CN102724183A

CN102724183A - 一种车载gps设备协议转换软网关

Info

Publication number: CN102724183A
Application number: CN2012101748538A
Authority: CN
Inventors: 徐志江; 孟利民; 彭宏; 王胜
Original assignee: HANGZHOU PUNUO TECHNOLOGY CO LTD; Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: HANGZHOU PUNUO TECHNOLOGY CO LTD; Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: CN102724183B

Abstract

一种车载GPS设备协议转换软网关，包括：Dev2GateFactory对象单元，用以负责Dev2GateProtocol对象的管理，模拟设备的本地UDP端口查找；Dev2GateProtocol对象单元，用以负责软网关与GPS设备TCP连接超时管理，数据报文解析校验，GPS设备数据库读取写入，启动/停止模拟设备，私有协议与SIP协议转换，转发设备请求/响应等网络处理的方法实现；Simu_dev对象单元，用以负责实例化软网关中对应注册车载GPS设备的模拟设备，通过该模拟设备，实现设备与服务器之间会话的具体方法。本发明对接入设备与通信会话进行统一有效的管理，加强通信会话的统一性，有效性，可扩展性。

Description

一种车载GPS设备协议转换软网关

技术领域

本发明涉及车载GPS设备与服务器通信过程中私有协议与SIP协议转换技术，是一种GPS设备接入软网关。

背景技术

近年来，伴随着GPS技术的成熟，为了通过GPS系统对车辆，人员进行更有效的管理，GPS设备与管理服务器之间的通信技术也便发展起来。目前不少设备厂商对GPS设备进行了一定深度的开发，对GPS功能进行了扩展。因此其在处理GPS数据时，不再是发送简单的定位数据报，而是对其进行了私有协议下的数据封装，然后通过TCP协议上传服务器。

但是由于不同厂家私有协议的之间的兼容性差，难以在车载定位，录像采集，车辆管理等大应用背景中进行数据整合，使得设备在与服务器通信过程中，需要解析处理不同协议报文，对管理造成困难。而且由于现有多媒体应用中，如音视频会话，常使用RTP，RTCP等自有通信协议。因此，在车载GPS设备与服务器会话过程中，通过某种会话管理协议，对不同类型协议类型数据进行统一管理显得十分重要。

SIP是由IETF制定的一个应用层的控制协议，可以用来建立、修改、和终止多媒体会话。通过与RTP/RTCP、SDP、RTSP等协议及DNS配合，SIP支持语音、视频、数据等，并已经取得了广泛的应用。因此加入SIP协议管理很好的满足了车载GPS设备与服务器通信的需求。但如果要在GPS车载设备中直接加入SIP协议封装模块，必须对不同厂商的设备进行软硬件的重新设计，成本大，也难以对现有产品进行兼容。因此本方案，采用架设协议转换软网关的方式，对设备与服务器通信过程中的会话进行设备私有协议与SIP协议的转换，既保证了设备平台的兼容性，又保证了服务器会话管理的统一性，扩展性。

发明内容

为了克服已有车载GPS设备与服务器通信过程中私有协议的通用性不强，兼容性差，会话管理能力弱，扩展能力有限等不足，本发明提供一种设备私有协议与SIP协议转换软网关，对接入设备与通信会话进行统一有效的管理，加强通信会话的统一性，有效性，可扩展性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种车载GPS设备协议转换软网关，所述软网关的技术的主体构架为Python语言，通过Twisted非堵塞网络框架实现具体功能。所述Python语言为一种高阶动态编程语言。所述Twisted是一种基于事件的开源网络框架；

所述车载GPS设备协议转换软网关为设备私有协议与SIP协议转换软网关，所述软网关包括：Dev2GateFactory对象单元，Dev2GateProtoco对象单元和Simu_dev对象单元；

所述Dev2GateFactory对象单元，用以负责Dev2GateProtocol对象的管理，模拟设备的本地UDP端口查找，数据库读写接口等会话管理的方法实现。

所述Dev2GateProtocol对象单元，用以负责软网关与GPS设备TCP连接超时管理，数据报文解析校验，GPS设备数据库读取写入，启动/停止模拟设备，私有协议与SIP协议转换，转发设备请求/响应等网络处理的方法实现。

