（计算机应用技术专业论文）基于upnp的智能家庭网络的研究和实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 未来的数字家庭将以网络为核心，目标是使所有的信息设备可以智能互连，实现资 源共享，为我们的生活带来一场数字革命。 随着数字设备和网络的普及，数字家庭技术正日益成为现代数字的主流技术。家庭 网络中间件的出现，屏蔽了硬件设备、操作系统平台与通信技术的不同，使各种家庭网 络信息设备更容易接入网络，并且操作简单、智能。在各种家庭网络中间件技术当中， u p n p 技术是现代数字家庭技术中得到支持最多、最有发展前途的一种，是当今各国研 究的热点。u p n p 是通用即插即用( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 的缩写，它主要用于实现设备 的智能互联互通。使用u p n p 协议不需要设备驱动程序，因此使用u p n p 建立的网络是 介质无关的，它可以运行在几乎所有的操作系统平台之上，可以使用c ，c + + ，j a v a 等开发语言，使得在办公室、家庭和其它公共场所方便地构建设备相互联通的网络环境。 本文重点研究了u p n p 技术的基本原理和实现机制，根据i n t e l 公司提供的u p n p s d k 设计和实现了通用的u p n p 设备和控制点，实现了具体的模拟智能家电设备一智能 灯泡和智能播放器。 另外，由于家庭网络当中存在着众多的设备，因此管理和操作这些家电设备会十分 复杂和繁琐，智能家庭网关的一个重要作用就是解决这个问题，它首先收集每个在线设 备的信息，生成信息家电描述数组，然后根据模版文件生成具体的控制界面。 同时为了解决解决家庭网络中使用不同协议的智能家电的互操作，论文设计了 u p n p b l u e t o o t h 软件桥，u p n p b l u e t o o t h 可以实现u p n p 网络和蓝牙网络之间的设备互 通信。并根据用户操作的方便性和家庭网络的安全性设计和实现了家庭网关。在论文的 最后进行了整个模拟家庭网络的一个测试。 关键词：数字家庭；u p n p ；s d k ；智能家电；家庭网关 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dr e a l i z ed i g i t a lh o m en e t w o r k b a s e do nu p l l p a b s tr a c t d i g i t a lf a m i l yi nt h ef u t u r ew i l lb ef o n n d e do nt h en e t w o r k i t sg o a li st h a ta l lt h e i n f o r m a t i o nd e v i c e sc a l li m p l e m e n ti n t e l l e c t u a li n t e r c o n n e c t i n g w i t ht h eu n i v e r s a l i z a t i o no ft h ed i g i t a ld e v i c e sa n dn e t w o r k , d i g i t a lf a m i l yt e c h n i q u ei s b e c o m i n g t h em a i n - s t r e a mo fm o d e md i g i t a l t e c h n i q u e 1 1 1 ea p p e a r a n c e o fh o m e m i d d l e m i d d l e w a r ew h i c hh a ss h i e l d e dt h ed i f f e r e n c eo fh a r d w a r e ，o sa n db a s i c c o m m u n i c a t i o n sm a k e st h ei n t e l l i g e n c ed e v i c e se a s i e rt oo p e r a t ea n de a s i e rt 0e n t e rh o m e n e t w o r k i nt h et e c h n o l o g i e so fm i d d l e w a r e t h eu p n pi so n eo ft h em o s tu p a n d - c o m i n gt h e m o d e r nd i g i t a lf a m i l yt e c h n i q u e u p n pw h i c hi st h ea b b r e v i a t i o no fu n i v e r s a lp l u ga n dp l a y b e c o m e st h eh o ts p o to fr e s e a r c ha n dg e t ss w e e p i n gs