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家庭网络设备自发现机制的研究与应用 摘要 论文题目：家庭网络设备自发现机制的研究与应用 专 业：计算机应用技术 硕士生：陈钦 指导教师：罗笑南教授 摘要 随着数字家庭产业的蓬勃发展，家庭网络成为产业发展的前沿阵地。功能日 趋强大和智能化的家庭网关在家庭网络中的作用不再局限于沟通家庭内部网络 和外网，而逐渐演变成为家庭网络的控制中心。但这种具有中心节点的网络体系 结构和设备自发现机制并没有体现在主流标准u p n p 和i g r s 中，为了规范产业发 展，必须研究制定新的标准以体现这一趋势。 本文基于2 0 0 7 年国家科技支撑计划课题家庭网络国家标准研究和制定背 景，研究并设计了有中心节点的家庭网络体系结构模型和有中心节点的家庭网络 设备自发现协议。首先，总结了当前主流技术特点，提出了数字家庭网络体系结 构向网关智能化、通信和控制中心节点化发展的新趋势。其次，设计了基于中心 节点的设备自发现模型和工作流程，综合考虑了设备寻址、设备和服务发现、设 备描述、远程过程调用、事件订阅和服务展示六个方面，并对设备发现进行了数 学评价。再次，设计了基于中心节点的家庭网络设备自发现协议，吸收了u p n p 协议设计的方法，扩展了u p n p 协议并使之向后兼容于u p n p 。设计了设备和服务 的标准x m l 描述文件，对设备描述文件和服务描述文件进行了标准化。最后，通 过扩充u p n p 开源软件实现了基于中心节点的设备自发现机制，并开发了基于中 心节点的网络灯系统。本文工作已经体现在家庭网络国家标准中，基于中心节点 的家庭网络体系结构和设备自发现机制弥补了d l n a 体系结构的不足，在设备和 服务描述文件标准化方面也做出了一定贡献。 关键词：数字家庭网络、数字家庭网络联合、设备自发现机制、中心节点模式、 通用即插即用、设备管理 家庭网络设备自发现机制的研究与应用 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no na u t o - r e c o g n i t i o no f h o m en e t w o r k d e v i c e m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o na n dt e c h n o l o g y n a m e ： q i n c h e n s u p e r v i s o r ：p r o f x i a o n a nl u o a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fd i g i t a lh o m ei n d u s t r y , h o m en e t w o r kh a sb e c o m e t h ef o r e f r o n to f t h ei n d u s t r y , t h ei n c r e a s i n g l yp o w e r f u la n di n t e l l i g e n th o m eg a t e w a yi n h o m en e t w o r ki sn ol o n g e rc o n f i n e dt ot h er o l eo fc o m m u n i c a t i o nw i t h i nt h ef a m i l y n e t w o r ka n de x t e r n a ln e t w o r k s ，i ti sg r a d u a l l ye v o l v e di n t oas m a r th o m en e t w o r k c o n t r o lc e n t e r b u tt h ec e n t r a ln o d eb a s e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dd e v i c e a u t o r e c o g n i t i o n m e c h a n i s ma r en o tr e f l e c t e di nt h em a i n s t r e a ms t a n d a r du p n pa n d i g r s i no r d e rt op r o m o t et h ei n d u s t r y , n e ws t a n d a r d st h a tr e f l e c t e dt h et r e n dm u s tb e d e v e l o p e d b a s e do nt h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f2 0 0 7n a t i o n a ls c i