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基于s ip 的网络用具监控系统模型研究 摘要 随着信息技术的发展和i p 网络的应用普及，能够接入网络并且接受远 程监控的网络用具逐渐走进人们的生活。网络用具涵盖范围非常广泛，包 括数字化、智能化了的各种电器或增加了控制器的普通设备，如家用电器、 办公设备、停车场设备、商场设备、消防设施、交通设施等等。据预测， 互联网应用的下一个高潮将是网络用具的广泛应用。各种设备之所以要网 络化，根本目的还是要通过网络对这些设备进行控制和监视，网络用具的 监控系统也已成为研究热点。 与此同时，会话初始化协议( s i p ， s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 也在迅速发展。s i p 协议是一种应用层的信令协议，最初用来建立和维护多 媒体会话，主要用于i p 电话、视频会议等系统，但由于它的扩展性非常好， 应用范围也在拓展。s i p 协议以其先进的思想和轻巧、灵活、开放的优良特 性越来越受到工业界的重视，协议本身的发展和支持s i p 的产品线发展都 非常快，而且s i p 已经成为下一代网络的核心协议之一。网络用具作为下 一代网络的重要设备，与s i p 的结合将有着广阔的应用前景。 传统的网络用具监控系统模型主要有基于w e b 的，基于c o r b a 的以及 基于串口的，这些模型都在一个小范围( 比如家庭) 之内搭建了一个网关， 主控端通过网关对网络用具进行监控。传统的模型依赖网关的存在，容易 造成流量瓶颈，同时提高了监控系统的成本和维护量，而且通用性差，并 不适合大面积使用。现在已经有少量的研究将s i p 协议应用于网络监控系 统模型中，但也存在着依赖网关、扩展不充分、没有考虑下一代网络环境 等问题。 本文对现有的几种网络用具监控系统的模型和s i p 协议进行了研究和 分析，在此基础上，对现有的网络用具监控系统的不足之处进行了一些改 进，设计并部分实现了一个具有通用性、扩展性、实用性的网络用具监控 系统模型。 该系统综合已有的与网络用具通信相关的三个s i p 方法扩展( d o 、 s u b s c r i b e 、n o t i f y ) ，提出一个s i p 消息头扩展( f r e q u e n c y ) ，形成了较 为完整的针对网络用具监控的s i p 扩展方案。方案较好地体现了网络用具 监控需要的控制、查询和监视三种功能，并减少了监控功能产生的网络流 量。该系统还充分考虑了网络用具可能工作在i p v 4 i p v 6 共存的环境中， 将s i p 代理服务器部署在i p v 4 i p v 6 网络边界处，使其不仅是s i p 代理服 务器，而且也是脱离n a t - p t 设备的应用层网关，我们称之为“s i p 边界代 理服务器( s b p s ，s i pb o u n d a r yp r o x ys e r v e r ) 。 本文实现了被控端用户代理( u a ，u s e ra g e n t ) 和主控端u a ，并且分 别部署在网络i p v 6 和i p v 4 网络中，通过s b p s 进行跨网监控。实验系统运 行正常，结果表明我们对s i p 协议的扩展是成功的，为网络用具及其监控 系统的发展，为s i p 协议的丰富和完善，提供了新的理论和实践支持。 关键词：会话初始化协议i p v 4 i p v 6网络用具监控系统 i i s t u d yo fm o n i t o r r n gn e t w o r k e da p p l i a n c e s b a s e do ns i p a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dw i d e ru s eo fi p n e t w o r k s ，n e t w o r k e da p p l i a n c e st h a tc a nc o n n e c tt on e t w o r ka n db ec o n t r o l l e d r e m o t e l ya l es t e p p i n g i n t op e o p l e sl i v e sg r a d u a l l y n e t w o r k e da p p l i a n c e s c o n t a i n taw i d er a n g eo fd e v i c e s ，i n c l u d i n g d i g i t a la p p l i a n c e s ，i n t e l l i g e n t a p p l i a n c e sa n dg e n e r a le q u i p m e n tw i t hc o n t r o l l e r s ，s u c ha sh o m ea p p l i a n c e s ， o f f i c ee q u i p m e n t ，p a r k i n gf a c i l i t i e s ，s h o p p i n gm a l l se