（计算机系统结构专业论文）基于对等p2p技术的家庭智能网关架构研究与设计.pdf

基于对等p 2 p 技术的 家庭智能网关架构研究与设计 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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过的研究成果，也不包含未获得 洼! 翅遗直基丝盏墨犍型直魉的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。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 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：参挺免馐 签字日期：加f 。年岁月甜日 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，并同意以下 事项： 1 、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 论文被查阅和借阅。 2 、学校可以将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、汇编学位论文。同时授权清华大学“中 国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社 用于出版和编入c n k i 中国知识资源总库， 授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：麦煅 一字：弛穆 签字日期：2 0 t o 年，月蛆日签字日期：扣l 口年，月菇日 基于对等p 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 摘要 家庭智能空间中，具备计算能力、感知能力、执行能力的各类智能设备被安 装在家居空间内的多个位置，使普通的家庭物理空间变成一个可以应用知识表达 和规则推理的智能空间，该空间能为家居环境中的各类实体( 家庭用户或机器) 提供必要的环境信息和技术支持。 与s m a r tc l a s s r o o m 等以往研究的智能空间设备环境相比，家庭空间包含的 设备种类更多、设备间组成的网络结构更为复杂，并且家庭空间内使用的多数设 备不具备计算能力，只能简单的接收控制信号并执行相应操作。家庭智能网关技 术的应用，能实现家庭智能空间彼此间的互联与对家庭智能空间内部环境智能控 制。 在实现家庭智能空间互联方面，本文提出了基于对等网络p 2 p 技术的网络互 联模型。该模型以“小世界 模型和“幂规律为理论基础，对应用于i n t e r a c t 骨干网上的g n u t e l l a 网络模型进行层次化，提出了一种基于家庭智能网关的多层 结构p 2 p 对等网络协议模型s g p 2 p ( s m a r th o m eg a t e w a yb a s e do np 2 p t e c h n o l o g y ) ，并从模型的建立、维护、退出和路由策略几个方面，对s g p 2 p 模 型进行了研究，为家庭智能空间的服务共享提供了实现基础。 在实现家庭智能空间内部的控制方面，本文提出了采用p c 和a r m 系统相 结合的家庭智能网关硬件组成结构_ p c 负责网络融合、编程、输出串口控制 信号ia r m 负责对家庭智能空间设备的控制。在软件结构方面，本文提出将整 个软件架构分为硬件控制模块、信息服务模块、服务共享模块以及c p u 监听模 块四个部分。硬件控制模块，完成对家庭空间内的各种网络的融合和家庭设备的 识别、注册和执行操作。信息服务模块实现用户与家庭空间网络的接口。服务共 享模块通过接口将虚拟化的设备、数据以服务的形式提供给其他用户。c p u 监 听模块通过监视c p u 的利用率，实现在保证家庭网关在提供共享服务的同时， 不影响本地用户家庭智能空间的正常运行的功能。 最后，本文通过计算机组成的局域网，对网络模型s g p 2 p 进行了验证。首 先构建了事件驱动的仿真网络，将网页信息用l u c e n e 引擎包随机分布在初始生 成的多个节点上，采用i s m 路由检索算法对s g p 2 p 模型检索效果进行了验证， i 于s g p 2 p 网络模型的家庭智能网关有更好的信息查询搜索效率。然后， 口识别、控制基于红外协议的空调设备和通过串口远程控制基于x l o 协 明设备两个实验仿真，证明了家庭智能网关对基于不同协议设备的控制能 ：家庭智能空间；家庭智能网关；对等网络；s g p 2 p i i t h er e s e ar c ho ft h ea r c hit e c t u r eo fp 2 p - b a s e d s m ar th o m eg a t e w a y a b s t r a c t i ns m a r th o m es p a c e ，v a r i o u so fk i n d so fs m a r td e v i c e s ，w h i c hh a v et h ea b i l i t i e s t oc o m p u t e ，t op e r c e i v ea n dt oe x e c u t e ，a r ei n s t a l l e di nm a n yp l a c e si nt h er o o mo f s m a r th o m e t h i sm a k e st h e p h y s i c a lh o m es p a c eb e c o m eas m a r ts p a c eu t i l i z i n g k n o w l e d