（检测技术与自动化装置专业论文）基于多设备间的数据交互服务系统的设计.pdf

北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 基于多设备间的数据交互服务系统的设计 摘要 经济全球化和社会信息化的趋势日益明显，信息技术日新月异。信 息技术正在加快向网络化、数字化、智能化方向的发展的今天，英特网、 微电子、软件、移动通信以及数字视频技术领域和相关产业的发展，将 成为新世纪最有潜力的发展领域。 本课题来源于对当前社会存在着的三大信息孤岛：互联网世界、广 播世界和移动世界的融合。本文中的关键技术创新点是使用了种新型 的基于网络的数据交互方式，它区别于传统的t c p i p 等传输层和网络层 协议，而采用基于信息设备资源共享协同服务的思想来进行数据交互， 实现了内部繁杂的交互机制的管道封装，采用了新型的基于管道的数据 信息交互，对应用提供了便利。该思想可以实现信息技术设备智能互联、 资源共享、协同服务，并且采用开放性的体系结构，支持多种应用框架 和特色应用。 本文主要研究了基于多设备的数据交互服务系统，主要内容包括以 下几个方面： 第一，根据3 c 融合的概念，借鉴i g r s 体系结构提出了一个基于多 设备间的数据交互服务系统的设计方案，使该协议栈能够很好的满足嵌 入式操作系统设备的资源要求。 第二，根据设计好的协议栈，设计了基于协议栈上层的数据交互服 务系统。该系统主要包括服务端和客户端两部分，服务端主要包括数据访 问管理服务和数据传输管理服务的实现 第三，针对数据交互服务系统的功能，设计实现了客户端引擎，能够 植入嵌入式设备，使其能够访问其它设备上提供的数据交互服务。 第四，在搭建完成的实验系统平台上，进行了实验。实验结果符合 要求，并在文章最后对系统未实现的功能进行了扩展。 关键词：协议栈服务端客户端引擎请求响应 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 t h ed a i ：ae x c h a n g es y s t e mo fd e s i g na c c o r d i n g t ot h em a n y e q u n i e n t s e s i ti so b “0 1 1 s l y 仕l a tt h cd 哪l o p 啦s 喇。伽鲫i cd i m 锄i o 璐o fg l o b a l 妣n 锄d f b es c i e n c e 觚d 僦h l o 科o fi n f o 肋a 舡c h a 】n g eq u i c k l y t b h d a y t h e 渤啪a n d t e c h n o l o g yo fi n f b 彻撕i s 如v e l o p i n gf o rt h ed i c t i o ft h en e 咐。咄d i g i t a l 硪l l e c l i v e ，1 h ed w e l 叩恤e to ft e 曲删) 1 0 9 ) ，a n dc o 砌a t h 培d o m a i no fi l c j m m i c r o - e l e c 仃o i l i c s ，s o f t 、 憎赋m o b i l ec o 姗瑚i c a t i o n 觚dd i g e t a lv e d i o ，埘1 i c h 砌b e b e c o m i n gt h ed o m a i no f t h et a k i n go nt h ed e v e l 叩i 玎gp o 删a 1 t b et h 髓i st a s kc 锄髂t b es ，田口e i i z m g o f t h et h r e ci n f 0 幔n a 矗n o d e ，i m l 啦 位i n t c m e t m eb r 0 峨a n dm cm o b i l e mt h i st e ) 【ti t 嘲a 删k 砌o f 纰 似c 1 1 a n g ea c c o r d i n gt o m en e t 、r l 【p 1 1 o c o iw h i c hd i s 枷1 1 a t 鹪b e 咖t h e 仃a 删伽i a l p 咖d c o l so fm e 仃a | 1 s p o r tl a ) ，盱锄dm en e t w 0 i l 【蛔口融鹪t c p 仰e t c n 却t s h t e l l i g e n tg r o u p i n g 锄dr e l h s h a r i n gt oc a r 巧加a 【c h a n g c ，c o m p l e t i n gt o e i 峨l p 鲫l a l i o nl h es t a c kb yp i p e ，p r o 、，i d i n g 血ec 0 埘枷e n c yf b rt h ea p f d y i n g t h es t a n d a r d i sap r o t o c o ls t 卸d a r do ft h ea p p l i 翻o nl a y e f e s t a b i i s h c df b rc m n t ，c t i n g 也ei n f o m 撕0 n t e c l l i l i q i l ee q l l i p m e i l 协i n _ t c l l c c 蚯v e l yw i 也e a c ho m r e u f c e s - s h a 血l 舀觚dc o o p 枷n g 砸t ho 也盯s e i c 懿n 钺l d p 据1 l l eo p e ns y s t 锄蚰m c m 坞，趾ds u p p o n sv a r i o 惦删c d 丘锄e s 缸l d 删a la p p l i 删0 l l 1 1 1 em a i nc o n t c n to ft h i st h 髓i si s 血c 咖粼h a i 炉y s t e m 粼o f d i n gt h e 删坷 e q l l i p m e m 龉，i i l c l u d i n gt h ef o n o 、】l ，i n gs e 、嘲锄s p l e c t s ： f 妇，b a s i sm ec o n 唧tt h e 也r cs ) 口e c i z i n g ，t h et e ，c tb r i i l gf o l w o f dt h ed e s i g n i n g s c h e m eo ft h ed a 协e x c h a l l 薛s y g t c ma c c o r d i i 玛t h e 咖ye q u i p i 】n 协，m a k i n gt h e p r o t o c o ls t a c k 删d s 移谢t h 也ed 锄锄d i n go f t h ee m b e d d c dd “i c e s e c 伽吐b 勰i s 血c f i f s t ，m e t e 】( td e s i g n sm c d a 土a e x c h l g cs y s t e m 伽也cs t a c l 【，t b e - 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 s y s t e mc o l l s i s ti nt h es e r v e r 柚dc l i 既i lt h es 州唧l 鼬鹧t w os 盯v i c e s i n c l u d i n gt h e d a 协a c c 髑sm a m g e m e ms e r v i c ea n dt l l ed 搬t r 跚s p o r m a m g e m e i i ts e r v i c e t h i r d ，a i m 砒t h es y s t c ms e r v 盯白删0 n ，t h ct e 魁c o m p l e t e st i 圮c l i e me 1 1 9 i n e ，讲b i c h c 翘b er 印1 觚tt ot h ee m l e d d e dd e v i c e t h c 锄b e d d e dd e v i c ec 趾a c c e 豁伍es e n ，i c e p r o v i d e d b y l h e o n 财d e v i f o u “h b a s c do nt h e 痂【l i s h 。dd e m m i s h 嘶o n ，p u t t i n gi l pt h ce x p 渤既晦t b c e 】币e r i m e n t a _ lr e s l l l tf m f i l s 地q l i i r e m e n 招，锄dh a sa 【p a n d e da i l d1 0 0 k e df o m ，a r dt 0t 0l h e 如枷o nu n c o m p l e t e do f t h e 昭s t 锄 髓yw o r d s ：p r 锄) c o ls t a 盘s e r v 盱c h e n te n g m c q u e s t 北s p s e m - 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材科。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垄盘 日期：盈司篓兰目! 竺旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：奎丝 日期：2 翌2 肇圣目l 蛆 导师签名：美查垒竭 日期： 丝三2 毒竺目z 堡 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 1 1 引言 第一章绪论 经济全球化和社会信息化的趋势日益明显，信息技术日新月异，信息产业蓬 勃发展，这些无疑影响着人们的生产和生活方式，并已成为现代经济发展的重要 推动力和增长国家综合实力与提高企业竞争力关键所在。在信息技术正在加快向 网络化、数字化、智能化方向的发展的今天，尤其是英特网、微电子、软件、移 动通信以及数字视频技术领域和相关产业的发展，将成为新世纪最有潜力的发展 领域。