（计算机应用技术专业论文）信息家电安全的研究.pdf

摘要 随着嵌入式系统的应用越来越广泛，尤其是与i n t e m e t 的结合， 其作为信息和资源结点的功能越来越明显。以往，系统设计师们仅仅 把其安全性当作附加的特性设计到系统中，如加密算法、安全协议等。 现在，把它作为一个在设计过程中需要与成本、功能和性能综合考虑 的新的方面，显得越来越重要了。信息家电作为嵌入式系统的一个分 支，其不仅继承了嵌入式系统的一些通用特性，而且具有自己的特点， 由其组建的数字化家庭的安全性迫切需要一套安全机制来加以保证。 信息家电的标准还未制定，已经出现的各类标准缺乏兼容性，安 全作为其中的一个研究内容更是没有得到统一。本文的研究就是在这 种背景下进行的，力图使研究的标准与具体的产品分离，以达到更大 的兼容性，从研究信息家电体系结构的基础上，提出一个通用可行的 信息家电安全机制。 本文首先讨论了信息家电的特点和嵌入式安全，将面向对象的思 想引入信息家电体系结构的研究，以i a i d l 为基础，从信息家电的 工作流程出发讨论了信息家电体系结构，包括信息家电内部逻辑结 构、家庭网关逻辑结构和信息家电远程遥控器逻辑结构，并以s x 5 2 单片机为基础，利用外围硬件电路扩展和虚拟外围及网络协议软件虚 拟模块，分别采用b s 方式和c s 方式成功地搭建了模拟信息家电的 平台。然后从三个不同的层面讨论了信息家电安全，分别研究了信息 家电的身份认证、访问控制和审计跟踪。在比较分析各种身份认证机 制和访问控制模型的基础上，结合信息家电的特点，设计了带权限信 息的x 5 0 9 证书，给出了信息家电的身份认证流程，并以c o r b a 中 的安全机制和基于对象的控制模型为基础，提出了适用于信息家电的 身份认证机制和访问控制模型。最后给出了信息家电审计跟踪的主要 内容。 本文将面向对象的思想引入信息家电体系结构的研究，搭建了研 究信息家电的基础实验平台，提出了适用于信息家电的安全机制，对 信息家电的进一步研究具有重要意义。 关键宇：面向对象、信息家电体系结构、信息家电安全、嵌入式系统 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fi t sb e i n gm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a d , e s p e c i a l l yi n t e g r a t e dw i t hi n t e m e t , e m b e d d e ds y s t e m s f u n c t i o na s i n f o r m a t i o na n dr e s o u r c en o d e s ，w h i c hb e c o m e sm o r ea n dm o r eo b v i o u s s y s t e md e s i g n e r sr e g a r ds a f e t ya sa na d j u n c t i v ea t t r i b u t ei nt h ep a s t ，s u c h a se n c r y p t i o na l g o r i t h m s ，s a f ep r o t o c o l se t c n o w ，i ti si m p o r t a n tt o r e g a r ds a f e t ya san e wa s p e c tt h a ti sc o n s i d e r e dw i t hc o s t 。f u n c t i o na n d c a p a b i l i t yi nt h ep r o c e s so fd e s i g n a so n eb r a n c ho ft h ee m b e d d e d s y s t e m , i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e n o t o n l y i n h e r i t si t su n i v e r s a l c h a r a c t e r i s t i c s b u ta l s oh a si t so w nc h a r a c t e r i s t i c s n l es e c u r i t yo fd i g i i t a l h o m et h a tb e e nm a d eu po fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e sc r i e sf o ras a f e t y m e c h a n i s m r 1 1 1 es t a n d a r do fi n f o r m a t i o na p p l i a n c eh a sn o ts e td o w n a n da l l k i n d so fa r i s e ns t a n d a r d sa r el a c ko f c o m p a t i b i l i t y t h e ns e c u r i t y , w h i c hi s ac o n t e n to ft h er e s e a r c ho fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，h a sn o tb e e nu n i f i e d t h ep r e s e n tr e s e a r c ha i m st om a k et h es t a n d a r ds t u d y i n gp a r tf r o m c o n c r e t ep r o d u c t st or e a c hb i g g e rc o m p a t i b i l i t y , a n db r i n gf o r w a r da f e a s i b l eu n i v e r s a ls a f e t ym e c h a n i s mo fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e so nt h e b a s i so f r e s e a r c hi ns y s t e r ns 仇l c t u r eo f i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s t h i sa r t i c l ef i r s td i s c h s s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fi n f o r m a t i o n a p p l i a n c e sa n de m b e d d e ds e c u r i t y , i n t r o d u c e st h eo b j e c t - o r i e n t e dc o n c 印t i n t ot h ea r c h i t e c t u r er e s e a r c ho fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e s t a k e si a i d la sa f o u n d a t i o n d i s c u s s e st h ea r c h i t e c t u r er e s e a r c ho fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e s e m b a r k i n gf r o mt h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c e s w o r kf l o w s ，i n c l u d i n gt h e i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s i n t e r i o rl o g i c a la r c h i t e c t u r e ，t h eh o m eg a t e w a y s 1 0 西c a la r c h i t e c t u r ea n dt h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c e s r e m o t ec o n t r o l l e r s l o g i c a la r c h i t e c t u r e ，a n du s e s as x 5 2s i n g l e c h i pi n t e g r a t e dp e r i p h e r a l c i r c u i t , v i r t u a lp e r i p h e r a le q u i p m e n t sa n dt h ev i r t u a ln e t w o r kp r o t o c o l s o f t w a r em o d u l et ob u i l tas i m u l a n ti n f o r m a t i o na p p l i a n c e s p l a t f o r m s u c c e s s f u l i yb yw a y so fb 毽a n dc s t h e ni td i s c u s s e st h es e c u r i t yo f i n f o r m a t i o na p p l i a n c e sf r o mt h r e ed i f f e r e n tl e v e l s ，a n ds e p a r a t e l ys t u d i e s t h ei n f o r m a t i o na p p l i a n c e ss t a t u sa u t h e n t i c a t i o na n dt h ea c c e s sc o n t r o l a n dt h ea u d i tt r a i l b yc o m p a r i n ga l la u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s m sw i t h e a c ho t h e ra n da 1 1a c c e s sc o n t r o lm o d e la n di n t e g r a t i