e n c e a n dt e c h n o l o g ys u p p o r tp r o g r a m m es u b j e c t ，h o m en e t w o r ko fn a t i o n a ls t a n d a r d s ，w e r e s e a r c ha n dd e s i g nt h eh o m en e t w o r ka r c h i t e c t u r em o d e lw i t hc e n t r a ln o d ea n dt h e h o m en e t w o r k i n ge q u i p m e n ts e l f - d i s c o v e r yp r o t o c o lw i t hc e n t r a ln o d e f i r s to fa l l , w e s u m m a r i z et h ec u r r e n tm a i n s t r e a mt e c h n o l o g y , p r o p o s et h en e wd e v e l o p m e n tt r e n d f r o md i g i t a lh o m eg a t e w a y si n t e l l i g e n tn e t w o r ka r c h i t e c t u r et oi n t e l l i g e n tg a t e w a y , c o m m u n i c a t i o n sa n dc o n t r o lc e n t r a ln o d e s e c o n d l y , w ed e s i g nt h es e l f - d i s c o v e r y m o d e la n dw o r k f l o wo ft h ed e v i c e sw h i c ha r eb a s e do nt h ec e n t r a ln o d e ，c o n s i d e r i n g s i xp a r t s ：t h ed e v i c ea d d r e s s i n g ，d e v i c ea n ds e r v i c ed i s c o v e r y , d e v i c ed e s c r i p t i o n , r e m o t ep r o c e d u r ec a l l ，e v e n ts u b s c r i p t i o na n ds e r v i c e sd i s p l a y e d a n dt h e nw ec a r r y o u ts o m em a t h e m a t i c a le v a l u a t i o n t h i r d l y , w cd e s i g nt h ec e n t r a ln o d eh o m en e t w o r k d e v i c e sa n ds e r v i c e sd i s c o v e r yp r o t o c o l ，a b s o r ba n dm a k eu s eo ft h ea p p r o a c ho f u p n pp r o t o c 0 1 e x t e n dt h eu p l l pp r o t o c o la n dm a k ei tb a c k w a r d sc o m p a t i b l ew i t h u p n p a n dd e s i g ns t a n d a r dx m ld e s c r i p t i o n so fd e v i c e sa n ds e r v i c e s ，m a k et h e d e v i c ed e s c r i p t i o na n ds e r v i c ed e s c r i p t i o nd o c u m e n t ss t a n d a r d i z e d f i n a l l y , w e 家庭网络设备自发现机制的研究与应用 a b s t r a c t d e v e l o pt h ec e n t r a ln o d ea u t o r e c o g n i t i o nb ye x t e n d i n gt h eo p e ns o u r c es o f t w a r e 矿p 破a n dd e v e l o pt h en e t w o r kl i g h ts y s t e mb yu s i n gt h ec e n t r a ln o d ea u t o r e c o g n i t i o n t h er e s e a r c hi n t h i sp a p e rh a sb