u p p o r t i n g i ti sm o s t l yu s e df o r i m p l e m e n t i n gi n t e l l e c t u a li n t e r c o n n e c e i n gd e v i c e s u s i n gu p l l pp r o t o c o l sd o e s n o tn e e d d e v i c ed r i v i n gp r o g r a m s ，s ot h en e t w o r kb u i l d i n gb a s e do nu p n pi si n d e p e n d e n to fh a r d m e d i u m i tc a nl a i no na l m o s ta l lo p e r a t i n gs y s t e m s a l s o i tc a nb er e a l i z e dw i t hk i n d so f p r o g r a m i n gl a n g u a g e ss u c ha sc c + + a n dj a v a u p n pw i l lm a k ei te a s yt ob u i l dt h e n e t w o r ke n v i r o n m e n tf o rd e v i c e si n t e r c o n n e c t i n gi no f f i c eo rh o m e f i r s t l y , t h i sp a p e re m p h a s i z so nt h eb a s i cp r i n c i p l ea n d r e a l i z a t i o no fu p n pb a s e do nt h e i n t e lu p n ps d l 己d e s i 旺sa n di m p l e m e n t st h eu n i v e r s a lu p n pd e v i c ea n dc o n t r o lp o i n to n w h i c ht h ep a p e ra l s or e a l i z e st w os i m u l a t e di n t e l l i g e n td e v i c e ，n a m e l y ，i n t e l l i g e n tl i g h ta n d i n t e l l i g e n tc d p i a y e rb a s e d s e c o n d l y ，b e c a u s eo f m a n y d e v i c e se x i s t i n gi nh o m en e t w o r k , i ti sd i f f i c u l ta n db o r i n gt o a d m i n i s t r a t ea l lo ft h e s ed e v i c e s s oo n eo fa ni m p o r t a n tr o l e so fh o m eg a t e w a yi st oh a n d l e o u tt h i sp r o b l e m t h eh o m eg a t e w a yf i r s tw i l lg a t h e rt h ed e v i c e si n f o r m a t i o n c r e a t ea d e s c r i p t i o na r r a yf o re a c hd e v i c ea n db u i l dt h ec o n t r o l l i n gw e b i n t e r f a c eb a s e do ni t st e m p l a t e d e v i c ea n dd e s c r i p t i o na r r a y s t os o l v et h ec o o p e r a t i o no f t h ed e v i c e su s i n gd i f f e r e n tp r o t o c o l s ，t h i sp a p e rh a sd e s i g n e d a nu p n p b l u e t o o t hs o f t ：w a r eb r i d g et os o l v et h i sp r o b l e m , w h i c hc a nr e a l i z et h eu p n pd e v i c e a n db l u e t o o t hd e v i c ec o m m u n i c a t i o n m e a n w h i l e ，i no r d e rt oi m p l e m e n tt h ec o n v e n i e n c eo f u s e r s o p e r a t i o na n dt h es e c