无论是在家庭网络环境，还是企业网络环境，都应该能够实现个人信息终 端的自由互联、资源共享和协同服务，使用户真正可以做到随时、随地、随意的 获取信息。为此，无论是家用电器、i t 设备还是移动通讯设备，彼此之间应该 实现无缝交互，就好像用统一的语言对话，进行顺畅快捷的信息交流。随着各种 信息设备功能越来越强大以及网络技术特别是无线网络技术的飞跃发展，设备间 如何更加方便，智能的互联以及更好的协同工作已经日益成为人们关注的焦点 当前社会存在着三大信息孤岛；电脑及其外部设备组成的互联网世界：电视、 音响和机顶盒所组成的广播世界；移动电话、p d a 、笔记本电脑所组成的移动世 界。对应三大孤岛的产业群体应该共同订制未来数字应用和设备融合的蓝图，而 蓝图的基石是制定一个统一的协议标准，基于统一标准之上的产品开发将能够支 持互联网世界、广播世界和移动世界统一为一个无缝连接、资源共享的网络，网 络中的不同设备可以相互兼容使用，协同服务，为用户带来全新的体验【l - 2 j 。 1 2 国内外发展现状 3 c 是指计算机( c c 粕p 嘶田、通讯( c o m m 啦i c a t i o n ) 和消费类电子产品 ( c o 邶啪盯e l e c 试c s ) ，3 c 融合便是利用数字信息技术激活其中任何一个环节， 通过某种协议使3 c 的三个方面实现信息资源的共享和互联互通，从而满足人们 在任何时间、任何地点通过信息关联应用来方便自己的生活。3 c 融合概念的提 出，在中国已经有超过5 年的时间。但是，客观地讲，3 c 融合至今尚未走出实 验室阶段，我们几乎所有关于3 c 融合的印象都来自于描绘而非亲身体验，这说 明一个问题：3 c 融合在中国乃至在全球仍然处于概念启蒙阶段，尚未走向实质 性启动阶段。很多情况下，我们所说的3 c 融合是“小3 c 融合”的概念，而真正 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 意义上的3 c 融合应该是一个“大3 c 融合”的概念，即未来社会所有家庭用电器 产品，都可以通过一个类似神经中枢的产品实现指令发送与信息共享。而诸如用 电视上网或者在电脑和投影仪之间实现无线互联，仅仅是3 c 融合的小部分。 鉴于3 c 融合是一个大系统工程，从细节部分入手寻求局部突破是有必要的， 但是，对3 c 融合的科普工作仍然要坚持正确的方向，可以肯定的是3 c 融合是 未来的一种发展趋势，是一个系统工程，我们今天所能见到和体验到的3 c 融合， 都属于原始、朴素、狭义的3 c 融合。 因此可以预见，用户对数字化的家用电器和数码设备及其应用的需求将会逐 年增加，同时对使用这些设备所能够带来的体验也有更高的要求。同样，电脑后 面庞大的互联网资源和电视后面丰富的节目资源也能够共享。越来越多的迹象表 明，在融合的趋势下，一个全新的消费电子业形态开始呈现在人们面前。技术的 与时俱进将成为推动产业升级的动力。就像技术与时俱进一样，在一个处于转型 时期的消费电子产业正在被不断创新的技术赋予新的内涵。3 c 融合的信息家 电，正逐渐从概念变为现实，数字电视、机顶盒、数字音频、视频播放机和掌上 游戏机等新兴消费电子产品发展异常迅速。中国在手机、彩电等众多消费电子领 域已占全球产业的主导地位，越来越多的海外投资者也看好中国这个不断释放潜 力的市场，酝酿在消费电子领域的新一轮投资和拓展。3 c 融合将要带来精彩的 c 时代生活体验! 【3 】 目前从事3 c 融合标准化的组织主要有五个，国内有枷r j s ( i n t d l i g e n t g l l p i n g 趾dr c s o u 瑚s h a r i n g ) 和蛔p h o l e ( 家庭网络标准产业化联盟) ，国外的有u l ，n p ( 通 用即插即用论坛) ，d 【，n a ( d i 咖l l iv i n g n 醐柏f k al l i a n c c ，数字生活网络联盟) u p l l p ，d l n a ，i t o p h o m e 和u o p f 涉及的数字家庭标准不尽相同。 u p i l p 是实现数字设备之间的发现、配置和控制的标准。d l n a 是构建在 u p l l p 之上的一个实现家庭音像娱乐的标准。 1 ) 家庭网络标准产业化联盟( b p h 伽e ) 2 0 0 4 年7 月2 6 日由海尔集团、清华同方、中国网通、上海广电集团、春兰 集团、长城集团、上海贝岭等七家公司发起成立“家庭网络标准产业联盟”，联 盟名称为“e 家佳p h o m e ) ”联盟的宗旨是利用中国的市场优势和制造优势，发 展并完善具有自主知识产权的家庭网络系统技术体系，探索以行业内优势企业为 主体，在研究、开发的基础上制订家庭网络系统技术标准的模式，形成技术一标 准一市场互相推动的机制，促进中国家庭网络系统产业的繁荣和发展。联盟的目 标是加强市场需求的调研、分析，搭建家庭网络系统技术平台，完善并形成相关 技术标准；促进家庭网络系统的产业化，以标准化规范产业化，并以产业化推动 标准化；加强对国际标准的研究，形成具有中国特色的知识产权运作机制，争取 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 将中国的家庭网络标准纳入到国际相关标准体系中。