e e nr e f l e c t e di nt h en a t i o n a ls t a n d a r d so fh o m e n e t w o r k , t h ec e n t r a ln o d eh o m en e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n da u t o r e c o g n i t i o nm a k eu p t h el a c ko fd l n aa r c h i t e c t u r e ，a n dt h ed e v i c ea n ds e r v i c ed e s c r i p t i o nd o c u m e n t sa l s o m a k e s o m ec o n t r i b u t i o nt os t a n d a r d i z a t i o n k e yw o r d s ：h o m en e t w o r k , d l n ad e v i c ea u t o - r e c o g n i t i o n , c e n t r a ln o d em o d e l ， p l u ga n dp l a y , d e v i c em a n a g e m e n t i i i 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 文不包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 的研究作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。 学位论文作者躲：z 盗垒冬 日期：丑啤业 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者躲何之欠导师虢 日期加产年多月日 日期：沩d 年 勿 嚣日 罗吖 ，n y 窜庭同络设稀自发现机制的研究庸川 第1 章家庭网络设器自发现机4 i 综述 第1 章家庭网络设备自发现机制综述 近年来，随着数字家庭产业的蓬勃发展数字家庭网络成为研究的热点和重 要课题。数字家庭网络是信息技术和智能家电高度融合的具体产物，当家庭中的 各种智能家电和通信终端越来越多，不同设备间信息传递和协同工作越来越频 繁，设备阃自动发现、互联组网和协同工作成为迫需解决的问题。 下文从家庭网络自发现机制的产业背景、标准制定和相关研究课题入手，阐 述了家庭网络自发现机制的产业要求，归纳总结了当前主流技术标准的技术特 点，并提出了数字家庭网络体系结构上发展的新趋势。 1 1 设备自发现机制及其标准研究背景 数字家庭网络。要解决的问题是通过设备自发现机制使家庭设备自j 实现自发 现、智能组网、互操作和资源共享，强调无论在任何地方和任意时刻均可访问任 何一种数字化产品，享受数字化的内容“1 。 圈1 一l3 c 融合在家庭示意图。 罐；i g ；裟g 豁? ：! ：篡8 b a i “d u e 。”纯系缋体系结构”考槿蛳”1 ” l 家庭网络设备自发现机制的研究与应用 第l 章家庭阴络设备白发现机制综述 如图1 - 1 所示，通过制定设备自发现协议标准，计算机、各种智能家电和通 信终端能在有限范围内动态组网。目前，国家已将数字家庭列为重要发展方向并 加大力度推进数字家庭相关的标准化工作。相比于通用即插即用u p n p 、j a v a 智能 网络技术j i n i 、开放服务网关o s g i 、家庭音视频互通技术h a v i 等主流的数字家庭 标准和技术，国家信息产业部科技司批准成立i g r s 闪联标准工作组，开展了类 u p n p 的闪联标准的研究和制定。 2 0 0 5 年，广东省启动数字家庭行动计划，中山大学开始承担部分数字家庭 标准研究制定工作。2 0 0 6 年4 月，中山大学开始起草实现设备间互联、资源共 享和协同服务的广东省地方标准数字家庭互联互通基础规范第1 部分：基础协 议。2 0 0 7 年，中山大学承担数字家庭公共技术支撑平台项目( 广东省关键领 域重点突破项目，项目代号：t c 0 5 8 3 9 3 1 ) ，该项目开发了面向3 c ( 电脑、通信设 备和消费电子) 的融合应用开发、测试验证和调试的仿真平台心1 。 随着家庭网关功能日趋强大和智能化，家庭网关逐渐演变成为家庭网络的智 能控制中心。但这种具有中心节点的网络设备自发现机制并没有体现在i g r s 和 u p n p 中，为了产业的健康发展，必须尽快将有中心节点的家庭网络模式进行标准 化。2 0 0 7 年第五批国家标准计划修订家庭网络国家标准，计划代号 2 0 0 7 9 5 5 5 一t - 4 6 9 ，主要起草单位为国家标准化管理委员会家庭网络国家标准工作 组，中山大学作为本标准项目承担单位之一牵头制定了家庭网络第1 部分：系 统体系结构与参考模型和家庭网络第7 - 1 部分：设备描述文件规范一第l 部分x m l 格式，同时作为参与单位参与制定家庭网络第6 部分：多媒体与 数据网络通信协议规范 等部分。