q u i p m e n t ，f i r ef i g h t i n g f a c i l i t i e s ，t r a n s p o r tf a c i l i t i e sa n ds oo n t h en e x tw a v eo ft h ei n t e m e ti sw i d e l y p r e d i c t e dt ob et h em o v et o w a r d st h en e t w o r k e da p p l i a n c ef n a ) t h ep u r p o s e o fn a se m e r g e n c ei st h a tt h e ya l ee x p e c t e dt ob ec o n t r o l l e da n dm o n i t o r e d t h r o u g ht h en e t w o r k ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mh a sa l s ob e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t a tt h es a m et i m e ，s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c o l ( s i p ) i sa l s od e v e l o p i n g r a p i d l y s i pi s a na p p l i c a t i o nl a y e rs i g n a l i n gp r o t o c o l ，o r i g i n a l l yu s e dt oc r e a t e a n dm a i n t a i nm u l t i - m e d i as e s s i o n ，m a i n l yu s e di ni pt e l e p h o n e ，v i d e om e e t i n g s y s t e m s ，b u tb e c a u s eo f i t sv e r yg o o de x p a n s i b i l i t y , i t sa l s oe x p a n d i n gt h es c o p e o fa p p l i c a t i o n s i p , w i t hi t sa d v a n c e dt h i n k i n ga n dg o o dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s l i g h tw e i g h t ，f l e x i b l ea n do p e n ，i sr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o no f t h ei n d u s t r i a l s e c t o r , t h ep r o t o c o li t s e l fa n di t sp r o d u c t i o nd e v e l o pv e r yf a s t ，a n ds i ph a s b e c o m eo n eo ft h ec o r ep r o t o c o l so fn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) n ai sa k i n do fi m p o r t a n td e v i c eo fn g n ，t h ec o m b i n a t i o no fn aa n ds i pw o u l dh a v e w i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t r a d i t i o n a lm o d e l so fn am o n i t o r i n gs y s t e mm a i n l yb a s e do nw e b ， c o r b aa n ds e r i a lp o r t ，t h e s em o d e l sb u i l dag a t e w a yi nas m a l la r e a ( s u c ha s f a m i l y ) ，ac o n t r o l l e rc o n t r o l sn at h r o u g ht h eg a t e w a y t r a d i t i o n a lm o d e l s i i i d e p e n do ng a t e w a y s ，t h i sm a ye a s i l yg e tb o t t l e n e c k so fn e t w o r kf l o w , a n d i n c r e a s ec o s ta n dm a i n t e n a n c e ，a r en o ts u i t a b l ef o