到目前为止n o p h o m e 还没 有实质性的进展。州 2 ) 通用即插即用论坛( u p n p ) u p i l p 论坛是由m i c f i 和n e l 公司于1 9 9 9 年6 月发起组建的，目前的成 员己经发展到了7 l l 家独立公司。这些成员中很多是业界领先的公司，他们的业 务范围涉及了相互交叉的多个工业领域，包括消费电子、计算机、家庭自动化、 家庭保安、家用电器、打印、照相、计算机网络和移动通信等。u p i l p 论坛专注 于定义和出版u p n p 设备和服务的规范，这些规范使得家庭网络中和公司网络中 的各种设备可以更容易地互相连接，简化家庭网络的实现。u p n p 论坛的目标是 设备之间的无缝连接和简化家庭及公司网络的实现。论坛通过定义和出版一系列 的开放和基于k t 锄e t 通信标准的u p n p 设备控制协议d 棚 来实现这一目标。u p n p 论坛发布的文档主要包括关u 】) n p 体系结构的文档 以及体系结构中用到的各种规范、各种设备的d c p 标准、部分设备的m ”实 现范例。 3 ) 数字生活网络联盟l n 舢 ， 2 0 0 3 年6 月2 4 日由英特尔等1 7 家国际组织的数字家庭工作组h w g ， d i g i t a lh o m ew b 永g r 伽成立，2 0 0 4 年6 月2 2 日更名为数字生活网络联盟 d 队，d i g i t a ll m n gn c t o d 【灿l i 锄c e ) 。它是由业界领先的家电、计算机业和移 动设备企业组成的跨行业组织。其成员拥有共同的远景日标，即在家庭内外建立 。一个集中管理个人电脑、家电和移动电子设备的互操作性网络，创造一个能够共 享和发展全新数字媒体和内容服务的无缝环境。该联盟建立并维护着一个基于开 放式工业标准的互操作性平台，在制造商使用时可通过有线或无线网络共享媒体 内容。d l n a 的互操作框架需要构建6 个模块：数字家庭内部设备之间的透明连 接、设备发现配置和控制方面的统一框架、可互操作媒体格式和流协议、可互操 作媒体管理和控制框架、一致的服务质量机制、面向用户和设备的一致的鉴权和 授权机制，同时还需要解决数字版权管理内容保护以及可管理性问题。d l n a 发展迅速，迄今d l a 的成员已经有1 4 5 个，遍布全球。i m l 2 】 1 3 问题的提出 本文应用的思路将更多的关注于充分利用家庭和企业中的现有设备，打破目 前各种设备的“信息孤岛”，通过预置统一的标准协议实现设备的自动发现、自动 连接、资源共享和协同服务。 将互联网、广播网、移动网统一为一个相互兼容、资源共享、协同服务的网 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 络是一项重要课题。本文试图解决的问题是如何在有限范围的网络环境中，使得 该范围内的所有设备能够智能的相互发现，建立连接，开放和共享资源，进而通 过一系列预定义的或临时指定的规则对该范围内的各设备的资源进行组合，从而 最大限度的利用各个设备所拥有的功能，同时创造更多的单个设备所不具备的功 能。 1 4 本文的研究内容与难点 本文描述的多设备间的数据交互管理系统是基于分布独立的数据资源的共 享管理，试图解决的问题是在有限范围的网络环境中，使得该范围内的所有设备 能够智能的相互发现，建立连接，开放和共享资源，进而通过一系列预定义的或 临时指定的规则对该范围内的各设备的资源进行组合，从而最大限度的利用各个 设备所拥有的功能，同时创造更多的单个设备所不具备的功能。 本课题的难点就是将用户分散在不同环境平台上的数据可以通过手机实现 管理，将手机的作用进一步升华。提出了在新的统一标准协议下，实现3 c 的融 合。本文基于i g r s 协议的文件交互框架用于解决网络和本地的文件系统的目录 和文件的共享设置，共享的目录及其内容的发现、浏览、删除、修改名称和复制、 移动的需求，以及上述操作的安全认证。 本文的主要工作如下：在对多设备模型交互框架的设计基础上，实现了底层 协议栈的开发，并对资源共享协同服务数据交互服务框架和消息进行了定义。 本文主要分为以下六章介绍： 第一章绪论： 本章主要讲述了课题的研究背景，发展状况，以及本课题提出，以及课题 的关键点。 第二章系统体系结构 本章主要讲述了本文描述的协议栈的体系层次结构，包括它的构成，设备交 互模型，相关应用以及与其它协议标准的相关性 第三章嵌入式协议栈的设计 本章主要对数据交互系统的框架进行了概述，包括每个模块的功能描述，对 协议栈的内部系统从六个部分进行了分析，包括各部分的功能和交互流程的说 明。 第四章协议栈上层的数据交互服务 本章主要讲述了在协议栈上层的数据交互服务的内部构成，以及服务中包含 的服务接口，传输协议和传输参数的定义，同时描述了服务调用的交互流程和交互 4 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 消息的定义格式以及关键消息的详细定义。 第五章程序设计设计与实现 本章主要讲述了数据访问服务的具体实现，主要是序列化模块，数据共享管 理模块的功能和内部设计，以及数据带外传输的详细介绍，还有上传下载数据文 件时服务端和客户端的交互信息的定义，最后讲述了整个系统的交互界面的应用 和交互试验结果。 