g ee x p r e s s i o na n dr u l eb a s e dr e a s o n i n g t h i ss m a r ts p a c ec a np r o v i d et h e n e c e s s a r yi n f o r m a t i o na n dt e c h n o l o g ys u p p o r t f o rm a n yk i n d so fe n t i t i e ss u c ha s h o m eu s e r sa n dm a c h i n e s c o m p a r e t ot h es m a r tc l a s s r o o ma n do t h e rs m a r ts p a c e ss t u d i e db e f o r e ，t h es m a r t h o m es p a c ei n c l u d e sm o r ek i n d so fd e v i c e sa n dt h es t r u c t u r eo ft h en e t w o r k e s t a b l i s h e db e t w e e nt h e s ed e v i c e sb e c o m e sm o r ec o m p l e x b e s i d e s ，m o s td e v i c e s u s e di nt h eh o m es p a c ec a no n l yr e c e i v es i m p l ec o n t r o ls i g n a la n de x e c u t e c o r r e s p o n d i n g a c t i o nd u et ol a c ko f g r e a tc o m p u t i n ga b i l i t y t om a k e t h ec o n n e c t i o n b e t w e e nt h ei n n e ra n do u t e ro ft h eh o m es p a c e ，s m a r th o m es p a c en e e d sad e v i c e w h i c ha c t s 嬲ai n t e r m e d i a r yt or e a l i z et h ec o n n e c t i o na n ds h a r i n gb e t w e e nd i f f e r e n t s m a r th o m es p a c e s t oi m p l e m e n tt h es m a r tc o n t r o lo fd e v i c e si n t h eh o m es p a c e ，a s t h er e q u i r e m e n to ft h es m a r th o m es p a c e ，t h eh o m en e t w o r ke n v i r o n m e n ts h o u l db e m o n i t o r e di nar e a lt i m e ，d y n a m i ca n di n t e l l i g e n tw a yt oc o r r e s p o n da n da d j u s tt ot h e c h a n g eo ft h es t a t e so ft h eh o m es p a c e b yu t i l i z i n gt h es m a r th o m eg a t e w a y t e c h n o l o g y ，t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts m a r th o m es p a c e sa n dt h ei n t e l l i g e n t c o n t r o lo ft h ei n s i d e ro fh o m es p a c ec a nb ei m p l e m e n t e d c o n s i d e r i n g t h ea s p e c to fc o n n e c t i o no fs m a r th o m es p a c e s ，i nt h i st h e s i s ，a n e t w o r ki n t e r c o n n e c t i o nm o d e lb a s e do np 2 pt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d b yl a y e r i n gt h e g n u t e l l an e t w o r km o d e lw h i c hr u n so nt h ei n t e r a c tb a c k b o n en e t w o r ka n da p p l y i n g t h et h e o r yo f s m a l lw o r l d ”a n d ”p o w e rl a w ，am u l t i l a y e rs t r u c t u r eo fs m a r th o m e g a t e w a yc a l l e ds g p 2 p ( s m a r th o m eg a t e w a yb a s e do np 2 pt e c h n o l o g y ) f u r t h e r m o r e ， s e v e r a la s p e c t so ft h es g p 2 ps u c ha