u r i t yo fh o m en e t w o r k ，t h eh o m eg a t e w a yh a sb e e nd e v i s e da n d r e a l i z e d i nt h ee n d ，t h ew h o l es i m u l a t e dd i g i t a lf a m i l yh a sb e e nt e s t e d k e yw o r d s ：d i g i t a lf a m i 哆；u p n p ；s d k ：i n t e l l i g e n td e v i c e ；h o m eg a t e w a y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 区蕴笙日期：坦f ：生 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：缢壁擎 导师签名 年月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 家庭网络概述 随着信息技术( i d 的飞速发展，尤其是互联网技术的迅速发展，3 c ( 计算机、通信、 家电) 合一的加快，数字化时代已经来临，形式多样的数字化产品正把人们生活的各个 角落融入i n t e m e t 。“信息家电”，如网络电视、网络收音机、数字视频广播传输与接 收系统、网络冰箱、网络d v d 、掌上电脑及智能移动电话等已经开始走入我们的生活。 信息家电是家用电器和个人计算机的融合，是信息( 包括图形，图像，声音等内容) 方面 的特制设备，是为执行音乐、照片、音频或者视频等特定活动而设计的产品，广泛的来 说，一切和i n t e m e t 连接的设备都可以称为信息家电。 家庭网络，又称为数字家庭( d i g i t a lh o m e ) 、电子家庭( e l e c t r o n i ch o m e ) 、网络家居或 者是家庭自动化( h o m ea u t o m a t i o n ) 是指在集成协同环境中把各种计算机、信息家电、照 明能源控制设备和安全报警控制设备等相连接，形成一个多层次统一的网络，实现家庭 资源的共享和管理，以提高人们的生活的质量，使家庭能够变得更舒适、安全和有效。 数字家庭网络【l 】是集计算机( c o l p u t 哪、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 和消费电子( c o n s u m e r ) 技 术于一体的3 c 系统，是后p c 时代i t 业的又一大热点。 实现家庭网络的关键是家庭网络中间件技术和家庭网关的设计。家庭网络中的信息 家电种类繁多，组网方式也多，家庭网络中间件技术首先用以屏蔽信息家电下层的各种 硬件设备和连接技术。在家庭网络中，不能与企业网络一样要求所有人都必须学会使用 网络，因此家庭网络中间件技术必须能够实现各种家庭网络信息设备轻松的接入网络， 且操作简单智能。家庭网关实现在外网用户和家庭网络之间发挥集中转发的功能。另外 用户可以通过i n t e r n e t 访问网关来实现对远程对家庭设备来实现监控。因此，研究家庭 网络中间件技术和设计智能家庭网关，对于解决家庭网络的内部安全、便捷的远程监控， 设备间互联互操作等问题，提高家庭信息化水平有着重要的现实意义。 1 2 家庭网络中间件技术 家庭网络中间件1 2 】与通常所说的中间件并没有本质的区别，同样是为了保证网络不 同硬件与操作系统平台的互操作性，并提供智能化的管理和控制功能。只是它的对象是 家庭网络或s o h o ( t j , 型办公室、家庭办公室) 网络。家庭网络中间件技术是国际上的一 个研究热点，同时也是许多大型厂商关注的焦点。目前从事家庭网络研究的组织有很多， 影响比较大的有i t u - t 、e t s i 、u p n p 论坛、闪联( i g r s ) 、d l n a 等，其他参与家庭 网络标准的组织还有日本的u o p f 、e c h o n e t 、i e e e8 2 0 1i x 、i e t f 、h o m e p n a 、p l c 基于u p n p 的智能家庭网络的研究和实现 等。 微软提出的u p n p l 3 1 ，可实现信息家电之间的对等连接和资源共享，这一方案得到 了i n t e l ，c o m p a q ，c i s c o 等大公司的支持，目前有7 0 0 多家公司加入u p n p 论坛：s u n 公司提出的j i n i 技术，提供了安全地利用j a v a 技术将一组设备集成在一个服务网络中， 使设备之间在任何时候、任何地点都能建立联系；s o n y 等公司提出的h a v i ，提供一套 完整的家庭数字化a v 产品互联互操作的方案。 目前，国内也出现了类似的标准：闪联h ( i n t e l l i g e n t g r o u p i n ga n d r e s o u r c es h a r i n g ， i g r s ) 。