所述Simu_dev对象单元，用以负责实例化软网关中对应注册车载GPS设备的模拟设备，通过该模拟设备，实现设备与服务器之间会话的具体方法。

进一步，所述的车载GPS设备协议转换软网关Dev2GateProtocol对象中，本软网关接收到GPS设备私有数据报文后，触发dataReceived()事件，实现所述数据报文解析校验方法：首先调用函数QCpredev2ser()进行预解析处理，对报文进行校验，并解析出设备SN序列号与去除GPRS头的数据报data。所述设备SN序列号由厂家自由定义，并事先注册到软网关设备数据库中。软网关读取数据库，检索该设备SN序列号是否合法，并登记接入GPS设备网络信息；所述Dev2GateProtocol对象单元中，依然在所述dataReceived()事件里，实现私有协议与SIP协议报文转换：经预解析和数据库查询之后的合法GPS设备，软网关会将其需要上发至服务器的TCP报文数据，保存到列表缓存dbuff中。然后函数deferToThread()进入延迟对象Deferred子线程中，调用函数send2Server()，按照设定的时间间隔，从列表中读取保存的私有协议数据，经函数QCdev2ser()转换为SIP协议报文之后发送至服务器，以防止GPS设备大量发送私有协议数据导致服务器负载过重。由于send2Server函数返回Deferred对象，该函数中的阻塞行为不会阻塞系统，可以达到快速退出dataReceived()事件的目的；所述Dev2GateProtocol对象单元中，TCP保活机制是：每次收到GPS设备发送的TCP数据报文便更新报文时间。定时启动TCP超时处理程序，检查当前时间与最新报文时间间隔是否超时，若超时则软网关主动断开与设备的TCP连接。

再进一步，所述Dev2GateProtocol对象单元中，为了实现设备与服务器之间的会话，必须在每个设备第一次接入时，注册启动模拟设备simu_dev()对象实例。每个GPS设备对应一个模拟设备实例，通过该实例经过UDP链路向SIP服务器发送请求或响应。同时也可以根据需要将服务器的请求与响应转发给GPS设备，以达到建立并完成会话目的。所述模拟设备实例中，实例化sip.Base类对象rvsip_endpoint，模拟设备端点，用于上发服务器设备请求，或者服务器下发指令；实例化sip.Request类对象rvsip_request，用于组成上发服务器的相应SIP协议请求报文。此外，模拟设备还实现了启动心跳包保活，向设备转发服务器请求或响应等功能的方法，从而对GPS设备与服务器之间的会话过程进行有效处理。模拟设备在接收到服务器下发GPS设备指令时，将调用Qcser2dev()函数，将SIP协议报文解析为设备可识别的私有协议报文，并下发。

所述模拟设备simu_dev()实例心跳包服务，可以控制刷新TCP报文时间，维持GPS设备与软网关的TCP连接，同时通过发送心跳报文刷新模拟设备实例与SIP服务器的会话注册登陆状态，从而起到保持车载GPS设备，软网关系统，SIP服务器之间的通信连接的安全稳定的作用。

所述协议转换软网关中，一旦出现如TCP连接超时，接入设备未注册，数据报文非法，会话无响应等事件，则系统将触发connectionLost()事件，执行关闭TCP连接，删除模拟设备，清空缓存等操作，保证网关网络资源的有效性。

所述私有协议数据报文预处理函数QCpredev2ser()，私有协议数据报文转换XML格式SIP协议数据报文函数QCdev2ser()，SIP协议报文转换成私有协议报文函数Qcser2dev()均为C语言扩展模块protoTrans中的子函数。由于设备私有协议往往是16进制的，每一个Byte，甚至一个Byte中的每一个bit都可能有不同的含义，采用C语言处理具备更多的处理优势，在加快处理速度的同时，C语言编译后的二进制代码，也克服了python作为解释性语言，源码可见，对私有协议等敏感内容保密不利的缺点。