第六章结束语 本章主要对3 c 融合技术进行了展望，总结了本文完成的工作以及未完成和 不足的地方。 1 5 小结 本章主要讲述了课题的研究背景，发展状况，以及本课题提出，以及课题的 关键点。 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 2 1 基础协议 第二章系统体系结构简介 信息设备资源共享协同服务的目标是在企业，公共场所，个人以及家庭所涉 及的设备互连时，通过遵循共同的资源描述以及功能服务接口标准，使设备能够 有效实现资源开放及服务协同，提高设备间功能的互操作性。 协议的层次结构如图： 基础应用与扩展应用 设备协同服务平台 设备发现与资源共享平台 设备交互消息框架 传输与网络协议 设备连接 图2 1 i g r s 层次结构 由图2 - l 可以看出，协议支持各种设备通过有线局域网，无限局域网，蓝牙 等网络连接，传输与网络协议基于t c p 礤协议，设备交互消息框架基于 h r r p ，1 1 ，设备发现与资源共享基于信息设备资源共享协同服务协议标准的应用 框架。 设备连接，传输与网络协议以及设备交互消息框架采用现有的并广泛应用的 网络技术，基础协议，应用框架，及基础及扩展应用构成了该协议标准的主要内 容。其中基础协议定义了设备间的组网和客户与服务间的交互机制，在基础协议 的基础上，应用框架为各种应用抽象并定义出相应的标准服务和交互逻辑，而各 种应用可以给予对应的应用框架进行标准化实现，保证互操作。 基础协议定义了该基础协议的网络中各种网络环境下各种设备的相互发现 与识别，各消息转发，各个设备上的服务和数据的发布与使用机制及相应的安全 规范。 设备发现协议定义了在各种传输层协议上统一的设备描述和发布机制以及 相关的设备状态变化监测与通知机制，通过设备发现协议一个设备进入一个新的 网络环境后可以迅速的发现与识别网络中存在的其他设备，相应的，当网络中的 6 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 一个设备离开网络时，网络中的其他设备也可以迅速的发现该设备的离开。另外， 针对无线网络的高移动特性，设备发现协议还定义了相应的设备在线离线检测 机制。在设备发现协议中，每个设备有一个固定的，全球唯一的设备m 所标识， 每个设备具有一份反映该设备属性的设备描述文档，设备描述文档中描述该设备 的设备名称，设备m ，设备生产厂商等相关信息及设备的安全属性要求等。 与设备发现协议紧密相关的设备消息路由协议定义了处于不同的网络环境 中的设备间的连接管理机制及相关的消息转发机制。通过设备消息路由协议和设 备发现协议的配合，每个设备中均包含了一份网络上其他设备的标识与该设备的 实际传输层地址的映射表。通过该映射表，各个设备即可以根据连接管理机制建 立，维护，拆除相互间的连接。 设备配置管理协议定义了分布式的设备配置管理机制，包括设备属性的远程 读取，修改，删除等机制。 服务发现协议定义了如何发布设备上所拥有的服务信息，包括服务类型，服 务标识，服务描述规范的定义。服务发现协议支持两种方式的服务发布与查找： 完全对等方式和主从结构方式。相应的，服务发现协议定义了一类用于支持主从 结构方式服务发现的专用设备类型即资源管理设备，资源管理设备负责收集网络 上其他设备的共享资源信息，包括服务和数据信息。完全对等方式适用于规模较 小或临时组织的网络环境，主从结构方式则是用于相对固定或较大规模的网络环 境。服务发现协议中的服务描述规范支持多种业界成熟的服务描述规范，如 四f o e u m 定义的s e r v i c e1 钿叩l a l e ，如w 3 c 定义的w a d l 等。 数据获取分发协议则定义了数据的发布，检索，或区域分发机制，通过统一 的数据发布机制和高效的数据检索机制，网络中各设备上的数据资源构成了统一 的数据视图，在此基础上，通过高效的获取和分发技知识的设备间的数据共享变 得更加容易和迅捷 安全规范则定义了上述各个协议中的安全交互机制，包括基于服务的访问控 制机制和相应的身份认证，授权等机制。l b 。1 4 l 2 2 设备交互模型 设备交互模型描述了在该协议标准下的网络中，一个设备从加入网络，发现 其他网络设备，加入某个设备组，发现设备内其他设备上的服务并进行服务调用， 到最后推出网络的全部过程，如图2 - 2 所示。 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 三妻 霉 l _ ! 竽蔓一 设鲁组“建与加 l j i i i 务t 钱事件订阅 服务发m 0 l | 设备m 务t 战摹件通目 台话刨建 善 设i 服务上t 缱j 件r l 务使月 善 台话结柬 管道m 开 l 设鲁m m 出与解数 设鲁_ f 绒 2 2 1 设备上线 图2 - 2 设备交互模型 当一个设备开始工作后，就会以一定的时间间隔向所连接的各个网络中按指 定的组播地址发送设备在线的宣告消息，这就意味着此设备上线了。 2 2 2 设备发现 设备上线之后，他会在制定的组播地址上监听设备在线宣告及设备组在线宣 告消息，从而发现网络上存在的设备组。 2 2 3 设备管道创建 设备间除了基于u 】) p 的组播查找和单播响应这一交互过程无需事先建立设 备间的连接关系外，其余的各种设备间交互局建立在设备管道基础上，如：服务 调用。 