基于闪联标准的设备能够自动发现和识别，并且在一定范围内组成网络，让连 接更简单，操作更方便；而且联网的设备可以共享各自拥有的信息资源和功能资源。 此外，当成本、技术或传统因素等阻止与u p n p 连接的媒体或设备运行i p 协议时， u p n p 还可通过桥接方式支持运行非i p 协议的媒体。 1 3 家庭网关的提出 家庭网关是家庭网络与外部网络发生联系得桥梁，也是各种数据进出家庭网络的接 口。外网用户对家庭网络中的信息家电进行远程监控时，必须通过家庭网关进行实现。 家庭网关中自动生成信息家电的控制界面，外网用户只能通过访问家庭网关中的设备控 制界面才能实现间接控制智能家电。这样做的好处有： 首先是降低了家庭网络的成本；因为访问智能家电的时候远程用户必须是合法用 户，所以这就存在着一个身份认证的过程，如果在每个智能家电上做验证的话必然会增 加成本，因此可以直接将身份认证加入家庭网关中，这样只需一次认证就能确定远程用 户的权限。 其次是节省网络通信时间和开销；当远程用户需要访问n 个智能家电时，认证过程 在家庭网关处进行只需要一个认证时间和一个网络通信开销。但是如果把认证放到每个 智能家电当中的话会需要n 倍的认证时间和网络开销，同时会要求这些智能家电较快的 c p u 处理能力，这对于那些小型的嵌入式智能家电如智能手机，智能电灯等来说是不现 实的。 由于每个智能家电需要提供控制、显示的w e b 界面，因此家庭网关必须具有w e b 服务器功能。 另外，由于越来越多的设备加入到家庭网络中来，在这些设备中有基于u p n p 的即 插即用的设备，有用无线传输的数码设备，也有基于蓝牙( b l u e t o o t h ) 的手机设备等，所 有这些设备都可能混杂在同一个家庭网络中来，各种设备间的互联通日益成为迫切的要 求。各种协议都有其可取之处，而在用户看来，最关心的就是如何方便快捷的达到自己 大连理工大学硕士学位论文 的目的。因此，在一个可能存在各种设备各种协议的并存的家庭网络中，家庭网关也就 能够需要同时连接两个甚至多个不同种类的接入技术。 1 4 国内外研究概况及发展趋势 “信息家电”产品是一类新兴的融合计算机技术的家电产品，具有广阔的市场前景， 其技术几年来成为i t 领域中的一个新的亮点。许多国家的i t 业界纷纷展开了对信息家 电的研究，并且取得了不错的成果。 首先是具体的产品： 出现后，已经有厂商尝试应用开发新型应用软件。日本一家新公司“i n t e r n e t n o d e ”， 已试制出具有小型w w w 服务器功能的温度传感器。将该产品连接到互联网了，从远 方可以通过h t t p 访问获取温度传感器所检测到的温度信息。如果将它应用在电冰箱中， 那么商家就可以远程直接获取电冰箱内的温度变化、用户开关电冰箱门的频度，以及故 障情况的信息。这样家电制造商可以通过网络准确、直接、快捷地在大范围内收集出售 设备的使用情况、故障信息，以及工作特性的变化等信息。这大大有利于提供更好的售 后服务和新产品的规划及开始的设计。 i b m 公司推出的一款名为e s u d s 的洗衣系统，专门用于美国大学校园，它将洗衣机 和烘干机与网络相连，这样学生们无论是在宿舍还是在图书馆上网，或是利用手机上网， 都可以登陆专门的网站了解到自己衣服的洗涤情况：诸如是否有空闲的洗衣机是否洗涤 完毕，是否烘干等，新型系统还可以利用电子邮件和手机通知学生衣服的洗涤情况。 e l e c t r o l u x 公司生产了一种新型的智能冰箱s c r e e n f r i d g e 。这台智能冰箱门上装有电 脑、条形码扫描器和显示器，这台网络冰箱与常用的冰箱的最大不同在于冰箱门上安装 了一块触摸屏，能够显示冰箱内的食品数量，当某食品减少到一定程度，智能冰箱就会 提醒主人，并可通过冰箱的网络下单，向网上商场采购，根据冰箱所存的物品，冰箱屏 幕上还能提供菜单。由于采用了g s m 和w a p 技术，通过冰箱还能收听广播、看电视 节目、上网。 另外还有a r i s t o n 公司的智能微波炉、松下公司的变频微波炉、l o n w 0 r k s 的分 体智能空调等多种智能家电产品。 在中国，由于对信息家电的研究起步较晚，具体投入使用的信息家电产品还是很少。 1 5 课题研究内容及安排 本文主要进行下面几个方面的工作： ( 1 ) 本课题主要针对目前国内在智能家庭网络研究相对落后的现状，对具有代表性、 有希望取得成功的家庭网络中间件- u p n p 技术从基本原理到实现机制进行了深刻研究。 基于u p n p 的智能家庭网络的研究和实现 ( 2 ) 设计和实现了家庭网关的认证机制及其在内部u p n p 和其它接入技术的协议转 换，即具体设计了u p n p b l u e t o o t h 桥集成在家庭网关内部实现将蓝牙设备无缝的融合在 以u p n p 设备为主的家庭网络中。实现家庭网关对家庭网络的集中控制和远程访问功能。 ( 3 ) 软件模拟实现u p n p 智能家电照明系统和电子钟表设备。在l i n u x 上实现家庭 网关，并搭建实验平台进行测试。 本论文的章节安排如下： 第一章介绍本课题相关内容、国内外的研究现状、本课题的研究内容以及本论文 的章节安排。 