r l a r g e s c a l e u s e s o m e r e s e a r c hw h i c hb u i l dn am o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ns i ph a sc o m eo u t ，n o w , b u tt h e ya l s oh a v es o m ei s s u e s ：d e p e n do nt h eg a t e w a y , l e s se x t e n s i o n ，n o t c o n s i d e rn g ne n v i r o n m e n t w ei n v e s t i g a t e da n da n a l y s e ds e v e r a l e x i s t i n gn am o n i t o r i n g s y s t e m m o d e l sa n ds i p , b a s e do nt h i s ，w ei m p r o v e dt h ee x i s t i n gn a m o n i t o r i n gs y s t e m m o d e l s s h o r t c o m i n g ，t h e nd e s i g n e da n dp a r t l yi m p l e m e n t e dan am o n i t o r i n g s y s t e mm o d e lw h i c hi sg e n e r i c ，e x t e n d a b l ea n dp r a c t i c a l t h e s y s t e mi n t e g r a t e d t h r e e e x i s t i n g s i pm e t h o d e x t e n s i o n s ( d o ， s u b s c r i b e ，n o t i f y ) t h a ta r er e l a t e dt on a ，a n db r o u g h tu pan e ws i p h e a d e re x t e n s i o n ( f r e q u e n c y ) ，t h u sam o r ec o m p l e t es c h e m eo fs i pe x t e n s i o nf o r n a m o n i t o r i n gi sf o r m e d an am o n i t o r i n gs y s t e mn e e dt h r e ef u n c t i o n s ：c o n t r o l q u e r ya n dm o n i t o r , t h i ss c h e m ei n c a m a t e st h e mw e l la n dr e d u c e st h en e t w o r k t r a f f i co fm o n i t o r i n g t h es y s t e ma l s oc o n s i d e r e dt h a tn am a yw o r ki n i p v 4 i p v 6c o e x i s t e n c ee n v i r o n m e n t ，s o d e p l o y e d s i p p r o x y s e r v e ro n e i p v 4 i p v 6n e t w o r kb o u n d a r y , t h es e r v e ri sn o to n l yas i pp r o x ys e r v e r , b u ta l s o a na p p l i c a t i o n l a y e rg a t e w a yt h a tn o td e p e n do nn a t - p te q u i p m e n t ，w ec a l lt h e s e r v e rs b p s ( s i pb o u n d a r yp r o x ys e r v e r ) t h i sa r t i c l eh a si m p l e m e n t e dn a u a ( u s e ra g e n t ) a n dh o s tu a t h e yw e r e d e p l o y e di ni p v 6n e t w o r k sa n di p v 4n e t w o r k s ，a n dh o s tu a h a sm o n i t o r e da n d c o n t r o l e dn a u at h r o u g hs b p s e x p e r i m e n t a ls y s t e mi sr u n n i n gn o r m a l l y , t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ee x t e n s i o no fs i pi ss