设备管道分两种： ( 1 ) 安全设备管道：两个设备问有共同支持的安全机制，并基于该机制进行 了相应的认证交互而建立的设备间管道称为安全设备管道； ( 2 ) 非安全设备管道：两个设备间无共同支持的安全机制，没有经过相应的 认证交互建立的设备间管道称为非安全设备管道。 北京邮电大学硕士研究生论文2 7 设备管道机制包括设备管道创建和设备管道维持。其中，设备通过解析感兴 趣的设备的在线宣告消息来获取合适的安全机制及相关参数，并根据获取得结果 与目标设备创建相应的设备管道，它们通过安全设备管道创建过程来形成相互信 任关系；当两个设备间创建设备管道后，它们可通过设备在线状态检测请求与响 应消息交互来检测对方的在线状况，同时，设备可以设置允许接入的设备列表及 最大的管道并发数目来控制其它设备的管道创建请求，任意两个设备在同一时刻 只存在一条设备管道。这个机制封装并简化了该协议应用交互过程中t c p 连接 的创建和管理过程。 安全设备管道创建过程如图2 - 3 所示： 图2 - 3 安全设备管道的建立 安全设备管道创建初始化阶段： 设备l 通过该阶段完成与设备2 的管道交互安全机制协商过程。 管道创建初始化阶段中设备交互逻辑如下，其中设备1 表示发起管道创建请 求的设备，设备2 表示管道创建请求中的目标设备。 安全设备管道创建初始化阶段概括为下面3 个步骤： 步骤l ：设备l 向设备2 可用设备连接地址发起t c p 连接创建请求，如果 成功，则进入步骤2 ，否则管道创建失败。 步骤2 ：设备l 首先将设备2 的宣告信息中所支持的安全机制及相应密码 算法列表与自己支持的安全机制及相应密码算法列表进行交集运算，若交集非 9 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 空，则进一步根据双方的安全属性选择一种”最合适“的安全机制及相应密码算 法，然后通过管道创建请求发送给设备2 。 步骤3 ：设备2 接收到设备l 的管道创建请求后，判断设备1 所选择的安全 机制及相应密码算法是否满足自己目前安全需求及状态，若满足，则向设备l 发送包括安全机制及相应密码算法的确认响应。若不满足，进入第三阶段，向设 备1 发送管道创建失败的确认。 2 2 4 设备创建与加入 设备上线后缺省处于一个全局对等设备组中，它可以通过设备配置来创建或 加入对等设备组，同一个对等设备组的各设备间的交互规则应通过协议标准外的 安全通过协商确定，设备组中的各个设备轮流发送对等设备组宣告消息；当它发 现网络中存在主从设备组时，可以向其中的主设备发起加入设备组请求，主设备 通过配置允许加入的设备列表和设备组内最多设备数目来控制其它设备的加入。 用户也可以创建主从设备组，制定某个设备为它的主设备，主设备负责以一定的 时间间隔在网络上发送主从设备组宣告消息。 设备组的创建和，或加入不是必需的，一个设备可以同时创建和憾加入多个 特定对等设备组和主从设备组。 2 2 5 服务发现 客户通过监听网络上的服务在线宣告消息来发现其感兴趣的服务。 该协议还提供其它的服务发现机制： 服务查找机制：客户可以按指定的组播地址向特定网络中所有设备发送服务 查找请求消息，这个消息中包含待查找的服务类型、名称、其它属性等，收到服 务查找请求消息且拥有符合查找条件的服务的设备会向发起服务查找的客户返 回服务查找响应：客户还可以通过设备问管道向指定的设备发送服务查找请求。 服务上下线的事件订阅机制：客户可以通过设备管道向指定的i g i 塔设备发 送服务上下线的事件订阅请求，在请求中描述订阅条件，当收到请求的设备上出 现符合订阅请求条件的服务时，它将通过事件通知机制发消息给发起订阅请求的 客户。 客户还可以向目标设备发送获取设备详细描述信息请求消息来获取一个设 备详细描述信息，这个详细描述信息中包含设备上的服务列表，它记录设备上每 个服务的名称、类型及指向服务描述文档的u i 也。 1 0 北京邮电大学硕士研究生论文2 7 2 2 6 会话创建 客户使用服务发现机制可以发现目标设备上的服务，它在设备管道基础上， 通过会话机制建立后续服务访问的支撑环境。同一时刻客户与服务之间只存在一 个会话，当会话建立成功后，客户可以进行服务调用、数据查询和数据获取等操 作。 会话创建过程如下： 客户根据目标服务描述中相应的访问控制描述、认证机制及认证、加密算法 等生成t 0 k e n ( t o k e n 是一种表示某种特定信任属性的证书，本协议定义t o k 蛆 主要用于会话创建过程中的身份鉴别) ，并向目标服务所在设备发出与该服务建 立会话的请求； 服务提供端设备接收到客户的会话创建请求后，根据请求消息中的用户标识 符、用户认证算法，对请求消息中的t 0 k 粗进行有效性验证，若验证有效，则向 客户返回会话创建成功响应，否则，返回一个会话创建失败响应。 2 2 7 服务使用 客户与服务之间的回话创建成功后，可以进行服务调用、数据查询和数据获 取等操作，这些操作根据服务在服务描述文档中的接口描述，通过协议规定的服 务调用机制实现对服务的使用。目前，服务支持的标准接口包括：服务数据查询 接口、服务数据变化事件订阅接口和服务数据通知接口等。 