第二章首先分析信息家电平台软件体系结构，然后介绍各种家庭网络中问件的研 究和发展情况。 第三章介绍u p n p 相关内容。首先介绍u p n p 网络的组成，然后介绍它的协议栈及 其所使用的协议，接着介绍u p n p 的工作原理。 第四章研究了u p n p 的实现机制。首先研究了u p n p 设备结构体系，它是一个抽象 的、公用的设备模型，包含六个方面的内容：设备寻址、设备发现、设备描述、设备控 制、设备事件、设备展示。 第五章设计家庭网关。首先设计和实现家庭网关的w e b 模块、认证模块和集中控 制模块；然后根据现在家庭网络最常用的蓝牙设备以及u p n p 设备，设计了家庭网关中 的u p n p b l u e t o o t h 桥模块，以实现由b l u e t o o t h 设备组成的微微网能够顺利地连接到以 u p n p 为主的家庭网络中，并实现家庭网关对这些设备的统一管理。 第六章实现家庭网络设备和家庭网关。 第七章建立测试实验平台。对智能家庭网络进行测试。 最后，总结与展望。总结了本论文的研究成果，并指出以后的研究方向。 4 大连理工大学硕士学位论文 2 家庭网络中间件技术 2 1 信息家电平台软件体系结构 家庭网络连接的对象是来自不同厂商生产的各式各样的信息设备，各种信息设备的 组网方式也是多种多样的，家庭网络属于一个分布式环境，所以信息家电平台软件模型 是分布式对象模型，其总体结构可分为驱动程序层、基本操作系统层、逻辑资源层、中 间件( m i d d l e w a r e ) 和运行环境以及网络应用剧5 1 ，如图2 - 1 所示： 图2 1 信息家电平台软件体系结构 f i g 2 1s o f t w a r es t r u c m r eo f e l e c t r i ca p p l i a n c e 2 1 1 设备驱动程序层 设备驱动程序是根据不同操作系统得设备驱动程序，为应用程序提供透明和规范的 控制机制所采用的软件接口，其实现方式一般在操作系统的核心完成，一方面完成设备 控制寄存器和中断的设置，另一方面完成设备的数据处理和存储空间管理。对于不同的 组网方式，其设备驱动程序是不同的。即使同一种组网方式在不同的处理器与硬件结构 上，编制的设备驱动程序也有所不同，这给编程带来一定的难度。 2 1 2 基本操作系统层 家庭网络中不同信息设备上运行的操作系统可能是不同的，如在p c 机上运行的是 完整的o s ，如w i n d o w s 和l i n u x ，而在机顶盒和m 电话上运行的是嵌入式l i n u x 、p s o s 、 基于i ，p 心的智能家庭网络的研究和实现 o so p e n 、w i n d o w sc e 等嵌入式操作系统。嵌入式操作系统应当完成普通o s 的大部分 功能，如进程管理、线程管理、内存管理、设备管理、文件系统等，如果操作系统的设 备驱动程序是基于文件系统实施的话，文件系统部分就不可缺少。嵌入式操作系统与微 内核是不同的，它是一个完整的操作系统，可以直接为应用程序和上层软件提供核心服 务，应用程序可直接调用其功能。基本操作系统层的调用界面遵循p o s i x 系列标准， 以保证应用程序良好的可移植性。 2 1 3 逻辑资源层 处于这一层的软件均为可选择安装的模块，也可以根据特定的环境来选用。这一层 模块中常用的模块有以下几种： ( 1 ) 文件系统 将文件系统从操作系统中分离出来作为一个单独的模块给用户较大的选择。用户可 以根据兼容性或者其它方面的需要选择不同格式的文件系统，如f a t ，f a t 3 2 、n t f s 、 c d f s 、e x r 2 等。 ( 2 ) t c p i p 模块 t c p i p 协议【6 】是计算机通信的工业标准，是访问i n t c m e t 的基础。 ( 3 ) 界面系统 信息家电的显示设备可以是液晶的的字符显示板，也可以是高分辨率的彩色显示 器，有的甚至不配备显示器。针对这种情况，界面系统也应该是多种形式的，并提供图 形窗口系统、字符窗口系统和行字符系统等。 ( 4 1 中文环境 中文环境主要用来与界面系统配合使用，完成中文的输入、处理和显示。它包括汉 化内核、移植现有的中文字库、移植现有的中文输入法以及汉化重要操作系统的运行库。 2 1 4 中间层运行环境层 中间件庭行环境层是介于网络应用层和操作系统层之间，采用虚拟机的方式为应用 程序提供相对统一的开发和运行环境，便于应用程序的开发和移植。此外，它可插入 p a n t a t k 、j a v a 、h t m l 等解释器，还可管理各厂商制定的连接网络，并将它们映射到统 一的管理网中。 中间件技术是信息家电平台软件的关键环节，u p n p 、j i n i 、h a v i 等家庭网络方案 的技术实质是基于中间件概念来完成应用功能的。目前，o s c r i 服务网关是管理各种网 络设备、集成全部或部分已存在产品的控制机制。 大连理工大学硕士学位论文 2 1 5 网络应用层 网络应用层位于整个软件体系的最上层，是直接面向用户的网络应用的。