本文作者作为该标准承担单位中山大学的标 准起草人之一，在该国家标准的制定过程中，研究了有中心节点的家庭网络体系 结构、基于中心节点的设备和服务自发现机制以及相关描述文档x m l 文件的标准 化的部分工作。 囝家庭网络第l 部分：系统体系结构与参考模型，该标准由中山大学牵头制定 家庭网络第7 1 部分：设备描述文件规范一第l 部分x m l 格式，该标准由巾山大学牵头制定 家庭网络第6 部分：多媒体与数据网络通信协议规范，该标准是以华南理1 ：大学为牵头单位，索尼、 海尔集团、中国电子技术标准化研究所、诺基业、中山大学、华为、三星电子、聚晖电子、春兰、西门子 等多家国内外知名企业参与研究制定 本文作者主要参与编写家庭网络国家标准家庭网络第1 部分：系统体系结构与参考模型和家庭网 络第7 - 1 部分：设备描述文件规范一第1 部分x m l 格式，对标准家庭网络第6 部分：多媒体与数据 网络通信协议规范等其他部分也进行了研究 2 家庭网络设备自发现机制的研究与应用第l 章家庭网络设箭白发现机制综述 1 2 家庭网络设备自发现技术与标准 家庭网络设备自发现机制用于实现设备间自动识别、自动组网，从而屏蔽硬 件差异，实现资源共享。目前主要的家庭网络标准包括通用即插即用u p n p 、闪联 i g r s 、j a v a 智能网络框架技术j i n i 、家庭音视频互联技术h a v i 和开放服务网关 o s g i n l 。下面重点介绍u p n p 和j i n i 技术。 1 2 1 通用即插即用技术 通用即插即用u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 是端到端的分布式网络体 系，建立在t c p i p 和w e b 技术之上，通过h t t p 协议进行数据传输，能够与现有网 络技术良好兼容。数字生活网络联盟d l n a 体系采用了u p n p 作为中间件技术，是 数字家庭的主流标准之一。图1 - 2 是d l n a 的体系结构图。 实现内容共享与用户体验 实现各种媒体内容编码和识别 实现媒体传输 实现媒体内容识别、分配和管理 实现设备间自发现与控制 实现设备间物理连接与通信 图卜2d l n a 体系结构 u p n p 设备自发现机制的运行过程分为为六个方面：设备寻址、设备发现、设 备描述、设备控制、事件订阅、设备表示 3 - 6 o 设备通过设备寻址过程获得一个 i p 地址，然后设备组播自己的设备和服务信息使控制点发现，控制点通过进一步 获取设备和服务的描述文件获得远程控制、事件订阅以及设备展示的方法，从而 关于d l n a 的详细内容参见d l n a 官方网站，h t t p ：向啊d i n so r g h o m e 圆图i - 2 参考文献 5 图2 4 ，以及标准( o p n p t md e v i c ea r c h i t e c t u r ev e r s i o n1 0 3 家庭网络设备自发现机制的研究与应用第1 章家庭网络设备自发现机制综述 该设备的服务和资源能够被网络中的设备调用。u p n p 的工作流程如图卜3 所示。 图1 - 3u p n p _ t 作流程圆 设备寻址阶段是媒体设备在家庭网络中获得i p 地址的阶段n 7 1 ，u p n p 采用动态 主机配置协议和自动寻址两种方式使新加入的控制点和设备获得i p 地址。获取合 适的i p 地址后，进入设备发现阶段口。1 。新加入的设备通过组播其设备和服务的 基本信息宣告它的存在，网络中的控制点通过监听组播端口可以获得这些基本信 息，从而发现设备。或者，控制点主动向组播端口以多播方式查找感兴趣的设备， 符合搜索条件的设备会单播响应。在设备发现阶段，控制点只获取了设备的基本 信息，包括设备类型、设备描述文件u r l 、设备在线时长等，还不能调用设备的 服务对设备进行控制。在设备描述阶段h 1 ，控制点能够获取设备及其服务的x m l 描述文件，在服务描述文件中包括了服务调用的方法。获取服务描述文件后，则 可对设备进行控制、订阅事件或获取设备表示界面口1 。设备控制是控制点通过 远程过程调用向设备的控$ i j u r l 发送调用方法与调用参数，设备执行该方法实现 控制点调用请求，并返回服务调用后的返回值。事件订阅是控制点向设备事件u r l 发送订阅请求，订阅请求中包括控制点感兴趣的变量，当这些变量发生改变时设 备将向订阅者发送通知，并报告其当前值，通过事件订阅机制控制点能及时获取 设备状态。设备表达是控制点通过h t t p 调用获取设备h t m l 展示页面。设备控制、 事件订阅和设备展示这三个阶段不一定顺序进行。 ( d u p n p 的工作流程在标准( u p n p t md e v i c ea r c h i t e c t u r ev e r s i o n1 o 中有详细阐述 。