n gi n f o r m a t i o n a p p l i a n c e s c h a r a c t e r i s t i c s ，i td e s i g n st h ex 5 0 9c e r t i f i c a t e t h a th a s p e r m i s s i v ei n f o r m a t i o n ，d e s c r i b e st h ep r o c e s so fs t a t u sa u t h e n t i c a t i o no f i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e s ， a n da d v a n c e st h em e c h a n i s mo fs t a t u s a u t h e n t i c a t i o na n dt h em o d e lo fa c c e s sc o n t r 0 1f o ri n f o r m a t i o na p p l i a n c e s w h i c hi sb a s e do nc o r b as a f em e c h a n i s ma n dt h eo b j e c t - b a s e da c c e s s c o n t r o lm o d e l f i n a l l yi t g i y e sp r i m a r yc o n t e n t s o fi n f o r m a t i o n a p p l i a n c e s a u d i tt r a i l t t l i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h e o b j e c t - o r i e n t e d c o l i c e o ti n t ot h e a r c h i t e c t u r er e s e a r c ho fi n f o r m a t i o n a p p l i a n c e s b u i l d s t h eb a s a l e x p e r i m e n tp l a t f o r mf o rt h er e s e a r c ho fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e s 。a n d b r i n g sf o r w a r dt h es a f e t ym e c h a n i s ms u i t a b l ef o ri n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ， w h i c hi ss i g n i f i c a n tf o rf u r t h e rr e s e a r c ho f i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s k e yw o r d s ：o b j e c t o r i e n t e d , i n f o r m a t i o na p p l i a n c ea r c h i t e c t u r e ， i n f o r m a t i o na p p l i a n c es e c u r i t y , e m b e d d e ds y s t e m i l i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：强焚才加帮年t 月必日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密嘭 、 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名： 导师签名： 日期：0 7 年o j - 月歹p 日 日期：口7 年q i 月岁，日 信息家电安全的研究 1 1 1 信息家电概述 第一章绪论 1 1 信息家电 信息家电i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ( i a ) 是全新的技术经济体系，它代 表着新一代家庭生活信息化的未来，是传统家用电器的一场技术革 命，并最终给人们的生活带来革命化的变革，它将成为2 1 世纪i t 产 业发展的主导。在信息技术正加快向网络化、数字化、智能化方向的 发展的今天，尤其是因特网、微电子、移动通信以及数字视频技术领 域的发展，信息家电将成为新世纪最有潜力的发展领域。 对于信息家电，目前还没有一个准确的定义。1 9 9 8 年，美国人 d o n a l da n o r m a n 在他的t h ei n v i s i b l ec o m p u t e r ) ) 一书中，对信息 家电作了如下定义【l 】：“能处理某些特殊的信息( 知识、文献、图形、 图片、电视、声音等) ，是为执行例如音乐、照片或文字等特殊行为 而设计的设备。信息家电最显著的特征是能够在它们之间共享信息。” 后来，美国国家半导体公司把信息家电定位为“一种廉价、易用、 以互动方式与互联网连接的小型专用设备”【2 l 。