目前的应 用层以基于j a v a 的应用开发平台为主，其它非j a v a 平台的厂商也正在进行j a v a 应用的 潜入，以便实现众多的网络应用。 2 2 家庭网络中间件 在很多场合我们把家庭网络软件平台叫做家庭网络中间件( h o m en e t w o r k m i d d l e w a r e ) ，与通常所说的中间件并没有本质的区别，同样是为了保证网络中不同硬件 与操作系统平台的互操作性，并提供智能化的管理和控制功能。只是它的对象是家体网 络或s o h o ( d , 型办公室、家庭办公室) 网络，其环境与通常的企业网络环境有很大不同： 企业网络中的计算机品种单一，家庭网络中的信息家电种类繁多；企业网络到目前为止 无需面对无线与有线的选择，但如果网络引入家庭的每个角落，那它的操作一定不能太 复杂。所以家庭家庭网络中间件在屏蔽硬件设备与连接技术的不同之处还有一个重要任 务，那就是使各种家庭网络信息设备更容易接入网络，且操作必须简单、智能，在需要 的时候还能够随时使用。 在o s i ( 开放系统互联) 参考模型中，家庭网络中间件位于七层结构的表示层，即 处于应用层以下。它用来屏蔽底层硬件，使得应用程序可以在具有通用接口的中间件平 台上运行，同时支持各种信息家电之间交互控制信息和媒体内容。为了提高不同系统之 间的互操作能力，涌现出很多家庭网络中间件规范，其中包括o s c d 、u p n p 、h a v i 、j i n i 、 o p e n c a b l e 等。 在这些中间件的规范中，根据设计目的、覆盖范围和出发点不同，可以大致分为两 类：一类是以家庭网关为中心形成的集中式控制的家庭网络中间件规范，如o s c d 、 o p e n c a b l e 等；另一类式分布式控制的家庭网络中间件规范，如u p n p 、j i n i 、h a v i 等， 它们致力于设备与设备之间的自动识别与相互通信，设备间构成的是对等连接。在这些 规范中，许多规范并没有构成直接的竞争，甚至相互借鉴和引用 7 1 。 在通常的家庭网络中，家庭网关的存在一般是必须的，对外它是家庭内部网络的唯 一入口；对内它控制所有的信息家电设备，所有的信息家电以它为中心成星型分布。o s c d 主要针对住宅网关应用层。它可以运行在各种住宅网关设备上，除了那些可以充当住宅 网关的设备，如p c 等，更多情况下会使用一些专门的或定制的网关设备嗍。 与o s g i 相对应的是d v b m h p 和o p e n c a b l e ，不同的是后两者的中间件平台主要 基于机顶盒或数字调制解调器，通过卫星或有线电视网络实现家庭内部网络与外部网的 互联。欧洲的d v b m h p 与美国的o p e n c a b l e 看上去更务实，除了中间件平台，它们还 基于u p n p 的智能家庭网络的研究和实现 提供与之相关的各项数字电视传输标准，所以不像o s g i 那样通用。o s g i 是从互联网 角度提出的，但互联网到目前为止主要寄生在通信网络上，其处理数据的能力较强。而 后两者主要基于广播电视网络，在音视频传输方面有着独特的优势。 在o s g i ，d v b m h p 和o p e n c a b l e 住宅网关的模式下，家庭网络是以集中控制的 形式实现的。它们的定义是自上而下，先从平台的角度出发，再定义具体的接口和服务 的。而u p n p ，h a v i ，j i n i 等则首先提出了设备与设备之间的对等连接，以及设备连 入网络后的自动识别与即插即用。在它们对等传送的思路下，家庭内部网络中的任意两 台信息家电设备之间都可以相互通信，并且可以扩展到i n t e r a c t 。u p n p ， j i n i ，h a v i 是目前解决家庭内部网络的较有影响的协议层规范，世界许多著名i t 厂商已加入这几 个标准中，它们对今后家庭网络的整体应用框架会有较大影响。下面我们重点分析j i n i 技术、h a v i 体系，u p n p 技术将在第三章讨论。 2 3j i l l i 技术 1 9 9 9 年1 月，s u n 公司向业界公布了其技术方案。j i n i 技术1 9 1 是基于j a v a 语言分布 式的对等基础结构，是一种动态自动化机制，它使得任何具有j i n i 功能的设备在任何时 候任何地点连接到网络上而形成一个共享群体，不需要任何人工干预和驱动程序的安 装，一个设备或应用程序和其他服务之间可以对等共享。设备可以动态加入、离开网络 而不影响网络的性能和其他设备。 2 3 1j i n j 体系结构 j i n i 是一种分布式结构体系，其结构如图2 2 所示： j i n i 的体系架构，由基础架构( i n f r a s t r u c t u r e ) 、编程模型( p r o g r a m m i n gm o d e l ) 和服务 f s e r v i c e ) 三部分组成。这三个部分虽有区别但又密不可分，基础结构支持并利用编程模 型：服务内嵌于基础结构之中，服务对象包含并利用编程模型的接口进行服务之间的通 信。 