图卜3 参考文献 6 图2 2 ，以及标准( u p n p d e v i c ea r c h i t e c t u r ev e r s i o n1 o 4 家庭网络设备自发现机制的研究与应用第1 章家庭网络设街自发现机制综述 图卜4 描述- 了u p n p 协议栈体系结构。u p n p 协议通过三个主要的协议圆简单服 务发现协议s s d p 、通用事件通知结构协议g e n a 和简单对象访问协议s o a p 来格式化 消息内容。其中，s s d p 定义宣告、搜索、撤销机制，g e n a 定义发送通知事件的方 法，s o a p 定义使用x m l 和h t t p 的远程过程调用来实现设备控制。 厂一u p n p v 爱磊葫函r 一 1 。+ 。，一。一 一 一一。一 厂一一一一 u p n p 论坛工作委员会定义 l 一 一一j 厂一一一一 一一一一一 u p l l p 设备体系结构定义 s s d p h t t p u ( 设备发现) s o a p ( 设备控制) h t t p ( 设备描述) 夏二 j 型l 二二二二二二蔓堕二二二：二二： 图卜4u p n p 协议栈体系结构 图卜5 描述了设备和控制点间进行交互的协议细节，从协议层面描述了图1 - 3 的设备发现、设备描述、设备控制、事件订阅。 图卜5 设备和控制点间的交互模型 关于u p n p 协议栈结构描述内容参考自标准u p n p t md e v i c ea r c h i t e c t u r ev e r s i o n1 o 宙关于三个主要协议s s d p 、g e n a 、s o a p 的阐述参考标准u p n pd e v i c ea r c h i t e c t u r ev e r s i o n1 - o 图卜4 参考文献 6 图2 2 以及标准 u p n p t md e v i c ea r c h it e c t u r ev e r s i o n1 o 图1 - 5 参考文献 1 1 以及标准u p n 矿d e v i c ea r c h i t e c t u r ev e r s i o n1 o 5 家庭网络设备自发现机制的研究与应用 第1 章家庭网络设备自发现机制综述 如图1 - 5 所示。控制点通过调用s s d p 协议多播方法m - s e a r c h 搜索设备，符合 搜索要求的设备单播响应。控制点从响应消息中获取设备描述文件的u r l ，通过 h t t p 协议的g e t 方法获取设备描述文件，并从该设备描述文件中获得所需服务的 u r l ，类似地再用h t t p g e t 方法获得所需服务的服务描述文件，该描述文件中包 含服务调用的接口信息。通过s o a p 协议封装服务描述文件中的接口信息来对设备 的服务进行远程调用，设备则通过协议中封装的方法来实现调用。控制点通过事 件订阅机制订阅设备或服务状态的变化事件口2 1 3 1 。 1 2 2 闪联标准 闪联i g r s ( i n t e l l i g e n tg r o u p i n ga n dr e s o u r c es h a r i n g ) n 钔是我国自主研 制的数字家庭网络互联互通标准。如图卜6 所示，i g r s 是类u p n p 的协议，同样是 建立在t c p i p 和w e b 网络技术基础之上。 i g r s 应用 1一一一，一 i g r s 应用框架 i g r s 基础协议 lh t t p 1 1 |，。一一一，+一，j t c p 协议 i s 0 i e c8 8 0 2 3 g b15 6 9 2 ，g b15 6 2 9 ，g b11 0 2 - 2 0 0 3 蓝牙核心规范1 ，2 ， 图1 - 6i g r s 体系结构 i g r s 与u p n p 的不同之处 在于i g r s 中增加了设备安全管道通信机制、设备组 管理机制和会话机制，如图1 - 7 所示。设备安全管道通信机制定义了四种安全机 制来保障家庭网络的安全性n 钔。设备组管理机制通过对家庭中的设备进行分组来 加强可控性。会话机制提供服务调用安全性和后续服务访问的支撑环境。客户在 会话建立后可调用服务、查询和获取数据n 卜1 ，服务调用接口通过w e b 服务描述 。图1 - 6 参考文献 5 图4 1 ，文献 1 5 以及i g r s 标准信息技术信息设备资源共享协同服务基础协议 。i g r s 与u p n p 的区别参考文献 1 的1 3 1 节相关内容 6 语言w s d l 1 7 1 定义。 i g r s 设备 客户 功能调用 k 一 ， 一 数据操作 l 一一- 一一 协同调度 一一 一 服务会话管理 一 设备组管理 h 设备发现与资源管理 t c n i p h r 藤谣丽葡r 三二：= 二= = = _ 一_ 二= = = = = 叫堡鸯缉箩墨一j k 塑墨璎与资潭管冒 t c p i p 一二 l i 。，。、。，。j 图卜7i g r s 应用交互示意图。 