本发明的技术构思为：针对车载GPS协议软转换网关需要在运行时能够同时处理多个连接，而数据的收发并不一定是连续的，因此该软网关必须采用非堵塞设计。本软网关采用了Python语言下的Twisted网络编程框架，其为基于异步I/O的事件驱动跨平台网络框架。本方案同时避免了分叉（forking）方案消耗内存大，局限于UNIX/LINUX平台的缺点。也克服了纯粹的线程（threading）方案，不同连接之间共享内存，易造成内存变量读写冲突的不足，保证了该软网关的可靠性与有效性。

当车载GPS设备接入软网关时，对私有协议数据报进行预解析，校验数据报，去除数据报GPRS并保存至缓存。加入数据库管理，通过读取数据库比对SN序列号，查询该车载GPS设备是否为合法设备，并对设备进行统一编号，网络地址IP与接口Port登记，保证对设备的统一有效管理。

由于每个接入的车载GPS车载设备实例化对应的模拟设备simu_dev()对象，因而可以保证多个接入设备相互独立，不受干扰。该实例实现了模拟设备与服务器之间请求或响应的组包，SIP报文上发下行等方法。软网关调用上述方法，使模拟设备通过UDP链路通信，注册登陆到SIP服务器。之后通过向SIP服务器上发设备请求/响应报文，或者向设备下发SIP服务器请求/响应报文，达到完成会话的目的。

以设备上发数据至SIP服务器为例：在数据接收处理事件dataReceived()退出前，该事件调用函数deferToThread()进入延迟对象Deferred子线程中，利用函数send2Server()，按照设定的时间间隔，定时处理私有协议报文，经函数QCdev2ser()转换为XML格式SIP协议报文之后发送至服务器。由于send2Server函数返回Deferred对象，并通过函数Deferred.callback()回调，该函数中的阻塞行为不会阻塞dataReceived()事件的快速退出。

通过设置TCP超时处理机制，开启心跳服务包服务，加强通信链路保活能力，维持活动车载GPS，软网关，SIP服务器之间的有效通信。同时能够及时断开超时TCP连接，无响应连接等无效通信链路，保证通信链路的有效性与可靠性。

软件实现步骤为：车载GPS设备接入协议转换软网关，软网关接受私有协议数据报，经过校验，数据库查询；启动模拟设备，注册登陆到SIP服务器，建立会话；进入延迟对象子线程定时对私有协议数据报文与SIP协议报文进行相互转换，调用模拟设备方法上发服务器或下发设备；通过模拟设备，根据会话要求要求具体实现各类请求或响应报文中转后上发或下发，并作相应处理的方法；会话结束，断开通信连接，注销模拟设备，清空缓存。

本发明的有益效果主要体现在：

（1）通过转换协议，实现车载GPS设备与服务器之间应用层通信过程由SIP协议进行统一的会话管理。减轻了服务器解析多种私有协议的负担，增强了设备与服务器之间通信质量的稳定性与可靠性。

（2）通过软网关进行协议转换，避免了对原有GPS设备的软硬件的重新设计，将上发服务器的连接，更改为上发软网关即可。

（3）通过加设车载GPS设备数据库，对接入GPS设备进行查验，登记，统一编号，有效管理GPS设备合法接入。

（4）采用异步I/O的事件驱动型网络编程框架Twisted搭建系统，保证了软网关的非阻塞性与跨平台性。

（5）该软网关在设计过程中，既实现了车载GPS设备定位私有协议数据通过转换成SIP协议报文上传服务器的基本功能要求，也为服务器与设备之间的多媒体会话扩展预留了设计空间。

附图说明

图1是车载GPS协议转换软网关网络框架。

图2是车载GPS设备实现与服务器通过SIP协议会话总流程图。

图3是TCP连接超时处理流程图。

图4是软网关接收GPS设备数据报后处理流程图。

图5是软网关通过模拟设备与SIP服务器建立会话流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参照图1~图5，一种车载GPS设备协议转换软网关，其特征在于：所述车载GPS设备协议转换软网关为设备私有协议与SIP协议转换软网关，所述软网关包括：

Dev2GateFactory对象单元，用以负责Dev2GateProtocol对象的管理，模拟设备的本地UDP端口查找，以及会话管理的方法实现，所述会话管理包括数据库读写接口；