n ) 基础结构 它由构成分布式联合体( f e d e r a t i o n ) 的组件组成，其最小内核为分布式安全系统，发 现、加入协议( d i s c o v e r ya n dj o i n ) 、服务协议和查找服务( 1 0 0 k u ps e r v i c e ) 。分布式安全模 型及其实现定义了软件实体的认证方式及操作权限；发现、加入协议定义了服务加入j i n i 系统的方法：查询服务则是供服务进行注册登记的场所，这里提供了可以使用的服务对象 的集合。 ( 2 ) 编程模型 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 编程模型由下列接口组成：租借接口，定义了基于时间的资源分配和释放方法；事件 和通知接口，它将j a v a b e a n t m 组件所使用的事件模型扩展为分布式事件模型，以支持 j i n i 服务基于事件的通信；事务接口，它引入了一种面向对象的协议，使用“表决”和” 提交”两个阶段来统一对象之间的相关行为，使得一个事件序列要么全部完成要么全都 不发生。 图2 2j i n i 体系结构图 f i g 2 2s m a c t u r eo f j i n i ( 3 ) 服务 服务是j i n i 体系的核心，基础结构和编程模型一起支持服务的提交注册及服务的发 现，服务使用基础结构完成服务之间的相互调用，相互发现并向其他服务发布本服务的 出现。服务在j i n i 环境里以对象的形式出现，它通过接口来定义其提供的可供其他服务 使用的操作和特性。 2 3 2d i n i 工作原理 j i n i 网络是一个分布式动态网络系统，它允许服务随时加入和离开而不需要任何人 工干预。当一个服务连接到网络时，它将使用发现协议( d i s c o v e r y ) 来搜索查找服务( 1 0 0 k u p s e r v i c e ) ，获得响应查找服务的代理接1 ：3 ，然后使用加入协议( j o i n ) 将自己注册到查找服 务之中，这时该服务就可以为其他服务所使用。想要使用其他服务的设备或应用程序首 先与其相邻的查找服务进行连接，这时他可以看到本联合体内所有可用的服务，使用查 找协议( 1 0 0 k u p ) 将所感兴趣的服务的代理接口下载到本地之后就可以和服务提供者进行 直接交互通信。同样当一个查找服务启动时，它也使用发现协议向服务进行广播自己的 出现，以便服务进行注册登记。其过程如下：用发现协议搜索到查询服务，有时若已 预置某个查询服务的u r l 则可直接进行通信；将服务代理( s e r v i e eo b j e a ) x 寸象注册到 9 基于u p n p 的智能家庭网络的研究和实现 查询服务；服务客户将服务对象从查询服务处下载到本地；利用服务对象与服务提 供者直接通信，使用该项服务。 2 4h a v i 体系 h a v i ( h o m ea u d i ov i d e oi n t c r o p e r a b i l i t y ) 1 10 】是s o n y 公司联合日本、欧洲的8 家i t 、 家电企业( 索尼、飞利浦、汤姆逊瓜c a 、日立、松下、夏普、根德和东芝) ，一起策划推 出的面向家庭数字化a v 产品的网络互联规范。该规范建立在i e e e l 3 9 4 的底层协议基 础上，主要实现h a v i 设备之间的数字音频视频内容的传送以及对该内容的操作，如播 放、录像、回放。典型的a v 内容是由数字电视、数字录像机、数字相机、c d 或m d 产生的内容。互操作性是h a v i 标准的主要特点，一个姒v i 设备上的应用软件可以探 测到并使用连入h a v i 网络的其他设备提供的功能。 h a v i 是一个分布式的模块化体系，h a v i 体系结构如图2 3 所示： i na r gv a l u e o t h e r i n a r g s a n d t h e i r v a l u e s g o h e r e , i f a n y 可u ：a c t i o n n a m e 刮：b o d y 刮：e n v e l o p e 在上述格式中所有元素都是必须的。如果该p o s t 请求被 4 0 5m e t h o dn o ta l l o w e d 错误拒绝，控制点得发第二个请求，这个请求使用了m p o s t 方法和m a n 头，格式如 下( 斜体部分为实际值的占位符) ： m p o s t p a t ho f c o n t r o l u r lh t t p 1 1 h o s t ：h o s to f c o n t r o lu r l ：p o r to f c o n t r o lu r l c o n t e n t l e n g t h ：b y d e si nb o d y c o n t e n t t y p e ：t e x t l x m l ；c t m r s e t = ”u f f - 8 ” m a n ：”h t t p s c h e m a s x m i s o a p o r g s o a p e n v e l o p e ；n s = 0 1 s o a p a c t i o n ：”1 1 1 1 1 ：s c h e m a s - u p n p - o r g ：s e r v i c ：s e r v i c e t y p e v # a c t i o n n a m e ” 这个m p o s t 请求的主体部分同p o s t 请求，所有的元素都是必须的。 