1 2 3j a v a 智能网络框架技术 j a y a 智能网络框架技术j i n i ( j a v ai n t e l l i g e n tn e t w o r ki n f r a s t r u c t u r e ) n 8 3 是s u n 公司推出的基于j a v a 平台的自动组网技术，j i n i 体系结构如图卜8 所示。 j i n i 通过j a v a 虚拟机实现平台无关性，通过三个基本协议查找协议( l o o k u p ) 、发 现协议( d i s c o v e r y ) 、加入协议( j o i n ) 来获取网络的服务n 8 3 。 图卜8j i n i 体n 结构图 j i n i 的工作原理1 8 。2 1 3 如图卜9 所示。服务提供者( s e r v i c ep r o v i d e r ) 进入网络 后，广播d i s c o v e r y 包，该报文中包含服务提供者的引用。查找服务( l o o k u p 。图卜7 参考文献 5 图4 - 1 ，文献 1 5 以及i g r s 标准信息技术信息设备资源共享防同服务堆础协议 图1 - 8 参考文献 1 4 家庭网络设备自发现机制的研究与应用第l 章家庭网络设备自发现机制综述 s e r v i c e ) 接收至u d i s c o v e r y 包后，通过服务提供者的引用将其接口传递回服务提 供者。服务提供者再利用查找服务的接口将所有特性上载( j o i n ) 到查找服务中， 包括设备类型、服务代理( p r o x y ) 等。客户( c l i e n t ) 进去网络后，同样先通过 d i s c o v e r y 协议获得查找服务的接口，再通过查找协议( l o o k u p ) 找到感兴趣的服 务并将该服务的代理下载到本地。最后，客户通过服务提供者的服务代理就可以 与服务提供者进行通信。j i n i 与u p n p 不同之处在于j i n i 基于j a v a 平台而u p n p 基 于c 的平台，j i n i 基于j a v a 的r m i 实现服务调用而u p n p 基于s o a p ，j i n i 需要注册服 务器实现查找服务来管理网络资源，而u p n p 因为基于端到端的连接而不需要注册 服务器。 图卜9j i n i f l 艮务发现通信示意图 1 2 4 家庭音视频互联技术 家庭音视频互联技术h a v i ( h o m ea u d i o v i d e oi n t e r o p e r a b i l i t y ) 吻1 是索尼 公司牵头制定的家庭网络互联标准，不是基于t c p i p 协议而是建立在i e e e l 3 9 4 基础上，支持实时通信，能保证高质量数字音视频流传输和操作 。 h a v i 体系结构如图1 - 1 0 所示，采用模块化设计。1 3 9 4 通信介质管理器模块 用于实现设备在基于i e e e l 3 9 4 的网络中的通信；消息系统用于在不同设备间传递 消息；事件管理器管理各种事件，描述各种状态的变化；注册中心相当与注册目 录，用来管理网络上的服务信息；流管理器管理实时多媒体的传送；资源管理器 负责资源的共享和分配；设备控制模块d c m 用来控制设备接入网络，功能组件模 。关于j i n i 的详细内容，可参考h t t p ：j a v a s u n c o m p r o d u c t s j i n i 图1 - 9 参考文献 2 1 图2 - 2 关于h a v i 的更多内容，可参考h t t p ：椰h a v i o r g 关于h a v i 各功能模块作用的阐述参考了计算机世界网乇俊杰的i l t m i ：最有家电基础，网址为： h t t p ：删2 c c w c o m c n 0 2 0 2 3 8 b 0 2 3 8 b 5 7 _ 5 a s p 8 家庭网络设备自发现机制的研究与应用第1 章家庭网络设备自发现机制综述 块f c m 提供操作设备的标准化接口，h a v i 对设备的控制实际上是通过功能组件模 块来完成的旺2 2 引。 固 ( 圆 砂 i n t e r o p e r a b i l i t ) r a p i 司 ( d c m ) 9 厂一j 面遗蓓芬赢巍磊 ：兰皇! 堡堡墨竺 二二二：二j 盖毒 1 2 5 开放服务网关标准 图卜1 0h a v i 体系结构图 开放服务网关o s g i ( o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) 口钔又称为j a v a 语言 的动态模块系统，定义了模块化应用开发的基础架构，用于构建远程服务提供商 与本地设备间的端到端解决方案，使得可以在网络上的任何地方管理o s g i 设备上 运行的软件组件的生命周期。图卜1 l 是o s g i 的体系结构图。 