si t sm a k i n gu p ，m a i n t a i n i n g ，e x i s t i n ga n dr o u t i n g p o l i c i e sa r ei n v e s t i g a t e da n d c a nb eu s e da st h eb a s eo fi m p l e m e n t i n gs e r v i c es h a r i n g i b e t w e e nd i f f e r e n ts m a r th o m e s p a c e s c o n s i d e r i n gt h ea s p e c to fc o n t r o lo fi n s i d e ro ft h es m a r th o m es p a c e ，i nt h i st h e s i s ， w e p r o p o s eac o m p o s e dh a r d w a r es t r u c t u r ew h i c hc o n s i s t so fp ca n da r ms y s t e m s p cc a l lr e a l i z et h ei n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tn e t w o r k s ，p r o g r a ma n do u t p u t c o n t r o ls i g n a lt h r o u g hs e r i a lp o r t sw h i l et h ec o n t r o lo fd e v i c e so fs m a r th o m es p a c ei s f i n i s h e db yt h ea r m r e l a t i n gt ot h es o f t w a r ef r a m e w o r k ，t h ef r a m e w o r ki sd i v i d e d i n t of o u rp a r t s ：h a r d w a r ec o n t r o lm o d u l e ，i n f o r m a t i o ns e r v i c em o d u l e ，s e r v i c es h a r i n g m o d u l ea n dc p um o n i t o r i n gm o d u l e t h eh a r d w a r ec o n t r o lm o d u l ec o n n e c t sd i f f e r e n t n e t w o r k si nt h eh o m es p a c ea n di d e n t i f ya n d r e g i s t e rd e v i c e sa n dm a k et h e me x e c u t e t h ei n f o r m a t i o ns e r v i c em o d u l ei m p l e m e n t st h ei n t e r f a c eb e t w e e nu s e ra n dn e t w o r k s i nt h eh o m es p a c e t h es e r v i c es h a r i n gm o d u l ep r o v i d e so t h e ru s e r sv i r t u a l i z e d d e v i c e sa n dd a t ai nt h ef o r mo rs e r v i c e s b ym o n i t o r i n gt h eu s a g eo fc p u ，t h ec p u m o n i t o r i n gm o d u l eg u a r a n t e et h ew e l lp e r f o r m a n c eo fs m a r th o m es p a c ew h i l et h e h o m eg a t e w a yp r o v i d e ss e r v i c e s f i n a l l y , w ej u s t i f yt h es g p 2 pn e t w o r km o d e lt h r o u g ht h el a nc o n s t i t u t e db yp c s f i r s t , w es e tu pa e v e n td r i v e ns t i m u l a t i v en e t w o r k b yr a n d o m l yd i s t r i b u t i n gw e b p a g ei n f o r m a t i o nt om a n yi n i t i a l i z e dn o d e st h r o u g hl u c e n ee n g i n ep a c k e t ，w eu t i l i z e t h ei s mr o u t i n ea l g o r i t h mt oc o m p a r et h ee f f e c to ft h es g p 2 pm o d e lw i t ht h a to ft h e p u r ed i s t r i b u t e dp 2 pm o d e l i ti sp r o v e nt h a ts g p 2 pm o d e lc a nm a k es m a r th o m e g a t e w a y h a sab e t t e re f f o r to fq