2 2 8 会话结束 当客户结束对服务调用后，它可以重新开始一个新的服务调用或进行其它的 操作，如：服务发现，设备发现等，也可以根据需要拆除正被使用的会话一个 会话被拆除后，如果客户要进行服务调用操作，就必须创建一个新的会话 2 2 9 设备月& 务上下线的事件订阅 两个设备建立设备管道后，任何一个设备上的客户均可向对方发起事件订阅 请求来订阅感兴趣的设备服务上下线事件，收到订阅请求的设备决定是否接受 订阅，并通过事件订阅响应消息将结果返回给发起请求的设备。 每个事件订阅都有一个有效时间，客户可以在这个时间内收到对方发来的事 件通知消息，客户期望的订阅有效时间可能与实际的有效时间不同，这由接受事 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 件订阅的设备决定，并在订阅响应消息中返回给发起订阅的客户，如果客户希望 延长订阅的有效时间，它可以在有效时间内发起续订请求消息。 2 2 1 0 设备服务上下线的事件通知 接受客户事件订阅请求的设备将根据请求消息中的订阅条件来检测设备服 务上下线事件，如果在事件订阅的有效期内有符合条件的设备服务事件发生时， 它通过设备管道向客户发送事件通知消息，并在此通知消息中描述事件的具体内 容，例如：设备上下线的事件订阅中，返回的通知将包含触发事件的设备的简单 描述信息，如，设备名。设备标识符、设备安全机制描述等。 2 2 1 l 设备管道断开 两个设备间的设备管道创建成功后，在下列情况下管道断开： ( 1 ) 一方设备离线：设备管道建立后，任何一端设备检测到另一端设备离 线后，立即使得两个设备间的管道断开； ( 2 ) 管道空闲超时：设备安全管道建立后，如果基于该管道没有会话存在， 且在一定的时间内两个设备间没有发生除设备在线状态检测消息外的设备交互， 则任何一端设备均可使得该管道断开； ( 3 ) 一方设备主动拆除管道：设备管道建立后，任何一端设备在离开网络 前、断电前或由于设备管理等方面的因素可发送管道拆除通知消息给管道的另一 端设备，收到该消息的设备立即使管道断开 当设备管道断开后，如有基于原本的安全设备管道发送的消息，应与发出消 息的设备进行新的安全设备管道创建过程。 2 2 1 2 设备组解散与退出 对于对等设备组，当组内的所有设备都推出后，该设备组解散。 对于主从设备组，组内的主设备可以主动解散该设备组，它会向网络中组播 设备组离线通知消息，当组内的从设备收到设备组离线通知消息时该设备组解 散：或者组内的从设备通过在线检测机制判断主设备已经离线，也意味着该主从 设备组解散。 在下列情况下设备组内的设备将主动退出设备组： ( 1 ) 设备离线：如果设备由于网络连接断开、设备断电或设备管理等方面 的因素不再定期向网络中发送设备在线宣告消息，则认为该设备离线，设备离线 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 意味着该设备已经从其加入的所有设备组中退出； ( 2 ) 主动退出：主从设备组内的从设备可通过设备管道向设备组中的主设 备发送退出设备组请求来主动退出设备组；对等设备组内的设备可通过更改其所 在设备组的信息主动退出设备组。 2 2 1 3 设备下线 如果设备发送设备离线宣告消息或者它在宣告的有效周期内没有再次发送 设备宣告消息，则认为该设备下线。 设备在线宣告是基于组播机制的，由于组播机制的不可靠特性，i g i 塔规范 引入设备在线状态检测机制用来可靠的检测设备是否在线。当两个设备之间建立 设备通道后，任何一端设备均可通过设备管道发送设备在线状态检测消息来检测 另一端设备是否在线，收到在线状态检测消息的设备向发起检测的设备返回设备 在线状态检测响应消息，如果发起检测的设备在一定时间内没有收到被检测设备 的响应，则认为被检测设备已经下线。 对于主从设备组内的设备，如果它收到了主设备发来的包含某个设备的下线 的事件通知消息，则认为该设备已下线 2 2 1 4 设备服务上下线的事件取消 当客户不再关心已订阅的设备服务上下线的事件时，如果仍然在事件订阅 有效期内，它需要向目标设备发送取消订阅请求来结束本次事件订阅；否则，目 标设备会主动取消订阅纪录。取消设备服务上下线的事件订阅后( 或者超过事件 订阅的有效期) ，客户将不再收到目标设备发来的事件通知消息。 2 3 应用 应用包括基础应用和扩展应用两种类型。设备按用途可分为多种设备类型， 基础应用是标准规定的与具体设备类型相关，具有设备功能的标准应用，某种类 型的设备上存在某些标准的应用。扩展应用是应用程序开发者基于基础协议和应 用框架开发的符合标准的应用，以更好的发挥设备功能。 一个应用由个或者多个服务和一个或者多个使用服务的客户交互完成。典 型情况下一个应用交互如图2 - 4 所示： 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 i g r s 设备 i o r s 设备 客户 服务 功功能调用 。冈。f 能 7 廿7 匡 调 用 数据订阅查 询，获取 il h i 羹 嚣 嚣 教据变化通知 协 协同调度 圈吨 葡 霎 s o p 服务会话管理 _ - i服务会话臂理i 设备组管理k s o a p - i 设备组管理 l 设备发现及管道管理k h t t p - l 设备发现及管道管理 i t c p ，u d p ii o r “r- 一 l t c p ，l p l 图2 - 4 应用交互模型 2 4 与其他协议之间的关系 ( 1 )互操作基础 该协议建立在多种现有协议基础上。