设备服务收到控制请求后必须在3 0 秒内( 包括传输时间) 调用方法并做出响应，如果 执行一个方法本身就超过了这个时间，那么方法得在未执行完的情况下先返回一个结 果，待执行完时再以事件通知的方式告诉控制点执行结果。如果服务未在规定的时间内 做出响应，控制点该如何做则由控制点应用程序自己决定。服务返回的响应必须遵循下 大连理工大学硕士学位论文 面的格式( 斜体部分为实际值的占位符) ： h t i p 1 12 0 0o k c o n l l i n t l e n g l h ：b y t e s 加b o d y c o n t e n t 1 y p et c x v x m l ；c h a - s c t = - ”u f f - 8 ” d a t e ：w h e nr e s p o n s ew a sg e n e r a t e d e x t ： s e r v e r ：o s v e r s i o nu p n p 1 0 p r o d u c t v e r s i o n q ：e n v e l o p e x m l n s ：s = ”h t t p ：s c h e m a s x m l s o a p o r g s o a p e n v e l o p e s ：e n e o d i n g s t y l e = ”h t t p ：s c h e m a s x m l s o a p o r g s o a p e n e o d i n g ” o u ta r gv a l u e o t h e ro u ta r g sa n dt h e i rv a l u e sg oh e r e ，i t a n y q u ：a c t i o n n a m e r e s p o n s e 叫s ：b o d y 叫s ：e n v e l o p e 在上述格式中所有元素都是必须的。如果服务在执行控制点调用的动作时发生了错 误，服务也必须在3 0 秒内( 包括传输时间) 做出响应。在控制返回响应中的输出a r g u m e n t 参数只能用于传输返回结果，不能用于传输错误信息。错误信息必须以下面的格式进行 响应( 斜体部分为实际值的占位符) ： h 1 i 甲1 15 0 0i n t e r n a ls e r v e re r r o r c o n t e n t l e n g t h ：b y t e si nb o d y c o n t e n t t y p e ：t e x t x m l ；c h a r s e t = - ”u t f - 8 ” d a t e ：w h e nr e s p o n s ew a sg e n e r a t e d e x t ： s e r v e r ：o s v e r s i o n u p n p 1 0 p r o d u c t v e r s i o n s ：c l i e n t u p n p e r r o r 基于u p n p 的智能家庭网络的研究和实现 e r r o rc o d e e r r o rs t r i n g 叫s ：b o d y 叫s ：e n v e l o p e 在上述格式中，d a t e 元素和e r r o r d e s c r i p t i o n 元素未推荐使用，其他元素都是必须的。 4 5 2 状态查询 控制点除了可以对设备进行控制外，还可查询设备服务的状态变量。控制点须向服 务的控制u r l 地址发送一个适当的查询消息，查询消息也以s o a p 方式进行封装，同 动作调用一样，也是先尝试p o s t 请求，格式如下( 斜体部分为实际值的占位符) ： p o s t p a t ho f c o n t r o lu r lh t t p 1 1 h o s t ：h o s to f c o n t r o lu r l ：p o r to f c o n t r o lu r l c o n t e n t - l e n g t h ：b y t e s 加b o d y c o n t e n t _ t y p e ：t e x t x m l ；c b a r s e 卢”u t f - 8 ” s o a p a c t i o n ：”u n l ：s c h e m a s - u p n p o r g ：c o n t r o l - l 一0 # q u e r y s t a t e v a r i a b l e ” q ：e n v e l o p e x n l l i l s - s = ”h t t p ：h s e h e m a s x m l s o a p o r g ，s