Dev2GateProtocol对象单元，用以负责软网关与GPS设备TCP连接超时管理，数据报文解析校验，GPS设备数据库读取写入，启动/停止模拟设备，私有协议与SIP协议转换，转发设备请求/响应等网络处理的方法实现；

Simu_dev对象单元，用以负责实例化软网关中对应车载GPS设备的模拟设备，通过该模拟设备，实现设备与服务器之间会话的具体方法。

本实施例的车载GPS设备协议转换软网关，通过将GPS设备私有协议数据报文与服务器XML格式SIP协议报文之间的相互转换，并转发，从而实现建立，完成会话的目的。

（1）图1为所述协议转换软网关与车载GPS，SIP服务器之间通信的网络结构。软网关与车载GPS设备之间通信采用TCP链路通信，保证链路质量可靠性，数据报文格式为车载GPS设备私有协议格式；软网关与服务器之间由于在应用层上采用SIP协议通信，具有握手机制来保证对链路质量的控制，所以在传输层上采用UDP链路进行通信，该过程数据报文为SIP协议报文。在此网络结构基础上，软网关通过转发经过转换协议的报文，达到建立，完成车载GPS设备与SIP服务器之间会话的目的。

（2）所述车载GPS设备通过本发明协议转换软网关与SIP服务器建立，完成会话。本次流程首次连接请求由车载GPS设备发起，如图2总流程图所示其步骤为：

2.1）所述基于Twsited网络框架的软网关启动后，调用reactor.listenTCP()函数，实例化ServerFactory类对象Dev2GateFactory初始化软网关资源，监听TCP端口，调用reactor.run()，准备网络事件处理。

2.2）当有车载GPS设备通过TCP接入时，软网关实例化Protocol类对象Dev2GateProtocol，对网络连接进行处理启动网络事件处理。

2.3）建立TCP连接后，触发connectionMade()事件，查找空闲UDP端口，保存TCP报文时间，启动TCP超时处理函数handle_Tcptimer()

2.4）软网关接收到GPS设备数据报文，触发dataReceived()事件，开始对报文进行数据库注册校验，解析该私有协议，启动并进入Deferred子线程，定时私对有协议报文进行SIP协议转换。

2.5）判断该GPS设备是否为首次接入软网关，若是，则实例化模拟设备simu_dev()对象，启动模拟设备服务，调用相应方法，注册登陆SIP服务器，建立会话。若否，则跳过启动注册步骤。

2.6）模拟设备启动注册之后，Deferred子线程利用对应的模拟设备simu_dev()实例中的具体方法，上发已转换的SIP报文，处理设备对服务器的响应与请求。

2.7）软网关接收SIP服务器下发响应/请求数据报文，并处理。判断是否需要将服务器下发报文转发至设备。若是，则通过模拟设备对应实例调用转换模块中的Qcser2dev()函数将SIP报文转换为私有协议报文，并下发。若否，则等待dataReceived()事件触发，处理后续数据报文。

2.8）服务器报文已经转换，下发后，判断会话是否结束。若是，则启动connectionLost()事件断开相应连接，清理缓存。若否，则等待下次dataReceived()事件触发，处理后续数据报文。

（3）图3为TCP超时处理函数handle_Tcptimer()流程图，其用于，定时判断TCP连接是否超时，并处理。其在TCP连接保活机制，模拟设备心跳包机制中都有应用。具体描述为，每次接收到TCP报文或系统特定时间时，系统均会将当前时间保存当TCP报文更新时间。然后以timeout为时间间隔，定时循环启动handle_Tcptimer()超时处理函数，所述timeout为预定义TCP连接超时的时间间隔。每次校验过程为：

3.1）获取当前系统时间now。

3.2）now减去最新TCP报文时间比较是否小于时间间隔timeout。若否，则判断TCP连接超时，启动connectionLost()事件断开链接。

3.3）若是则不做任何处理，退出处理程序。系统等待timeout大小时间间隔后，将再次调用handle_Tcptimer()进行超时判断处理。

（4）当存在车载GPS设备接入软网关后，系统实例化Dev2GateProtocol对象，启动网络事件处理。其中重要流程为当接收到GPS数据报后，触发系统dataReceived()事件，开始对报文进行处理的过程。所述步骤如图4所示：