u e r ya n ds e a r c h b e s i d e s ，b yc a r t i n go u tt h ef o l l o w i n g t w os i m u l a t i v ee x p e r i m e n t ：i d e n t i f y i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ea i rc o n d i t i o nb a s e do n i n f r a r e dr a yp r o t o c o lt h r o u g hs e r i a lp o r t s ，r e m o t e l yc o n t r o l l i n gt h el i g h t i n gd e v i c e s b a s e do nx iop r o t o c o l ，w ej u s t i f yt h a tt h eh o m es p a c eg a t e w a yh a st h ea b i l i t yt o c o n t r o lt h e d e v i c e sb a s e do nd i f f e r e n tp r o t o c o l s k e y w o r d ：s m a r th o m e ，s m a r t h o m eg a t e w a y , p e e r - t o - p e e r , s g p 2 p i v 目录 1 绪论1 1 1 课题研究背景：j 1 1 2 智能空间主要研究2 1 - 2 1 智能空间国外发展现状2 1 2 2 智能空间国内发展现状j 3 1 3 家庭智能空间的研究4 1 4 课题研究内容及意义6 2 关键技术研究9 2 1 p 2 p 技术综述。9 2 2 家庭网络相关协议研究与分析1 0 2 2 1 x - 1 0 协议分析1 1 2 2 2 i r d a 红外数据通讯标准分析1 l 2 2 3 c e b u s 总线协议分析1 2 2 2 4 l o n w o r k s 现场总线技术分析1 3 2 2 5 b l u e t o o t h 协议分析1 3 2 - 2 - 6 h o m e r f 协议分析一1 4 3 家庭智能网关的需求分析1 7 4 家庭智能网关网络结构s g p 2 p 模型的研究与设计2 l 4 1 家庭智能网络外部环境分析。2 l 4 2 p 2 p 网络拓扑结构的选择2 2 4 3 s g p 2 p 模型的设计2 4 4 3 1 s g p 2 p 模型定义2 4 4 3 2 s g p 2 p 模型的建立2 5 4 3 3 s g p 2 p 模型的维护2 6 4 3 4 s g p 2 p 模型节点的退出。2 7 4 3 5 s g p 2 p 模型的路由策略2 8 5 家庭智能网关研究与设计31 5 1 家庭空间内部网络环境分析3 l v 5 2 基于家庭智能网关控制的家电网络体系结构：3 2 5 3 家庭智能网关硬件体系结构3 6 5 4 家庭智能网关软件体系结构3 8 6 家庭智能网关性能验证4 l 6 1 家庭智能网关网络拓扑s g p 2 p 模型的仿真o 4 1 6 2 家庭智能网关基于红外协议对家电网络的控制模拟4 2 6 2 - 1 家庭智能网关对红外设备的识别4 2 6 2 2 家庭智能网关对新设备的添加4 6 6 2 3 网络空调仿真系统设计与仿真。4 6 6 2 4 家庭智能网关的人机接口。4 7 6 3 家庭智能网关基于x 1 0 协议对照明设备的控制模拟：4 8 6 3 1 设备的硬件连接4 9 6 3 2 设备的软件控制4 9 7 总结与展望5 3 参考文献5 5 致谢一5 9 个人简历、在学期间发表的学术论文6 0 v l 基于对等p 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 1 绪论 1 1 课题研究背景 已故的“普适计算之父 x e r o xp a l oa l t o 的首席科学家m a r kw e i s e r i l 】提出计 算应当是人类生活的一部分，就像木料是家具的材料一样，计算机将作为一种基 本需要被用在日常生活、学习和工作的用品之中，普通如家具、铅笔和纸张。在 这样的环境下，计算本身却作为基本原料集成在人们日常生活中。因此可以说， 计算机“消失 了，但“计算无处不在 ，生活以计算元素为依托，网络上的所 有资源都形成了一个无缝的统一的网络计算环境。在这样的环境中，人们可以随 时随地互联，随时随地获取自己想要的信息。 智能空问，它是普适计算的在物理空间上和信息空间上现实化、具体化的应 用实例。美国国家标准和技术学会n i s t 为其做了定义：“一个嵌入了计算、信 息设备和多模态传感器的工作空间，其目的是使位于空间中的用户能非常方便的 访问信息并获得计算服务，从而高效、独立进行工作和与他人的协同工作。【2 】 智能空间应具备的功能和为用户提供的服务包括： 能感知、识别和判断用户及其动作和目的，理解和预测用户在完成任务过程 中的需要。 用户可以无障碍的和各种信息源进行交互。 用户携带的移动设备可以无缝的与智能空间的基础设施交互。 提供丰富的信息显示。 提供对发生在智能空间中的e x p e d e n c e 记录，以便在日后的检索中回放。 提供空间中多人的协同工作及远程用户沉浸式协同工作的能力。 然而，随着“计算 的不断延伸，智能空间的外延不断扩大，资源( 包括信 息、设备等) 将在计算世界中起决定作用。那么如何共享这些资源，或者说以何 种方式吸引拥有资源的的用户贡献资源又不造成贡献者自身的损失，成了学界的 另一个研究热点。“云计算 由此进入了人们的视线。 “云计算 是并行计算( p a r a l l e lc o m p u t i n g ) 、分布式计算( d i s t r i b u t e d c o m p u t i n g ) 和网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 的发展，或者说是这些计算机科学概念的 l 基于对等p 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 商业实现。很多i t 从业者和专家学者从不同角度对云计算进行了定义，本文认 为比较合理是：云计算是一种并行分布式计算系统，通过协议的规定向人们提供 各种服务，它将所有的资源统统虚拟为服务，包括硬件资源和软件资源，通过提 供服务来满足用户需求【3 】。 目前，云计算的商业应用基本上分为三个方向，分别是将基础设施( 计算资 源和存储) 作为服务出租的i a a s ( i n f r a s t r u c t u r e a s a - s e r v i c e ) ，将软件研发的平台 作为一种服务的p a a s ( p l a t f o r m a s a - s e r v i c e ) ，和通过i n t e r n e t 提供软件模式服 务的s a a s ( s o f t w a r e a s a - s e r v i c e ) 。 1 2 智能空问主要研究 自2 0 世纪末起，随着人工智能、机器学习学科领域的迅速发展，以及硬件 设备多元化的发展，智能空间( s m a r th o m e s m a r ts p a c e i n t e l l i g e n ts p a c e ) 的研究 逐步引起人们的兴趣和关注。 智能空间首先是一个嵌入式很高的计算环境。同时，由于随身移动设备的进 入和离开，智能空间又是一个移动性很高的计算环境。因此，综合了计算中间件、 自然人机交互接口、网络多媒体的智能空间环境是普适计算理论研究和技术研发 的试验床【4 】，或者说智能空间环境是普适计算的一个应用实例。 1 2 1 智能空间国外发展现状 目前，国际上对智能空间的研究已十分广泛，各大著名研究机构都已经着手 此领域的开发与实验。如麻省理工学院人工智能实验室( m i t a il a b ) 的i n t e l l i g e n t s p a c e s 1 研究项目。 其中，i n t e l l i g e n ts p a c e 研究项目建立了一个三层的架构，底层的v i s i o n 层负 责跟踪判断用户和他们的行为、动作，通过语境判断用户是自己在房间内还是与 他人一同在房间内；第二层，a g e n t 层向不同的上层应用提供了统一的公共接e l ， 包括w e b 浏览器这样的第三方应用软件；第三层，是i n t e l l i g e n ts p a c e s 研究项目 的应用层，提供了一种空间的特殊应用：位于该房间内的用户，可以根据语音和 手势，向其他成员在墙壁上做演讲，系统会实时的现实该演讲涉及到的图片、演 讲稿和应用演示。一个物理的会议室同时又是一个基于网络的虚拟远程房间的访 2 基于对等f 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 问入口。这样，直接在物体上( 内) 嵌入一定的感知、计算、通信能力，使其同时 具有物理空间和信息空间中的双重用途。 此外，比较著名的还有m i tc s a i l 的a g e n t - b a s e di n t e l l i g e n tr e a c t i v e e n v i r o n m e n t s 6 1 研究项目，m i tm e d i al a b 的k i d sr o o m l 7 1 研究项目、s m a r tr o o m s i s 研究项目，东京大学的i n t e l l i g e n ts p a c c 网研究项目，佐治亚理工大学( g i t ) 的 a w a r eh o m er e s e a r c hi n i t i a t i v e 1 0 1 研究项目，斯坦福大学的i n t e r a c t i v e w o r k s p a c e s 11 1 研究项目，i b m 公司的d r e a ms p a c e 1 2 1 研究项目等。 1 2 2 智能空间国内发展现状 自上世纪9 0 年代末以后，国内很多著名大学和企业相继参与了与智能空间、 普适计算相关的各类项目研究，其中典型代表有s m a r t p l a t f o r m t l 3 1 ，它是清华大 学计算机系人机交互与集成研究所自主开发的智能空间中的模块管理软件平台， 被公认是一种较合适的选择方案。s m a r tp l a t f o r m 主要提出了以服务( s e r v i c e ) 和依赖关系( d e p e n d e n c y ) 的声明来实现只能环境空间中的模块管理功能。清华 大学的另一个研究项目s m a r tc l a s s r o o m 则是国内普适计算、智能空间的实际应 用的代表作。s m a r tc l a s s r o o m 研究项目与i n t e l l i g e n ts p a c e s 研究项目有异曲同工 之妙，一个物理的教室同时又是一个基于网络的虚拟远程课堂的访问入口【1 4 j 。 s m a r tc l a s s r o o m 用视觉跟踪、姿态识别等方法来判断目前教室中的上下文，该 项目已投入清华大学的远程教学实践。 除此之外，在互联网资源管理方面，国内也已经有很多学者和机构在进行研 究，其中，在互联网资源聚合的模型、方法和机制方面，有基于聚类的虚拟计算 环境资源聚合方法【1 5 ，1 6 1 ；在互联网资源的发现和组合方面，有基于回溯树的w e b 服务自动组合方法【1 6 1 7 】；在互联网资源共享和综合利用的质量以及可信模型和技 术方面，有虚拟计算环境中服务行为与质量的一致性【1 8 1 。