该定义更为明确地提 出了信息家电的网络交互功能。信息家电通过将嵌入式操作系统嵌入 到各种家用电器中，包括电视、电脑、热水器、空调、冰箱、洗衣机 甚至微波炉等，使得这些单个电器可以通过网络平台有机地控制起 来。 信息家电也叫i n t e m e t a p p l i a n c e ( i a ) ，即i n t e m e t 设备，将来一切 和i n t e r n e t 联接的设备都可叫信息家电【3 】。从某种意义上说，未来凡 是能通过与i n t e r n e t 连接提供服务的家电设备都可以叫信息家电。其 实质就是将p c 中的一些常用功能剥离出来，与数字技术、网络技术 紧密结合，以精巧简单的形式融入到传统的家电设备当中，使其成为 具有视听、信息处理、双向网络通讯等功能的新型家庭信息终端，从 硕士学位论文 而建立家庭网络环境嗍。因此，信息家电与传统家电产业、计算机产 业和通讯业的发展无疑是相互影响、相互促进的。 1 1 2 信息家电的特点 信息家电作为3 c 的产物，对传统家电外形的改变并没有什么要 求，但是其所拥有的诸如上网、提供各种专门服务的功能完全不亚于 一台p c 机，因此，可以说它是“看不见的电脑”嘲。通过对技术的 隐藏，使得用户能够从p c 机的复杂中解脱出来，将易于使用的特性 展露在用户面前。相对于传统的家电而言，信息家电具有如下四个主 要特点： a ) 数字化 信息家电包含有微处理器，处理的是数字化信息。信息家电最重 要的目的就是要克服复杂性，做到以人为中心，而不是以技术为中心。 由于信息家电采用了嵌入式技术，从而降低了应用界面的技术要求， 增强了技术对用户的透明度，让用户在使用时避免了与操作系统的直 接接触，只要通过日常积累起来的经验就能够很方便的操作这些设 备，减少了人机之间的技术障碍，突显了应用功能。同时由于功能的 集中，可以使得使用界面保持稳定的模式，给用户的操作也带来很大 的方便。 b ) 智能化 嵌入式技术的使用让信息家电具有智能化。信息家电通过嵌入微 处理器，使得用户能够通过网络获取直接的、简单的和安全的信息和 服务。智能的信息家电可根据周围环境的不同迅速做出反应，自动化 和智能化的进行自我维护，而不需要人为地干预。能够通过c p u 或 d s p 执行复杂的指令或程序，并可由用户编辑或重组功能模块，以便 更适应个性化的要求。 c 1 网络化 信息家电不是独立存在的，通常被称为是合作的设备 ( c o o p e r a t i n gd e v i c e s ) 【6 】。它不仅要能够通过网络提供服务，彼此之 信息家电安全的研究 间还要能够进行协同交互完成一定的任务。要做到这些，信息家电就 必须具有网络接入能力，可以通过家庭网络与p c 或其它家电进行交 互，可以通过家庭网关连入i n t e r n e t 接收远程控制指令，并可以根据 需要主动向网络获取信息或在授权的情况下主动向网络发布本身可 以提供的服务。 m 专用化 是指信息家电只完成某种或某几种特定的功能。信息家电实际上 是面向任务( o r i e n t e d t a s k ) 的设备 7 1 ，它将一些特定的功能从大而全 的计算机中剥离出来，集合到某一特定的产品中去，从而提高产品的 专用性，使有限的资源发挥最大的效用，从而降低了成本，尽管限定 了它的适用范围。由于复杂的控制程序由内嵌在家电中的控制器执 行，不必等待重新启动设备或是加载软件后才能使用设备，可即插即 用。 当然，除了这四大特点外，信息家电作为嵌入式设各还具有实时 的特点，作为网络互连设备还具有标准化的特点，因为网络连接协议 众多，使用不同协议的信息家电之间不能互连，这就需要参考已有的 通信协议来制定数据交换标准。 1 1 3 信息家电的现状 世界各大家电企业与i t 企业纷纷采取联合的方式形成开发联合 体，并制定相关行业技术标准【8 】。由于受各自利益的驱使，各自为阵， 企图用自己开发出来的标准一统江湖，形成了“百花齐放、百家争鸣” 的局面，尤其表现在分别以家电、p c 、网络设备和自动化控制类厂 商为主的标准化组织上： 以网络设备商为主的标准化组织 此类组织主要是定义家庭网络与外部互联网的接口、提供认证和 服务规范。 1 、o s o ( o p e ns e r v i c e sg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 由i b m 、h p 、p h i l i p s 、s u n 等公司共同发起，为连接i n t e r a c t 商 硕士学位论文 业服务和下一代智能电器定义的一种开放标准。o s g i 体系由服务网 关、服务提供商、服务集成商、网关操作员、广域网和局域网络以及 连接设备组成，具有平台独立、应用独立、高安全、多任务、兼容不 同通信标准( b l u e t o o t h ，i e e e l 3 9 4 ) 和支持多种设备连接技术( 如 u p n p ，j i n i ) 的优点。 2 、i h a ( i n t e m e th o m ea l l i a n c e ) 于2 0 0 0 年成立，是成立较早的家庭网络组织，主要成员包括思 科、g m 、惠普、m m 、松下，s u n 、惠而普及微软等公司，全部成 员有3 0 多家，包括了一些通讯设备、自动化软件开发商及厨具传4 造 商和零售商等。该联盟主要解决白色家电在家庭网络中的互连、互联 网接入及相关服务，比如在出现故障时能够与厂商自动接通以确定故 障部位。 