4.1）刷新当前系统时间为TCP连接活动标记，保存最新TCP报文时间，对本次连接进行保活处理。

4.2）调用函数QCpredev2ser()对GPS私有协议数据报文进行预处理，返回设备序列号sn与经过预处理的私有协议数据报文data。所述序列号sn为厂商自行定义编号。所述QCpredev2ser()为扩展模块protoTrans中的子函数，利用C语言编写，快速对GPS报文进行了类型判断，格式处理，格式转换，报文XOR，CRC检验，去除GPRS头等处理。

4.3）软网关系统判断sn序列号是否已经经过设备数据库校验。如果是，则该设备合法，且并非首次接入，直接将预处理后数据报文data保存到dBuff缓存中。

4.4）如果否，则该sn序列号设备首次接入软网关系统，必须进行数据库查询比对，判断是否合法。如果该sn序列号未在设备数据库中找到，则判断本次GPS设备接入非法，系统将断开连接，并清空对应缓存数据。

4.5）如果该sn序列号在数据库中找到，则其为在设备数据库中注册备案过的合法设备编号。软网关会将本次设备接入的网络IP与端口Port进行登记，写入数据库，并读取其注册的统一编号，作为系统内部识别编号。然后将预处理后的数据报文data保存到dBuff缓存中。

4.6）通过回调函数Deferred.callback()，在deferToThread线程中，调用函数send2Server()对缓存中的数据报文进行非阻塞定时处理，并尝试调用对应的模拟设备方法，上发报文。若此时对应模拟设备未启动，则函数返回，并在设定时间内再次尝试调用。

完成以4.1)~4.6)流程后，系统完成完成对私有车载GPS设备协议数据接收处理，但仍然需要通过启动对应的模拟设备实例，调用其中的具体方法来实现会话注册，报文的转发等具体功能。

（5）在完成（4）中的流程处理后，GPS设备私有协议数据处理结束，需要开始建立与SIP服务器会话，完成通信会话任务。由于目前大多数GPS设备与SIP服务器通信目的主要在在上传私有协议封装的定位数据。因此图5所示流程，通过实现该基本功能，从而演示本发明在该环节的工作机制：

5.1）系统判断该车载GPS设备是否为首次进行报文协议转换发送。如果否，说明之前已经注册启动相应的模拟设备simu_dev()类对象实例，则跳过注册启动与SIP服务器会话的流程。如果是，则必须重新实例化对应的模拟设备simu_dev()类对象，注册并启动服务simudev.start()，通过该模拟设备实例模拟GPS设备与SIP服务器完成会话通信任务。

5.2)实例化模拟端点对象rvsip_endpoint，用于上发服务器设备请求，或者服务器下发指令。

5.3）模拟设备服务启动后，将调用reactor.listenUDP()方法，监听的图2所示，2.3）步骤中查找到的UDP端口，以便接收或上发服务器报文。

5.4）实例化会话注册请求rvsip_request("REGISTER"...)，通过调用该实例中的req.login()方法，将相应验证密文，模拟设备网络IP，UDP端口等信息打包为XML格式SIP协议注册请求报文。然后通过rvsip_endpoint实例中的deliverRequest()方法向指定SIP服务器发送该报文。

5.5）模拟设备发送注册报文后，等待SIP服务器响应。如果未在规定时间内收到注册成功服务器响应，则继续重发注册报文，直到重发次数超过3次，停止重发，启动connectionLost()事件断开连接，关闭本次会话；如果在规定时间内收到注册成功服务器响应200(OK)，则会话注册成功。模拟设备与SIP服务器建立会话，开启心跳包，维持GPS，软网关，服务器三者之间通信。

5.6）模拟设备与SIP服务器会话注册成功后，数据接收处理流程4.6)中的deferToThread线程中的send2Server()函数，利用sleep()函数，定时调用QCdev2ser()子函数将预处理数据缓存dBuff中最旧的请求/响应数据报data转换成XML格式的SIP报文，起到控制数据报文处理、上发频率，预防接收数据过快导致报文丢失的作用。