u c c e s s f u l t h i s p r o v i d ean e w t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls u p p o r tf o rt h ed e v e l o p m e n to fn aa n di t sm o n i t o r i n g s y s t e m ，a n df o re n r i c h m e n ta n di m p r o v e m e n to fs i e k e yw o r d s ：s i p ；i p v 4 i p v 6 ；n e t w o r k e da p p l i a n c e ；m o n i t o r i n gs y s t e m i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文储躲夏舫 御年易月距日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝储馘：酗眵刷磁名：够 捌年易月骅日 广西大学硕士掌位论文基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 1 i 课题背景及研究意义 第一章绪论 2 0 世纪以来，随着自动化技术、计算机技术的发展，监控系统逐渐出现在人们的 视线当中，包括工厂中的流水生产线监控，单位或大厦的楼内安防监控等。这些监控系 统专用性强，使用范围小，一般运行在私有网络上，没有公网接口，操作者也必须在离 现场较近的地方才能使用这些系统。然而i n t e m e t 的飞速发展，使人们看到了通过互联 网远程使用监控系统的希望，监控系统需要在互联网上运行。 2 l 世纪，人类进入一个信息化的时代。随着网络的发展，各种网络化的生活、办 公用具将雨后春笋般出现在人们的生活当中，对它们的远程监控便自然而然地成为了研 究热点。到网络用具监控系统成熟之时，人们的生活和工作将得到极大的方便。不在家 的时候随时可以知晓自己家里的家用电器的运行情况，并且可以远程对它们进行操作， 比如在回家之前，提前运行空调；把浴缸的热水放好；不在单位的时候也可以随时了解 办公室各种设备的运行情况，并能远程操作它们，比如帮助新来的员工调整复印机参数； 在路上的时候就可以查询到小区的停车位情况。监控系统的发展迎来了新的挑战：监控 的范围大大拓宽了。 目前，网络用具尚未普及，其监控系统也都处于研究状态，或者小范围的试用状态。 网络用具品种繁多，数量庞大，因此它们的生产厂家也肯定不一而足。如果每个厂家都 生产针对自己产品的监控系统，那么最终用户可能要拿着好多个主控端才能把家里的电 器一一监控起来，就好像现在每个家庭都有若干个遥控器一样。监控系统需要新的协议 标准，以避免厂家各自为战的情形出现。 2 0 世纪末，i n t e r n e t 工程任务组( i e t f ，i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) ，为了解 决多媒体会议中邀请用户加入会话的问题而提出了会话初始化协议( s i p ， s e s s i o n i n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 。s i p 协议是基于文本的应用层协议，借鉴了超文本传输协议( h t t p ， h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 、文件传输协议( f t p ，f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 、简单邮件传 输协议( s m t p ，s i m p l em a i lt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 等已经广泛应用的i n t e r n e t 协议的设计 思想，在风格上遵循因特网一贯坚持的简练、开放、兼容和可扩展等原则【2 4 1 。它革命性 地把会话的建立、会话的描述和会话本身分离开来，因而，无论是i p 服务还是电信服 广西大掌硕士学位论文基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 务都可以容易地开发新的业务，新业务的会话可以方便地通过s i p 建立和协商。s i p 协 议通常是与其他协议共同工作的，比如实时传输协议( r t p ，r e a l t i m et r a n s p o r t p r o t o c 0 1 ) 、实时流媒体协议( r t s p ，r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 、资源预留协议( r s v p ， r e s o r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 等，但s i p 协议本身具有可扩展性，在适当地扩展s i p 协议 之后，它也可以单独工作，用于实现简单的网络应用，比如携带即时消息和控制命令。 