夺以i t 厂商为主的标准化组织 此类标准化组织的基本思路是以p c 为家庭网络业务核心，制定 家庭内部电子设备间的互操作规范，其目标是实现基于p c 系统软、 硬件结构的功能和业务在家庭范围内的扩展。 1 ) d l n a ( d i g i t a ll i v i n gn e t w o r k a l l i a n c e ) 原名d h w g ( 数字家 庭工作组) ，成立于2 0 0 3 年6 月。它是一个主要由消费电子、计算机 工业和移动设备公司组成的跨工业的组织。该工作组旨在建立一个基 于开放的工业标准的互操作性平台，并将确立技术设计规则，供企业 用来开发数字家庭有关的产品，使得消费者可以通过家中的有线或无 线网络共享各种设备的数字内容。 2 ) u 】p n p 唧( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 是m i c r o s o f t 开发的一种基于 口网络的即插即用技术，为家庭中可能出现的动态环境提供了如何发 现服务、如何实现服务的应用程序编程接d ( a p i ) 。它通过简单的服 务发现协议和轻量级的目录。 3 ) u o p f ( u b i q u i t o u so p e np l a t f o r mf o r u m ) 日本“泛在开放平 台论坛( u o p f ) ”是一家由日本国内电子与互联网服务供应商共同于 2 0 0 4 年2 月成立的业界团体。2 0 0 5 年4 月1 日成员已达5 3 家。该团 体的目的是实现数字家电互联的统一技术标准与指南。 4 信息家电安全的研究 4 ) j i n i t l o 】是由s u n 公司推出的基于j a v a 的、具备即插即用 ( h u g - a n d p l a y ) 功能的分布式计算环境，目标是将一组设备和软件联 合起来形成一个单一的、动态的分布式系统，使网络上的成员能够方 便地共享彼此的信息资源。联合后的联邦系统向用户提供如下能力： ( a ) 简单的网络访问；( b ) 网络的易于管理和维护；( c ) 在保持单机或工 作站的灵活性、统一响应和控制的情况下，支持由联邦系统提供的共 享能力。 5 ) 家庭a p i 技术【1 1 1 ( h o m ea p 0 由m i c r o s o f t 、i n t e l 、p h i l i p s 等公 司发起的h o m ea p i 工作组为加速家庭网络应用软件的开发，正在研 发一套适宜于家庭网络的通用a p i 的工业规范以及相应的 s d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tr i 0 。h o m ea p i 与其他方案的不同之处是 它定义了独立于协议的a p i 和通用的编程模型，可以在很大程序上补 充其他方案。 以家电厂商为主的标准化组织 家电厂商成立的标准化组织主要是实现家电设备的控制和远程 数据传输。 e c h o n e t 1 2 】( e n e r g yc o n s e r v a t i o na n dh o m e c a r en e t w o r k ) 协会 于1 9 9 7 年1 2 月成立，由日立联合日本国内1 5 2 家企业组建而成，。期 间得到了日本政府的支持。该组织的主要目标是制定家庭网络标准体 系，并应用至家庭能源管理、居家医疗保健等服务上，最新的标准是 e c h o n e tv e t 3 0 。为了提高兼容性，s a n y o 、s h a r p 、t o s h i b a 和 m i t s u b i s h ie l e c t r i c 四公司于2 0 0 3 年1 2 月建立一个计划，拟联合开发 遵循v e t 3 0 技术规格的网络家电核心技术一r e a d y ，确保不同品牌 间的网络家电互联。 以自动化控制类厂商为主的标准化组织 自动化控制类厂商是利用已有的工业总线和传感器、变送器等技 术，从家庭电器控制、三表、安防等应用领域出发，提出了针对性设 计，并逐渐衍生出了一些新的总线技术。其中，最具代表性的是 l o n m a r k 协会，它基于美国e c h o l e n 公司的l o n w o k s 技术。在1 9 9 4 年，由e c h e l o n 和l o n w o r k s 用户集团成立了l o n m a r k 协会对互操作 硕士学位论文 进行认证检测。l o n w o r k s 技术的核心标准一，0 1 1 喇k 协议已被 e i c e m a 、a n s i 和i e e e 等批准组织确定为正式标准。目前，e c h e l o n 公司已经将该技术和产品发展到了第三代，l o n w o r k s 技术已经应用 于世界范围内数千家设备和系统制造商的产品中，并在中国市场得到 了一些应用。 