5.6）完成协议转换后，在send2Server()函数中可以成功调用已经启动注册的模拟设备实例中的方法send()向服务器发送经过转换的SIP报文。

5.7）发送数据报文后，相应模拟设备实例等待SIP服务器响应。如果未在规定时间内收到服务器响应，则重新调用send()方法重发SIP数据报文，若重发次数超过3次，则停止重发，启动connectionLost()事件断开连接，关闭本次会话；如果在规定时间内收到服务器响应200（OK），则表明SIP数据报文发送成功，本次会话的协议转换任务完成。

为了能够实现更丰富的会话控制功能，本发明还预留了针对SIP服务器与GPS设备之间其他响应或者请求会话处理的设计空间。只需要在模拟设备simu_dev()类对象实例中加入相应响应或请求的处理方法并调用即可，从而保证了系统的扩展性。

Claims

1.一种车载GPS设备协议转换软网关，其特征在于：所述车载GPS设备协议转换软网关为设备私有协议与SIP协议转换软网关，所述软网关包括：

2.如权利要求1所述的车载GPS设备协议转换软网关，其特征在于：所述软网关接收到GPS设备私有数据报文后，触发dataReceived()事件，实现所述数据报文解析校验方法：首先调用QCpredev2ser()函数进行预解析处理，对报文进行校验，并解析出设备SN序列号与去除GPRS头的数据报data；所述设备SN序列号由厂家自由定义，并事先注册到软网关设备数据库中；

软网关读取软网关设备数据库，检索该设备SN序列号是否合法，并登记接入GPS设备网络信息；所述Dev2GateProtocol对象单元中，在所述dataReceived()事件里，实现私有协议与SIP协议报文转换：经预解析和数据库查询之后的合法GPS设备，软网关会将其需要上发至服务器的的TCP报文数据，保存到列表缓存dbuff中；调用函数deferToThread()进入延迟对象Deferred子线程中，按照设定的时间间隔，从列表中读取保存的私有协议数据，经函数QCdev2ser()转换为SIP协议报文之后发送至服务器；

所述Dev2GateProtocol对象单元中，TCP保活机制是：每次收到GPS设备发送的TCP数据报文则更新报文时间，定时启动TCP超时处理程序，检查当前时间与最新报文时间间隔是否超时，若超时则软网关主动断开与设备的TCP连接。

3.如权利要求1或2所述的车载GPS设备协议转换软网关，其特征在于：所述Dev2GateProtocol对象单元中，在每个设备第一次接入时，注册启动模拟设备simu dev()对象实例；每个GPS设备对应一个模拟设备实例，通过该实例经过UDP链路向SIP服务器发送请求或响应，同时也可以根据需要将服务器的请求与响应转发给GPS设备；所述模拟设备实例中，实例化sip.Base类对象rvsip_endpoint，模拟设备端点，用于上发服务器设备请求，或者服务器下发指令；实例化sip.Request类对象rvsip_request，用于组成上发服务器的相应SIP协议请求报文，模拟设备还通过开启心跳包，定时向SIP服务器发送从心跳报文，保持模拟设备与SIP服务器之间的UDP链路通信会话的有效性，模拟设备在接收到服务器下发GPS设备指令时，将调用Qcser2dev()函数，将SIP协议报文解析为设备可识别的私有协议报文，并下发。

4.如权利要求1或2所述的车载GPS设备协议转换软网关，其特征在于：所述协议转换软网关还包括TCP超时处理子单元，如出现TCP连接超时，接入设备未注册，数据报文非法或会话无响应，则软网关将触发connectionLost()事件，执行关闭TCP连接，删除模拟设备，清空缓存操作。

5.如权利要求2所述的车载GPS设备协议转换软网关，其特征在于：所述私有协议数据报文预处理函数QCpredev2ser()，私有协议数据报文转换XML格式SIP协议数据报文函数QCdev2ser()，SIP协议报文转换成私有协议报文函数Qcser2dev()均为C语言扩展模块protoTrans中的子函数。