i e t f 已经成立s i m p l e 工作组，目的就是为了在一系列扩展的支持下，使用s i p 来实 现即时消息和存在信息的传递，m i c r o s o f t 公司的即时通信软件m s n 就是基于s i p 的。 s i p 在监控信息传送方面的扩展也逐渐成为研究热点，一些相关的d r a f t 也已经发表了。 s i p 协议以它小巧、灵活、开放、扩展性强等诸多优点引起了工业界的重视，发展 速度非常快，应用范围也早已超出了多媒体会话的建立与修改这一领域。现在s i p 已经 成为下一代网络的核心协议之一了【2 3 】。 在这样的背景下，研究s i p 协议在网络用具监控系统中的应用变得非常有意义了。 原因有： ( 1 ) 网络用具应该会大量出现在下一代网络上，而s i p 协议已经成为下一代网络 的核心协议之一了，网络中一定部署着数量相当的s i p 服务器，这为网络用具的远程监 控提供了物质保证。 ( 2 ) 网络用具种类繁多，监控命令各不相同，需要一个通信域的公认协议，该协 议必须能携带不同类型的数据，可扩展出不同类型的监控命令，且具有协商能力。s i p 协议正好符合要求。 目前s i p 协议正日益受到业界的重视，工业界以巨大的热情投入关于s i p 标准及应 用的研刭2 3 1 。伴随着网络用具的大量出现和s i p 协议的不断应用，利用s i p 协议和s i p 基础设施来实现网络用具的监控将是一个前景广阔的网络应用，在这方面的研究工作也 是有价值有意义的。本文提出的基于s i p 的网络用具监控系统模型，立足s i p 协议的相 关理论，追踪最新的研究成果，为s i p 在网络用具监控系统中的应用提供新的理论和实 践支持。 1 2国内外研究现状 长久以来，监控系统的发展呈现出了遍地开花的景象，对监控系统的研究大多集中 在专用监控系统领域之内，比如：工业生产现场监控系统，建筑火灾监控系统，建筑安 2 广西大掌硕士掌位论文基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 全防范监控系统，小区安防监控系统，铁路运营与安全综合监控系统等等。2 0 世纪八十 年代以来，发达国家家用电器工业得到了迅速发展，家电的智能性也越来越高，信息家 电监控系统应运而生，智能家居的概念随即也被提出，人们渴望在办公室控制家里的一 切。进入2 l 世纪后，网络用具监控系统的概念才刚刚出现，人们不仅想控制家电，凡 是生活、工作中涉及到的用具都想控制，而且不愿局限于一个小区、一个城市的范围， 而是希望在更广泛的范围内实施监控。网络用具的外延不断扩大，监控的范围不断扩大， 人们需要统一的通信中间域和广域网，于是s i p 协议和互联网成为了不二选择。 国外在s i p 协议、网络用具监控等方面做了较多的理论研究，而国内做的应用研究 则相对较多。而在两者结合的领域内研究还不是特别多，需要我们的努力探索和研究。 1 2 1国外研究现状 国外在网络用具和s i p 这两方面的研究以理论为主，也有实现。 2 0 0 0 年9 月，s i m o nt s a n g 最早提出来将s i p 应用与网络用具控制和互操作，但并 未提到d o 方法的扩展【4 1 。 几乎就在同时，s u m i tk h u r a n a 提出了设备信息协议( d m p ，d e v i c em e s s a g e p r o t o c 0 1 ) ，是一种专门用于携带监控命令和参数的x m l 方案【5 】。 2 0 0 0 年1 1 月，s i m o nt s a n g 提出了d o 方法扩展；该方法可以携带控制命令【6 】。 2 0 0 1 年1 月，s t a n l e ym o y e r 提出了用于网络用具监控的一套方案，也就是同时使 用d o 、s u b s c r i b e 和n o t i f y 三个扩展方法实现网络用具的监控【7 1 。 2 0 0 5 年，波多黎各大学的j o s u 6a d ia zt o r t e s 在毕业论文中简单实现了d o 方法 扩展【12 1 。 1 2 2 国内研究现状 国内的研究则偏重实现，下面是若干比较典型的实现。 2 0 0 5 年1 0 月，吴明津提出了基于w e b 的信息家电远程监控系统，在家庭网关上 构建w e b 服务器，编制自己的家电通信协议，通过公共网关接口( c g i ，c o m m o ng a t e w a y i n t e r f a c e ) ，操作家电，达到控制家电的目的【3 7 】。 2 0 0 6 年4 月，廖瑞华提出了基于公用对象请求代理( 调度) 程序体系结构( c o r b a ， c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 的信息家电监控系统，该系统依赖家庭网 关和家电服务控制器来控制家庭中所有家电，给出了一种信息家电的信息接口定义，家 电服务控制器采用c o r b a 的动态接口机制，以动态注册信息家电的信息接口，从而解 3 广西大掌硕士掌位论文 基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 决了家电遥控器的通用性问剐3 6 1 。 