)開銷的方式提供傳輸保障。在gprs網(wǎng)絡(luò)實際測試，網(wǎng)絡(luò)正常情況下，從gprs dtu→gprr網(wǎng)絡(luò)→互聯(lián)網(wǎng)→用戶數(shù)據(jù)中心這個通路上，udp傳輸有效性大于99％，tcp傳輸有性約為100％。

2 兩種傳輸協(xié)議傳輸效率的比較

在只考慮udp/tcp分組情況下，發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包為ip頭＋udp頭/tcp頭＋應(yīng)用數(shù)據(jù)。gprs網(wǎng)絡(luò)計費按照流量計費，數(shù)據(jù)傳送效率就顯得十分重要。由于目前分組數(shù)據(jù)機費按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議2層以上數(shù)據(jù)計算（即ip包數(shù)據(jù)），傳輸效率按下式計算：

通過上述分析，可看到單包傳送的數(shù)據(jù)量比較小時，udp傳輸效率明顯高于tcp。以上只是數(shù)據(jù)分組的傳輸效率，tcp還需要連接、終止連接、ack包等額外開銷，udp與tcp實際傳送效率差別將遠(yuǎn)大于表1中的計算效率。

在車隊管理系統(tǒng)中，傳輸頻率最高的是車輛的定位信息。車載終端通過gps（全球定位系統(tǒng)）接收機接收到的定位信息經(jīng)過車載終端的微控制器處理后，形成關(guān)于車輛的utc（協(xié)調(diào)世界時間）、日期、經(jīng)緯度以及地面速度等信息，加上該車輛的標(biāo)志，形成gps報文段發(fā)送給監(jiān)控中心，總的數(shù)據(jù)量為12字節(jié)（時間3字節(jié)，日期3字節(jié)，經(jīng)緯度4字節(jié)，速度1字節(jié)，標(biāo)志1字節(jié)），udp效率為92.30％，tcp效率為82.75％，而且由于數(shù)據(jù)量小，發(fā)送間隔通常從幾秒到幾分，數(shù)據(jù)報文之間發(fā)送間隔通常超過tcp需要的最大確認(rèn)間隔，導(dǎo)致幾乎每個數(shù)據(jù)報文都需要在tcp中的ack報文，因而實際傳輸中tcp的效率要更低一些。此外，傳輸保障是由應(yīng)用協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議共同完成的，要充分選擇發(fā)揮應(yīng)用協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)勢，達(dá)到總的效率最高、效果最好的目的，在應(yīng)用協(xié)議中，大多具有基本的傳輸保障功能，通過應(yīng)用層協(xié)議中超時重傳等功能完全可以滿足對udp中少量丟包情況的處理，按照udp丟包的概率，重傳概率也在1左右，如果選用tcp ，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)量大大增加。gprs是按流量計費的，因此采用tcp則意味著更大的成本損耗。

3 兩種傳輸協(xié)議適應(yīng)性的比較

車隊管理系統(tǒng)的實時性要求很高，超過時效的數(shù)據(jù)沒有任何用途。tcp連接保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，每個具體tcp實現(xiàn)必須選擇一個報文段msl（最大生存時間），它是任何報文段被丟棄前在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的最長時間，這個時間是有限的，rfc 793[postel 1981c]指出msl為2min。然而，實現(xiàn)中的常用值是30s、1min或2min。使用udp連接，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時，部分?jǐn)?shù)據(jù)包被丟棄，但可以改善接收數(shù)據(jù)嚴(yán)重滯后的情況，如果終端連接數(shù)量大，使用tcp連接可能帶來更嚴(yán)重的問題，gprs終端與服務(wù)器建立了tcp連接并發(fā)送數(shù)據(jù)后，或者服務(wù)器向正在請求連接的終端發(fā)出syn ack應(yīng)答報文后可能無法收到對端的ack報文，這種情況下發(fā)送端一般會重試并等待一段時間后終止這個連接，一般說來這個時間約為30s－2min。一個終端出現(xiàn)異常導(dǎo)致服務(wù)器的一個線程等待1min不是大問題，但如果網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致大量這種情況，服務(wù)器端為了維護一個非常大的半連接列表將消耗非常多的資源，即使是簡單的保存并遍歷也會消耗非常多的cpu時間和內(nèi)存，何況還要不斷對這個列表中的ip進(jìn)行重試。如果服務(wù)器的tcp/ip棧不夠強大，最后的結(jié)果往往是堆棧溢出崩潰。即使服務(wù)器系統(tǒng)足夠強大，也忙于處理tcp連接請求以及重傳數(shù)據(jù)導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降，大量重傳數(shù)據(jù)進(jìn)一步加劇gprs網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況，嚴(yán)重時可以讓gprs網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)器系統(tǒng)崩潰，對應(yīng)用于車隊管理系統(tǒng)中幾十、幾百甚至上千個車載中斷終端的情況，其后果是難以想象的。

4 結(jié)束語

本文對兩種傳輸協(xié)議進(jìn)行了比較，可見對于車隊管理系統(tǒng)這種多點分散、數(shù)據(jù)量小、實時性要求高、終端數(shù)量多的應(yīng)用，采用udp會更好一些。