表1 - 1 具有代表性的标准化组织技术方案对比 标准名称d u 峨 o g s ie c h o n e tl o n w o r k s 行业代表 i t 网络设备消费类电子工业自动化 应用 u p i l ph r r p定义l o n t a l k 协 自定义的接口 自定义a p i议a p i 及相关开 层 和服务规范 s s d ps o a p 发工具 协传输 层网1 c p 僵 自定义的e c h o n c t l o n t a l k 协议 c o m m t m i c a t i o n s 议 络层 8 0 2 1 l a b g 未规定物理层技蓝牙、以太网 框 物理术，能使用现有电线、红外线 层和 8 0 2 3 u电源线、双绞线 架 的大部分技术双绞线、红外 链路 将来要使用 特小功率无线 r f 、同轴电缆 层 l o n t a l k 协议的小 红外、光纤等 8 0 2 t l e 1 功率无线通信 设备闻多媒体交外部网络远端服家电控制和电气 家庭电气控制和 技术适用性 互务及认证能源管理 楼宇自动化控制 根据目前存在的透过通用的语言、 各种技术规格与为远端服务提供通用的应用和跨 不断改进技术， 标准建立一个互者和家庭设备之平台连接技术，把 规划和目标通的平台，确保间提供完整的点家电和传感器连 完善互操作定 各产品之间宣接 对点服务传输解接起来，形成可以 义，以期更适合 交换各种多媒体决方案。分享信息和功能 家庭内部使用 文件。的家庭网络。 各标准化组织所提的技术方案都是以主流通信、网络技术为基 础，基本上采用了类似以太网拓扑结构和协议框架模型。具体而言， 各方案在底层通信协议( 物理层和链路层) 对于高速数据传输采用了 8 0 2 3 、8 0 2 1 1 等较为通用的技术：对于低速数据通信多采用射频、 双绞线、电力线等方式。在应用场景设计上也相近：一是将各类电子 设备纳入一个统一的家庭网络平台中，并根据通信速率不同划分为高 速数据网络和低速控制网络，遵循同一通信体制，实现设备间的数据 信息家电安全的研究 交互；二是通过诸如网关的这类设备实现外部公众网络与家庭内部设 备的信息沟通，从而孕育出丰富的“i n t e r n e t ”服务模式。因此，定义 的协议框架具有一定的相似性。但由于各方所处的行业不同，因而各 方案的技术侧重点也不同，有些侧重在外部网络接口、设备描述格式 上，有些则选择服务定义及安全、认证等方面的规范，另外一些方案 则注重于底层协议的物理实现，如表1 - 1 所示。 在我国，从1 9 9 9 年微软的“维纳斯”计划，到2 0 0 1 年组建“家 庭信息化网络技术体系结构及产品开发平台”项目工作组，再到2 0 0 3 年英特尔就牵头成立“数字生活网络联盟”( 简称d l n a ) 携手国内 家电厂商共推数字家庭，再到2 0 0 5 年由联想倡导的闪联标准( 信息 设备资源共享协同服务) 和以海尔为首的“e 家佳”标准【l 习( 家庭 网络平台) 同时获批为国家推荐性行业标准，标准之争仍就未果。 因此，迫切需要制定一个对所有的信息家电产品都能适用的行业标 准，真正体现出开放性和通用性。 1 1 4 信息家电的未来 对信息家电的巨大热情来自于市场的巨大潜力，据分析机构 g a r m e r 预测，2 0 0 7 年全球数字家庭市场规模将高达1 0 2 6 亿美元，中 国数字家庭规模也将达到1 5 0 0 亿元人民币。国务院发展研究中心市 场经济研究所陆刃波曾为此算过一笔账，仅以手机、p c 、彩电为例， 2 0 0 4 年我国手机销量达7 3 l o 万部，p c 为1 5 9 0 万台，彩电为1 1 1 6 万台，三者合计达1 0 0 1 6 万台( 部) 。如果每件产品都带有数字家庭 无线标准通信接口，按1 0 美元专利费算的话，仅专利费每年就可达 l o 亿美元，而且这还不包括由此带来的硬件制造方面的利润 1 4 1 。 如此充满诱惑力的市场前景，在3 c 融合这个新的产业机遇面前， 谁能在落实产业化上领先一步，谁就能在未来国家标准的制定上拥有 更大的发言权。市场的需求促使信息家电的迅猛发展，其类型和应用 业务越来越多，各种新技术的发展将推动各式家电产品的爆炸性增 长。在这些发展过程中，信息家电将需要解决以下问题： 1 ) 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 硕士学位论文 益成为人们关注的焦点。少数信息家电将会是通用型装置，大部分则 将是带有通用接口而成为便于完成单一功能或几个特定功能的装置， 它们之间通过家庭网络互联进行通讯和协同合作，以完成用户的指 令。同时与个性化操作融为一体，完全满足用户执行特定任务的需求。 2 ) 信息家电的互连网络将构建成为一个特殊的分布计算环境，如 何解决信息家电互操作与即插即用性将是信息家电基础平台的关键 问题。由于家用电器的数量和新产品不断增多，家庭布线变得越来越 复杂，利用无线技术实现互连是一种必然趋势。同时，可以连接到信 息家电的基于w e b 的业务将为进行这种业务的用户所共享。家电连 接至家庭网关也应是即插即用。另外，在对各个家电的控制方面，采 用一个能提供良好用户界面的万能遥控器对所有的家电进行遥控也 是一个趋势。 3 ) 信息家电作为通过网络系统交互信息的产品，既要更好地为人 们提供服务，又要达到一定的安全性能，对其安全阿题的研究是必不 可少的。其作为典型的嵌入式系统，在可靠性和安全性上既具有嵌入 式系统的一般性，又具有自身的特点。 4 ) 由于国际上还没有形成统一的家庭信息化标准，各种标准纷 杂，家电设备制造厂家无所适从，为此，进行信息家电体系统结构的 研究，有着重要的战略意义。 尽管还有许多的问题需要我们去解决，但是随着科技的发展和市 场的驱动，在不远的将来，你就可以通过你的办公室的电脑或手机控 制家中的微波炉、冰箱、电视和空调来为你即将回到家中做好一切准 备，更有可能你可以让你的家人或朋友访问你家中的冰箱，让他们知 道你为他们准备了多么丰盛的晚餐或者访问你的影音系统共享你刚 刚录制好的家庭派对的录像。 