2 0 0 6 年8 月，赵鹏提出了基于r s 一2 3 2 的远程分布式家电监控系统，设计了自己 的通信协议，通过家庭网关连接一组串口r s 一2 3 2 实现了家电控制，再由家提供网关上 网，实现远程控制【4 1 】。 2 0 0 6 年9 月，张小梅提出了嵌入式智能家居监控系统，设计了一种实现了s i p 协 议栈和w e b 服务的的嵌入式家庭网关，s i p 协议主要用来完成网络用具的命名、注册 管理等功能，c g i 程序主要用来控制网络用具，主控端可以是采用浏览器，也可以采用 s i p 用户代理( u a ，u s e r a g e n t ) 4 2 】。 2 0 0 7 年1 月，龙志平提出了基于s i p 协议的网络用具控制的一种实现，该实现做 到了d o 方法的扩展【4 3 】。 1 3问题的提出 从国内外的研究现状可以看出目前网络用具监控的研究存在一些问题，简述如下， 更详细的介绍请参考2 3 节。 ( 1 ) 现有网络用具监控系统依赖家庭网关，需要专门为所有家电设立一个家庭网 关，通过网关间接控制家电。这样的话就增加了网络用具监控的成本，包括硬件成本和 软件成本。 ( 2 ) 没有使用s i p 协议的网络用具监控系统往往要设计自己的监控协议，协议的 扩展性差，通用性差。 ( 3 ) 前面提到的几种实现方案都只实现了控制和查询，没有实现监视。不是完善 的网络用具监控系统。 ( 4 ) 前面提到的几种实现方案都没有考虑到未来网络用具大量存在时使用的应该 是i p v 6 网络或者是i p v 4 i p v 6 共存的网络。 出现这些问题，究其原因，一是技术延迟，国外老早就把s i p 应用于网络用具监控 相关的理论研究好了，国内在时隔四五年之后还没有利用上s i p ，还在找各种各样的途 径来实现几乎一样的功能。二是对s i p 的思想理解的不全面，s i p 是要提高终端的智能 程度，从而降低网络的复杂性，所以在网络用具监控这一块儿，我们也应该让用具本身 去智能化，而不是依赖统管一个小范围内网络用具的网关来实现智能化。 4 广西大掌硕士掌位论文基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 1 4本文所做的工作 本文抓住s i p 研究的一个新兴方向：将s i p 用于网络用具控制领域，展开了研究 和实现工作。具体包括： ( 1 ) 通过分析现有网络用具监控系统的设计与实现，发现没有使用s i p 协议的方 案均存在协议通用性差的问题，使用s i p 协议的方案也存在依赖家庭网关、依赖i p v 4 、 对s i p 协议没有扩展等问题。针对这些问题，本文提出了自己的模型，该模型在不依赖 家庭网关的情况下，通过合理扩展s i p 协议，实现网络用具在i p v 6 或i p v 4 网络上均能 受到监控。 ( 2 ) 深入学习s i p 协议及其扩展方法，在s i p 核心的基础上扩展d o 方法用于发 送控制命令，并使用s i p 的标准扩展：s u b s c 刚b e 和n o t i f y 两个方法来接收状态报 告或者警报，同时给s u b s c r i b e 方法扩展一个新的消息头：f r e q u e n c y ，用于指定状态 报告的频率。 ( 3 ) 研究i p t e l 工作组的s e r 源代码，并在此基础上做二次开发，使其能够翻译 跨网传送的s i p 消息中携带的i p v 4 或i p v 6 地址，同时利用多种i p v 4 i p v 6 过渡技术，构 建一个能够跨越i p v 4 i p v 6 的边界s i p 网关。 ( 4 ) 研究开源的o s i p 协议栈，并在此基础上做二次开发，使其支持d o 方法、 s u b s c 对b e 方法、n o t i f y 方法和f r e q u e n c y 消息头，然后以此作为底层，构建一个 主控端u a 和一个被控端u a 。 1 5本文的创新点 基于目前国内外网络用具监控系统的研究与开发现状，通过对s i p 协议的深入研 究，本文在理论上和实现上具有以下创新点： ( 1 ) 针对网络用具监控提出了s i p 协议的f r e q u e n c y 消息头扩展。该消息头用于 指定某命令或者报告的执行时间间隔( 频率) ，可由d o 方法携带，也可由s u b s c b e 方法携带。当d o 携带该消息头时，表示某一个命令应该每隔一定时间就重复执行一次， 比如控制空调机在夜间设定温度每隔一个小时提高一度，总共的执行次数由e x p i r e 时间 和f r e q u e n c y 指定的时间间隔共同决定。当s u b s c 对b e 方法携带f r e q u e n c y 消息头时， 表示某一状态按指定的时间间隔( 频率) 发出通知，这是为了减少变化频率过大的参数 频繁发出通知而给u a 和网络带来的压力，比如需要气象站的风速杯报告风速时，如果 广西大学硕士掌位论文基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 风速一发生变化就报告，报告频率就太大了，可以用f r e q u e n c y 消息头指定一分钟报告 一次。 ( 2 ) 设计了网络用具监控系统的模型。该模型综合实现了d o 、s u b s c r i b e 和 n o t i f y 三个扩展方法，可以用于对网络用具的控制、查询和监视，是一种较为完善的 网络用具监控系统。 ( 3 ) 在i p v 4 i p v 6 边界上部署s i p 服务器，并且修改s i p 服务器使之同时成为s i p 协议的可脱离网络地址翻译协议翻译( n a t - p t ，n e t w o r ka d d r e s st r a n s l a t i o n p r o t o c o l t r a n s l a t i o n ) 设备的应用层网关。 1 6本文的内容安排 本文的内容安排如下： 第一章作为绪论，简要介绍了课题的背景和研究意义，s i p 协议及其应用的发展状 况，并由此引出本文所做的工作，表明了本文的工作在整个s i p 协议研究中所处的地位， 最后点明了本文的创新点。 第二章介绍了网络用具及其监控系统的相关理论，并对现有的网络用具监控系统做 了详细的分析。 第三章详细介绍了s i p 协议，包括s i p 的体系结构、s i p 消息格式、s i p 的工作方 式以及s i p 的特点等内容。 第四章介绍了s i p 协议的扩展规则和若干已经成为r f c 的方法扩展，并给出本文 针对网络用具监控系统所进行的s i p 扩展。 第五章先从整体上介绍了本文所研究的网络用具监控系统模型，而后依次详细介绍 s i p 服务器和u a 等的设计与实现，是本文工作的主要体现。 第六章总结了本文的工作，并指出本文所设计的系统的不足之处以及对未来工作的 展望。 1 7本章小结 本章介绍了课题的背景和研究意义，以及国内外的研究现状，并简单提到了若干种 已有的系统模型，指它们的问题所在，针对这些问题，提出本文的工作和创新点，最后 介绍了本文的内容安排。 6 广西大学硕士掌位论文基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 2 1网络用具 第二章网络用具及其监控系统 网络用具( n e t w o r k a p p l i a n c e ，n a ) 是指能够连上网络，具有一定智能，并且接受远 程监控的电器设备，它的结构如图2 1 所示。 动作部件 传感器控制器软件 网络接口 图2 1网络用具结构 f i g u r e2 1 n e t w o r k e da p p l i a n c es t r u c t u r e 动作部件执行某个用具的具体功能，比如洗衣服、制冷、复印、放下拦车杆等。动 作部件接受控制器发出的控制指令。在没有加入其它组成部分之前，动作部件就是我们 常见的普通电器了。 传感器用来检测动作部件、外部环境或工作物料的物理参数、运行参数，比如电机 转速、空气温度、物料重量、屏幕刷新率等。 网络接口用来实际地传输控制命令或者报告工作参数。 控制器在软件的指挥下发出动作指令，读取传感器读数，访问网络接口，协调各个 组成部分的工作。它可能是一个简单的芯片，也可能是单片机，还可能是嵌入式主机。 一个控制器有可能控制多组动作部件和传感器，比如若干条流水线共用一个中央控制 器。 软件部分是网络用具的灵魂，是网络用具的智能性的主要体现。软件部分包括固化 在控制器内部的程序，也包括可擦写存储器中存放的程序。对于简单的网络用具，可能 软件只用来收发网络命令，但对于复杂的网络用具，用具的行为方式全是通过软件体现 的，比如洗衣机的洗衣程序。 据预测，互联网应用的下一波高潮将是网络用具的广泛应用。电冰箱将记录食品的 7 广西大掌硕士掌位论文基于si p 的网络用具监控系统模型研究 存量以便重新订购，闹钟调整日程，告诉天气情况和路况以便通知在合适的时间出行。 这些应用需要彼此的交流和协调【4 3 】。 由于涉及到诸多设备，网络用具很难被准确定义，据s i m o nt s a n g 定义，网络用具 被定义为包含一个网络处理器并具备特定功能的消费设备，如冰箱、咖啡机、电话等。 网络设备具有信息访问、获取、存储、处理和联网等功能，它打破了网上获取信息非 p c 机不可的局面。目前的n a 多数以一个微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ，俗 称单片机) 为核心，随着对n a 要求的不断提高，n a 的核心会逐步被嵌入式系统甚至 工控机所取代，以便在其上运行更为复杂的程序，从而可以对电器进行更丰富的控制并 给用户以更加友好的控制界面。n a 具有一定的智能特征，能够定时工作、自动调节工 作状态、自我保护、危险情况报警，还能够与其他用具协同工作，在未来电器中必将占 据主导地位。 网络用具存在的意义就是被监控，否则只能叫自动化用具或者智能用具。而本文所 讨论的监控系统，其被控端的用户代理就是图2 1 中软件的一部分。n a 与i n t e r n e t 的 连接不可避免，对它们进行远程控制和监视也便成为必然。 2 2网络用具监控系统 最早的监控系统当属工业自动化控制了，车间里的流水线设备都有控制器，一个车 间或者多个车间公用一个机房，有若干计算机通过串口、并口甚至其它自己开发的接口 与控制器连接，工作人员操作计算机，计算机再通过控制器操作机器。