厂该忑组俘 厂库缅陌 胚豆厅 lc o r e b u n d l e sl i b r a r yb u n d l e si 组件j 厂 旧 厂 i 篁 l 】 二二二二 磊厕石二二二 f 二二二嵌入式堡佳墨壅二二二 二二二二：二二塑e 二二二二 ml - l lo s g i ) 艮务平台体系结构图 。图1 - 1 0 参考文献 2 2 圆图l - 8 参考文献 2 4 9 一 一管理器 一 资源管理器 一 一 流管理器 一 一 事件管理器 一 一 注册中心 一 门旧_k二一 门旧u口例罔罔引 家庭网络设备自发现帆制的研究与应用第l 章家庭网络设备自发现机制综述 如图i - i l 所示，o s g i 基于j a v a 虚拟机实现平台无关性，在o s g i l 艮务框架层之 上，设备获取服务模块用于安装、更新和卸载远程设备的驱动程序，日志服务模 块提供o s g i 网络环境信息。o s g i i 艮务框架通过对应用程序自安装组件的管理来提 供软件生命周期管理功能，使得设备上的软件具有可扩充性陋副。开放服务网关协 议通过对多个o s g i 的服务包的管理实现设备控制和设备互联互通。 1 3 家庭网络体系结构和发展趋势 家庭网络是指将家庭范畴里的音视频设备、家用电器、信息设备、水电气暖 计量表、照明系统、安防报警求助系统等连接在一起组成的一种局域网，各种终 端设备通过家庭网络实现网络化，能够互联互通，实现各种网络化的管理和服务， 实现资源和服务的共享，组成家庭信息、娱乐、控制的互联系统。 # 备1 1 终端设备i m 管 寥7 备2 l 终端设备2 m j 备n l 终端设备n m 蛩1 - 1 2 家庭网关为中心的家庭网络分层拓扑图 家庭网络采用分层次的网络拓扑结构( 如图i - 9 ) ，分为两个网段：家庭主网 和家庭子网。其中，家庭主网通过家庭网络内部互联主网关与外部网络相连接， 家庭子网通过家庭网络内部互联子网关与家庭主网相连接。家庭主网中的设备可 以互相通信，并通过家庭网络内部互联主网关访问外部网络。家庭子网中的设备 。本定义参考标准2 0 0 7 9 5 5 5 - t 一4 6 9 家庭嘲络第1 部分：系统体系结构与参考模型 圆图卜9 出自。f 标准2 0 0 7 9 5 5 5 - t - 4 6 9 家庭i 】c ) 4 络第1 部分：系统体系结构与参考模型 1 0 豪隆喇崭设备自靛现机制的研完与用 第1 章家庭刚络设备自艘珑机制综进 通过家庭网络内部互联子网关、家庭网络内部互联主网关与外部网络通信。 臼 。n r # # 回7 ，_ ：，蚤 浏 幽卜1 0 数字家庭网黄为中心的家庭网 矿 随着家庭网关功能r 趋强大和智能化，家庭网关将成为家庭网络通信和设备 控制中心。在家庭网络有一个中心控制节点柬进行相关的网络管理和设备管理， 无论家庭网络采用星形网络、总线型网络、还是其它网络拓扑形式，在家庭网络 内部所有的通信都建立在一个中心控制节点和多个节点之间。中心控制节点能够 初始、终止或者路由网络中的通信，成为家庭网络中的主要控制中心。 1 4 论文结构与章节安排 基于该家庭网络国家标准研究和制定背景，本文研究了基于中心节点的家庭 网络体系结构和模型、基于中心节点的设备和服务自发现协议以及相关描述文档 x m l 文件的标准化，这项创新性的工作体现在该国家标准中。本文共分为五章， 章节内容安捧如下： 第1 章综合叙述了家庭网络设备自发现机制，包括自发现机制的研究背景、 家庭网络体系结构和发展趋势、自发现机制的总体要求和相关自发现技术厦其标 准包括u p n p 、i g r s 、j i n i 、h a v i 和o s g i 。 第2 章重点阐述了基于中心节点的家庭网络设备自发现模型的提出和设计。 黼；裟戮器鬈糍翟慧0 统件耥”豺“ l i 童 苍一 家庭网络设备白发现机制的研究与应用 第l 章家庭网络设备自发现机制综述 在对比分析了主流技术u p n p 、i g r s 、j i n i 技术的优缺点的基础上，基于第一章 中对家庭网关成为中心控制点的分析，提出了具有中心节点的家庭网络设备自发 现模型，进而对设备寻址、设备和服务发现机制、设备管理、远程过程调用、事 件订阅和服务展示六个方面进行了分析和研究，并通过定义出设备和服务发现的 数学模型进行了数学分析和评价。 第3 章设计了基于中心节点的家庭网络设备自发现协议，吸收了u p n p 协议 设计的方法，扩展了u p n p 协议并使之向后兼容于u p n p 。设计了各种设备和服务 的标准x m l 描述文件，对设备描述文件和服务描述文件进行了标准化。 第4 章实现了基于中心节点的设备自发现机制，在u p n p 开源软件的基础上 进行扩充，开发出基于中心节点的网络灯系统，并进行了系统测试，验证了本文 机制的正确性和可行性。 第5 章对全文进行了总结，总结了基于中心节点的家庭网络设备自发现机制 的优势和不足，并对将来要进行的研究工作提出新的建议。 1 2 家庭网络设备自发现机制的研究与应用第2 章基予巾心节点的家庭网络设备自发现模型设计 第2 章基于中心节点的家庭网络设备自发现模型 设计 在上一章中，对目前主流的技术进行了归纳总结并指出数字家庭网络体系结 构发展的趋势，即家庭网关功能更加集中和智能化，逐步成为家庭网络通信和控 制的中心节点。