1 2 信息家电与嵌入式系统 1 2 1 嵌入式系统概述 所谓嵌入式系统”1 就是以应用为中心、以计算机技术为基础、软 信息家电安全的研究 件硬件可裁剪、适应应用系统对功能j 可靠性、成本、体积、功耗严 格要求的专用计算机系统，是采用“量体裁衣”方式把所需的功能( i p 单元、芯片或模块等进行配置) 嵌入至各种应用系统中，是信息技术 i t 的最终产品。i e e e 则是以对象的角度对它进行定义：“嵌入式系统 是嵌入至对象体内的专用计算机系统。”传统嵌入式系统应用于军事、 工业控制和仪器仪表等，新型嵌入式系统有3 c ( c o m p u t e r ， c o n s u m e r & c o m m u n i c a t i o n ) ，即信息家电l a ( i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e 、【1 6 1 。 嵌入式系统与通用计算机有着完全不同的技术发展方向与发展 道路，它从s c m p 发展到m c u 再发展到s o c ，是最为广泛的智能化 工具。嵌入式系统没有自己的独立学科，它是由计算机学科、电子技 术学科、微电子学科和对象学科相互依赖和相互渗透而形成的交叉学 科，它是对象学科应用的最终出路。如图1 1 所示。 外围电路技术 集成开发环境、计算机工程方法 嵌入式计算机学科 嵌入式处理器 嵌入式体系结构广l i c 、m c u 、 i c 、m c u 、s o c 计算机工程方法 集成开发环境 控制模型、算法 应用环境、技术要求 控制模型、算法 应用环境、技术要求 图1 - 1 嵌入式系统与其它几大学科的关系 嵌入式系统自底向上包含有硬件环境、嵌入式操作系统和嵌入式 应用程序三个主要部分，有些还包括嵌入式中间件和硬件抽象层两个 部分。嵌入式系统的组成如图l - 2 所示。 掣盏 硕士学位论文 瞄l - 2 嵌入式系统的组成 a ) 嵌入式处理器 嵌入式系统硬件的核心部件是各种类型的嵌入式处理器。a r m 架构、i n t e l 的8 0 5 1 、m i c r o c h i p 的p i c 和z i l o g 的z 8 0 是嵌入式处 理器的主流架构。而在8 位、1 6 位和3 2 位处理器中，各主流厂商又 有不同的侧重点，比如在8 位c p u 上，i n t e l 、m i c r o c h i p 和z i l o g 的 市场地位稳固，在3 2 位c p u 上，a r m 、x s c a l e 和m i p s 架构为业 界所广泛采用。a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是近年来在嵌入式系 统极有影响力的微处理器i p 核提供商。作为a r m 的竞争厂商，m i p s 公司是一家设计制造高性能和嵌入式3 2 位和6 4 位处理器的厂商。如 今，m i p s 在数字机项盒、视频游戏机、彩色激光打印机及交换机等 领域排名第一。 协嵌入式操作系统 嵌入式操作系统1 7 1 睨o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种 用途广泛的系统软件，它是嵌入式系统的灵魂，过去它主要应用于工 业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分 配、调度，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征，能 够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功甜1 9 1 。随着i n t e m e t 技术 的发展、信息家电的普及应用及e o s 的微型化和专业化，e o s 开始 从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展 2 0 1 。嵌入式操作系统是 相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作系统最基本的功 信息家电安全的研究 能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还具有可裁 剪、实时性、良好的用户冥面、强大的网络功能、稳定、代码固化、 可移植性等特点。 国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有4 0 种左右。现在，市 场上非常流行的e o s 产品，包括3 c o m 公司下属子公司的p a l mo s ， m i c r o s o f t 公司的w 证d o w sc e ，还有开放源代码的l i n u x 。这三种嵌 入式操作系统各有不同的特点，用于不同的场合，如表1 2 所示。 表l - 2 三种嵌入式操作系统的比较 类型 比较方入 p a l m o sw i n d o v # sc e3 o 嵌入式l i n u x 核心几十k b ，整 核心占5 0 0 k b 的r o m 和核心从几十k s 到5 0 0 k b 。整 个嵌入环境也不 大小2 5 0 k b 的r a m 。