控制器收到并翻 译出各个传感器传来的数据并转发给计算机，计算机再呈现给工作人员。 视频监控系统也是一类重要的监控系统，在建筑安防、小区安防方面有着广泛的应 用，甚至有些家庭也在房间里引入了视频监控系统。视频监控系统最早使用的是模拟信 号，用模拟电视机接收图像。后来改进成数字信号，主控端可以在电脑屏幕上显示图像。 智能家电的出现给人们描绘了一幅未来智能家居的美好图画，几乎所有的家电都能 够远程监控。智能家电作为网络用具的重要组成部分，对其监控系统的研究也未停止过， 出现了基于w e b 的，基于c o r b a 的以及基于串口的等多种形式。 这些系统通常拥有自己的专用网络、专用协议，即使同一类型的监控统，不同厂家 开发出来的监控系统也不能通用。网络用具监控系统无外乎三个重要的组成部分，如图 2 2 所示。 8 广西大掌硕士掌位论文基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 图2 2网络用具监控系统一般结构 f i g u r e2 2 c o m m o ns t r u c t u r eo f n am o n i t o r i n gs y s t e m 中间网络是系统的核心问题，它不仅包含采用什么样的硬件网络设施，也包含了采 用什么样的软件协议。如果使用串口、并口或其它非开放的网络接口，那么协议与网络 是紧耦合的关系，协议的通用性就差；如果使用i p 网络，那么可选的协议就会多一些， 可以使用独立开发的非开放的专有的应用层网络协议，也可使用中间件，如c o r b a ， 当然也可以选用开放的s i p 协议。 当前，已经有一些技术用来控制网络用具和提供一定程度上的家庭自动化控制，如： x 1 0 ，h a v l 和u p n p 等，但是仍缺少对广域存取控制和各种网络设备之间的交互能力 的支持，即中间域通信问题。恰当扩展后的s i p 协议是一个扮演这种角色的候选工具【4 3 1 。 2 2 1网络用具监控系统的主要功能 网络用具监控系统完成的主要功能包括： ( 1 ) 控制。监控系统的主控端能够远程启动、关闭n a ，可以命令n a 做出某个 动作，也可以调整n a 的工作参数。 ( 2 ) 查询。主控端在与网络用具连通期间，随时可以在发出一个查询命令，检查 被控n a 的工作状态和各项参数。 ( 3 ) 监视。被监控的n a 应当可以定时或者不定时地向主控端报告自己的工作状 态和各项参数。被控n a 在发现紧急情况或危险情况时能够主动向主控端发出报警信息， 同时能够根据默认设置在一定程度上自动处理这些非正常情况。 以上三个功能是监控系统必须具备的，缺少任何一个功能都是不完善的。 2 2 2网络用具监控系统的特点 网络用具监控系统是一种松耦合的监控系统，但也有一些特性是必须要具备的： ( 1 ) 健壮性。无论是主控端程序还是被控端程序，都必须最大限度地保持正常通 信状态，一旦双方中的任何一方由于某种原因无法保持正常通信状态，控制信息和监视 信息不能正常交互，后果可能会很严重。 9 广西大掌硕士学位论文基于s i p 的网络用具监控系统模型研究 ( 2 ) 可移动性。n a 的主人不一定都在p c 机前监控家电，外出时也可能用p d a 进行监控，所以主控端需要可移动性的支持；有些n a 也不是固定不动的，可能会被主 人更换摆放位置，也可能被主人借给亲戚邻居使用，所以被控n a 也要具有可移动性支 持。 ( 3 ) 安全性。网络用具可能部署在家庭、办公室或公共场所，如果受到非法监控， 可能发生泄密也可能造成财产损失，严重的甚至会造成人员伤亡，因此被控n a 必须具 备识别主人的能力，只有经过认证的主控端才能实施控制和监视。 ( 4 ) 可跨网络通信。网络用具数量庞大，i p v 4 地址不足以满足需要，但是i p v 4 向i p v 6 过渡需要一个较长的时间，这期间主控端、被控端都有可能在i p v 4 i p v 6 网络之 间移动或者切换，所以监控系统应该具备跨网络通信的能力以充分支持可移动性。 网络用具监控系统与目前主流的视频监控系统还是有所区别的，以上提到的几点特 性中，( 2 ) 、( 3 ) 两点就是视频监控系统所不具备的。但是视频监控系统对实时性的要 求比信息家电监控系统还要强，因为它是一种紧耦合的监控系统。 2 - 3现有网络用具监控系统分析 传统的网络用具监控系统使用的技术较为杂乱，从基于串口技术的到基于中间件技 术的都有，研究者们试图用不同的网络中间域连接主控端和被控端，体现着各种技术的 优势，同时也存在各种各样的不足。作为本文理论工作的组成部分，我们分析了已有的 若干种网络用具监控系统模型的特点，并指出了存在的不足之处。 2 3 1基于w e b 的模型 基于w e b 的模型【3 7 】通过一个家庭网关将信息家电设备联结起来构成家庭局域网 并链接到i n t e m e t 上，家庭网关做w e b 服务器并在其中设计相应的c g i 程序，远端主 机通过i n t e r n e t 浏览服务器页面提交表格数据或控制命令，w e b 服务器接收远端主机发 送过来的数据，调用c g i 程序完成对本地设备的控制。 网络结构如图2 3 所示，该模型在家庭网关的两侧都是用i p 网络，家庭网关本身 部署成w e b 服务器，作为外网主控端的