但目前主流的u p n p 和j i n i 技术，以及国内的类u p n p 的i g r s 闪 联标准都没有反映基于中心节点的家庭网络自发现体系结构模式，不能适应中心 节点家庭网络。本章在对比分析u p n p 和j i n i 技术的优缺点后，提出具有中心节 点的家庭网络设备自发现模型。 本章首先根据数字家庭网络发展趋势的需求，对u p n p 和j i n i 技术进行对比 分析，针对u p n p 无中心节点网络体系结构上的不足，提出具有中心节点功能的 家庭网络体系结构和模型，进而制定基于中心节点的家庭网络设备自发现模型的 工作流程，综合考虑了设备寻址、设备和服务发现机制、设备管理性和远程过程 调用四个方面。最后，对中心节点自发现模型的性能与u p n p 进行比较分析，通 过数学分析证明有中心节点模式下设备发现准确率、设备发现效率、设备发现时 长和控制点处理消息报文的缓冲区长度均优于无中心节点的u p n p 模式。 2 1 中心节点设备自发现模型的提出 本节内容详细阐述了基于中心节点的家庭网络设备自发现模型的提出过程。 首先，中心节点模式是数字家庭网络的发展趋势，随着家庭网关向集成化和智能 化方向发展，家庭网关将发展成为设备和服务进行自发现、自动组网的控制中心， 这就对当前主流的无中心节点的技术和标准提出了基于中心节点的家庭网络设 备自发现机制的要求；其次，将u p n p 技术和j i n i 技术进行了对比，得出u p n p 技术 比j i n i 技术有更好的发展前景的结论，家庭网络国家标准在u p n p 标准的基础上进 行创新和扩充，同时在标准上弥补d l n a 体系的不足；再次，u p n p 无中心体系结构 的不足是无法通过改进算法来根除的，每一个控制点都直接对根设备进行操作将 1 3 家庭 l 唾络设备自发现机制的研究与应用第2 章基于中心节点的家庭网络设备自发现模型设计 导致大量的响应消息在网络中同时传输，给家庭网络带来高负荷的工作。而中心 节点模式下中心节点作为代理，作为控制点和根设备的桥梁，能够避免重复性工 作，减轻大部分设备的负担。基于此，提出基于中心节点的家庭网络设备自发现 模型。 2 1 1 数字家庭网络发展趋势以及u p n p 和j i n i 的比较 在第一章的1 4 d , 节对家庭网络体系结构的发展趋势和体系结构模型进行了 分析，说明了基于中心节点的家庭网络体系结构这一趋势。另外，相比于j i n i 技术，u p n p 和d l n a 技术更有发展前途砸1 。基于以下几点分析： ( 1 ) 从实现语言来看，u p n p 和实现语言无关，可以用任何编程语言来实现， 而j i n i 必须要基于j a v a 平台来实现。由于j a v a 的运行效率较低，特别对于资源较 低的嵌入式平台，c 系语言优势更明显，所以u p n p 的产品更为广泛。 ( 2 ) 从u p n p 和j i n i 网络的基本成员比较来看，u p n p 以) ( m l 为基本元数据，j i n i 以对象为基本元数据，而x m l 元数据比基于类的对象更简洁，通过查看x m l 文件就 可以知道该设备具有的功能和服务。x m l 是一个开放、健全、有语义的讯息机制， 而h t t p 使用广泛又能避免许多防火墙问题，基于t c p i p 和w e b 技术的分布式开放 型网络体系结构能够与目前的网络更好地结合。 ( 3 ) 从资源要求来看，相比于j i n i ，u p n p 对设备的资源要求较低。 ( 4 ) 从联盟实力来看，d l n a 数字生活网络联盟实力强劲，微软是u p n p 的主要 倡导者和推动者，目前微软己经在w i n d o w sx p 、w i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sm e 版本 上支持u p n p ，i n t e l 在l i n u x 下实现了u p n p ，w i n d o w sm o b i l e 和s y m b i a n 等手机开 发平台上也支持了部分u p n p 的功能。而j i n i 至s 目前为止只有s u n 公司在开发，推 广实力不女h d l n a 。 综上，u p n p 技术l l j i n i 技术前景更为广泛，但是u p n p 技术是无中心节点的体 系结构模式，不适合当前家庭智能网关中心节点的控制机制。下文将分析无中心 节点模式下的缺陷，并因此提出基于中心节点的家庭网络设备自发现机制，从而 顺应数字家庭网络的发展趋势。 2 1 2 通用即插即用协议无中心节点体系结构的不足 在1 3 1 节中简要阐述t d l n a 体系结构和u p n p 设备发现过程。在图卜1 0 中， 图( a ) 表示了以家庭网关为中心的家庭网络体系结构，由于u p n p 是无中心节点的 1 4 家