整个w i n d o w s个嵌入式环境尾小才l o o k s 左 大 c e 操作系统大约共1 5 m b 右，并且以后还将越来鹅小 可以方便地开发开发定制不方便。受m i c r o s o f t开发定制方便，可自由卸装用 可开发定制 定制公司限制较多户模块，不受任何限制 互操作性比较强，可通过o e m 互操作性互操作性强互操作性很强 的许可协议使用于其它设备 不仅适应于x 8 6 芯片，并且可 适用于多种c p u适用于多种c p u 和多种硬件平 通用性以支持3 0 多种c p u 和多种硬 和多种硬件平台 台 件平台，开发和使用都很容易 实用性比较好 比较好很好 由于内核结构及功能等原因， 应用领域较广，特应用领域较广，是为新一代非传 嵌入式l i n u 应用颁域非常广 适用的应用领域 别适用于掌上电统的p c 设备而设计的，这些设 泛，特别适于进行信息家电的 脑的开发备包括掌上电脑、手持电脑等 开发 其中用得最广的就是嵌入式l i n u x ，比较著名的有r e d - h a t 和 u c l i n u x 。比如：中科红旗软件技术有限公司开发的红旗嵌入式l i n u x 和美商网虎公司开发的基于x l i n u x 的嵌入式操作系统“夸克”。“夸 克”是目前全世界最小的l i n u x ，它有两具很突出的特点，就是体积 小和使用g c s 编码。嵌入式l i n u x 基本上是一个简化版的l i n u x ，一 般上在编译内核的时候都会将所有非必要的模块裁减掉，来将镜像文 硕士学位论文 件和文件系统的大小缩小到最低的限度。l i n u x 很适于做信息家电的 开发。市面上比较流行的其它嵌入式操作系统有v x w o r k s 、q n x 、 x p e m b e d d e d 、u c o s i i 等等。 如今整个市场尚未成型，嵌入式操作系统也未形成统一的国际标 准，在实际的应用中都是根据需要对现有的嵌入式操作系统进行裁剪 和修改后再使用。 c ) 嵌入式中间件 嵌入式中间件是位于嵌入式操作系统、数据库与应用软件之间的 一种软件，使用嵌入式操作系统所提供的基本功能与服务，并为上层 的应用系统提供运行开发环境。它具有内核微小、支持多种嵌入式操 作系统、支持标准协议、完善的安全保证机制和完善的数据同步功能、 支持多种连接协议等特点。随着嵌入式技术和网络技术的迅猛发展， 人们对于移动计算的要求不断加强。正像i b m 公司提出的“普适计 算”时代已经来临，嵌入式中闻件将更多的应用到嵌入式系统中，以 满足人们对“无论何时何地，都可以进行信息交互”的要求，现在嵌 入式中间件已经越来越受到国际大公司的重视，他们纷纷研制适合于 异构终端的，能访问多种数据库的嵌入式应用开发平台，嵌入式中间 件将是未来嵌入式发展的一个热点。 d ) 嵌入式应用软件 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于莱一固定的硬件平 台，用来达到用户预期目标的计算机软件。由于用户任务可能有时间 和精度上的要求，因此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统 的支持。嵌入式应用软件和普通应用软件有一定的区别，它不仅要求 其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还 要尽可能地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。嵌 入式系统中的应用软件是最活跃的力量，每种应用软件均有特定的应 用背景，尽管规模较少，但专业性较强，所以嵌入式应用软件不像操 作系统和中间件那样受制于国外产品垄断，是我国嵌入式软件的优势 领域。 信息家电安全的研究 1 2 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。“嵌入性”、 “专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。嵌入式 系统的特点根据应用需求的不同而侧重的方面不同。通常都具有嵌入 性、专用性、对象性、智能性等特点。另外，嵌入式系统还具有高可 靠性和实时性，在恶劣的环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正 常工作，嵌入式操作系统具有实时处理能力。嵌入式系统本身不具各 自举开发能力，设计完成以后，用户通常不能对其中的程序功能进行 修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，它的升级换代也是 具体产品同步进行。 1 2 3 嵌入式系统发展趋势 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 l 世纪的嵌 入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口。随着i c p 和a s p 在网上提供的信息内容日趋丰富、应用项目多种多样，嵌入式应用软 件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。另外，小尺寸、微 功耗、低成本、“无所不在的智能”( a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ，a m i ) 和 友好的人机交互晃面也