它采用了m 1 p ，1 1 、s o a p 1 1 协议作 为设备间交互的消息框架，由于m 研1 - 1 、s 0 a p ，1 1 的广泛使用，该体系结构 支持与多种标准之间的互操作。 ( 2 )与u p i l p 的互操作 采用并扩展了s s d p 作为设备互相发现的基础，而s s d p 同时也是u p n p l o 协议中设备互相发现的基础，因此，通过扩展，设备可以支持与u p n p l o 设备之 间的互操作，互相发现，互相使用。 2 5 小结 本章主要讲述了本文描述的协议栈的体系层次结构。包括它的构成、设备交 互模型、相关应用以及与其它协议标准的相关性。 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 第三章微协议栈的设计 3 1 协议栈的系统分析 传输介质 图3 - l 微协议栈的系统概览图 图3 1 为协议栈的系统实现结构概览，微协议栈( m i c r o s t a c k ) 是对基础协 议的微型化实现，面向嵌入式设备，具备跨平台和可裁剪的特性本协议栈是 一套跨平台的网络应用层协议栈，作为一个独立的进程运行，可以是一个系统服 务，或者一个应用程序，应当能够编译并运行予以下操作系统：w i n d o 怖9 8 ， w 协d o w s2 0 0 i o ，w i n d o w s ) 口以及w i n d o w s2 0 0 3 ；w i n d o w sc e ；v x w b f k s ；l i m 本协议栈要求所在的平台必须具备t c p 皿协议栈，并提供s o c k e t 接口 m i c r o s i a c k ，用于支持嵌入式设备的应用开发。它的主要功能如下：实现基 础协议的一个必要的子集；提供一套a p i 接口，支持i g i 塔应用开发。协议栈的 功能结构如图3 - 2 所示： 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 m i c f o s t a c k 基本性能是单线程，多任务，能同时支持多个服务或客户； m i c r o s t a c k 独立占居一个线程，循环往复地进行网络读写；应用程序通过调用 a p i ，直接驱使m i c r o s t a c k 向网络输出消息，并通过回调函数，获取响应信息。 3 2 协议栈内部系统分析 协议栈的系统结构，可以从以下六个方面分析：协议栈内核；路由表；连接 和管道；响应查询和提供服务；查询和调用；监控网络。 3 2 1 协议栈内核 图3 - 3 协议栈内核 图3 3 为协议栈内核的的交互框图，协议栈内核的主要功能是进行网络读写， 并驱动其他模块。m i c f o s t 咄启动之后，它的核心是一个不断地读写网络的循环。 它一方面将来自各个模块的i g r s 消息通过t c p 或u d p 依次发送出去，一方面 将来自t c p 或u d p 的i g r s 消息派发给相应的消息处理器。此外，它利用l e c t 语句能够定时的特性。扩展出“定时器”，从而能够在指定的时间完成一定的操 作。【1 5 4 1 7 1 主体是以辩l e c t 语句为中心的循环，完成网络读写的功能伪代码如下： f ds e tr e a d s c t w r i t c s 瓯盯r o r s 鸭 w l l i l e ( b r 瑚n i n 曲 f d _ z e r 0 ( & r e a d s e i ) ；f d 皿r 0 ( & 谢t e s e o ；f dz 职o ( & 蝴s e o ； p r e v e l e c t 1 6 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 7 ，p ms o c k e ，r si n t o 蝴d s 武& 口m r s c t ； p m s o c l 锄b w 毗s 瓯i f 帕e 黜m e s s a g e s t o b e 湖t l c c t ( ) ； | lp 嗷辨媳 ，r e a d s o c k e t i f i t i s i n 坳d s e t ，w r i t cs o c k e t i f i t i s i n w r i t c s e t ，d c s 扭d ys o c k e t i f i t i s i n 铷眦s e t 由于l c c t 语句中有一个参数岫哦，因此具备了定时控制的能力在此基 础上，可以为上述循环添加“定时器”功能，在指定的时间点上执行指定的回调 函数，从而实现多任务调度伪代码如下： 矗i _ r e a d s e i w r i t e s 鸭e 册r s c t ； 谢1 i l e ( b r l 删l m z e r o ( & 硎s e o ；f dz 职0 ( & 砌c s e o ；f dz e r o ( 删e o ； | l p 鼎饕憾 ，p u ts o c k e