智能空间主要研究领域 见图1 1 。 3 资 源 层 语 义 层 推 理 层 设 备 层 的定义，参考 基于对等p 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 智能空间的定义，它指将具备计算能力、感知能力、执行能力的各类智能设备安 装在家居空间内的多个位置，使得普通的家庭物理空间变成一个基于知识表达和 规则推理，能够为家居环境中的各类实体( 家庭用户或机器) 提供必要的环境信 息和技术支持的智能空间。 家庭智能空间的架构的两个必要条件： 互联的。家庭网络中的每一台设备都可以借由一个统一的服务或者设备联接 到其他的任何一台设备，联接的协议有多种类型，以任何两台设备间的通信 为目的。 智能控制。该服务或者设备应该能够对家庭网络中的设备进行协调、管理， 包括设备的发现、删除和服务的发现、删除，以及任务的转移等。 结合智能空间的发展历史，本文认为家庭智能空间也将大体上遵循三个阶段 ( 见图1 2 ) 。 图l - 2 家庭智能空间环境发展 第一阶段，主要研究的是独立家庭网络空间内部不同的模块、网络间的通信 和协作方式，利用已有的多a g e n t 系统的研究成果，结合大量传感器等感知模块， 提供优秀的人机交互能力，使家庭内部网络具有服务的透明性特点。 5 基于对等p 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 第二阶段，研究将关注对移动智能设备的识别、发现，以及如何与家庭空间 内已有的在网设备进行通信，固定设备与移动设备间服务的迁移，继而为家庭空 间中活动的人提供无处不在、连续的服务。 最终阶段，当独立的家庭网络空间内部的设备、服务无法满足人的需求时， 如何与其它的家庭智能空间进行通信，借助其它网络内的设备服务用户，将是智 能家庭空间研究的重点。例如，家里的下水道堵塞，用户没有工具，可以通过家 庭智能空间中的视频设备向其他空间的询问，得到肯定答复后，再登门相借。 本文认为与技术比较成熟的s m a r tc l a s s r o o m 等普通智能空间的物理范围相 比，人们对家庭空间的物理范围定义首先就是封闭性、隐私性。因此家庭智能空 间网络对私密性的要求更高，如何建立灵活、自由、安全的网络拓扑结构，是至 关重要的。 目前，国内外对于家庭智能空间的研究处于起步阶段，大部分的研究项目还 停留在融合自动控制技术阶段和家庭内部不同网络间协议解析、通信阶段，以减 少手工干家务活的比例、为人们提供便利、从而全面改变生活方式为目的，特别 针对的是老人和残疾人用户。 1 4 课题研究内容及意义 针对家庭智能空间的发展现状，借鉴已有的智能空间的优秀研究理论和研究 成果，本文根据“空间物理范围和功能的多样性，提出了家庭智能空间发展的 三个阶段，并针对智能家庭空间课题的第三阶段融合独立家庭智能空间阶段 进行研究，着眼于如何实现独立智能家庭空间之间的互联，及使用网络拓扑 结构，并对处于这种网络拓扑结构中的智能家庭网关的控制能力进行测试。 本文通过将独立家庭智能空间有机的连接，对家庭智能空间内部软、硬件资 源的抽象、虚拟，构成了更广泛意义的家庭智能空间。而这种对资源的虚拟，又 满足了云计算平台最本质的需求。从而将家庭智能空间与云计算平台有机融合 ( 见图1 3 ) ，丰富了家庭智能空间的新的应用领域。 6 图1 3 智能家庭空间融入云计算平台 本文主要研究内容和工作如下： 针对家庭网络的特点多种基于不同协议的网络共存且现有设备计算能 力差，提出“家庭智能网关的概念； + 通过对家庭智能网关的需求分析，设计家庭智能网关的体系架构； 通过对p 2 p 技术的研究，设计并模拟适合于家庭智能空间的网络拓扑结构； 在此基础上，实现家庭智能网关间的通信。 通过对家庭网络中典型通信协议的研究，对基于红外协议和x i o 协议设备进 行模拟控制，并针对基于红外控制的网络空调进行仿真。 一 本文的后续篇章结构如下。 - 第二章，主要针对本文研究家庭智能空间的关键技术一家庭智能网关，介 绍了所应用的主要技术。家庭智能网关，对外处于i n t e m e t 网络中负责提供服务 共享；对内处于家庭空间的控制中枢。家庭构成的共享空问的特点是，共享的服 务可能更多的信息而不是设备，这是由家庭空间的基本功能而决定的。而传统的 7 基于对等p 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 客户端服务器结构c s 结构为了满足广义上的资源共享所需要的硬件资源是十 分巨大的，特别是传统c s 架构“中央控制 的性质成为了应用发展的瓶颈。 因此，本文提出在构建家庭智能共享空间时采用基于p 2 p 技术的i n t e m e t 覆盖网 来完成。而在内部空间控制功能上，家庭智能空间的特点是各种网络协议共存。 因此，本章首先总体上概括了p 2 p 技术的特点；然后介绍了目前家庭网络的相关 协议，并针对各自的优缺点进行了分析。 第三章，从总体上分析了家庭智能网关的功能，并确立本文的主要研究内容。 第四章，主要研究了家庭智能网关的网络模型。根据家庭智能网关计算能力 基本相同、家庭智能空间在物理范围分布上有一定的聚集性这一特点，提出了适 合家庭智能空间共享的s g p 2 p ( s m a r t h o m eg a t e w a yp 2 p ) 网络拓扑模型，并从 模型的建立、维护、退出和路由策略几个方面，对s g p 2 p 模型进行了研究与设 计。 第五章，针对家庭智能网关本身的架构和控制能力，分别从硬件体系结构和 软件体系结构两方面进行设计。 第六章，针对本文提出的家庭智能网关模型分别从网络互联和设备控制两方 面进行了仿真验证。 第七章，主要包含了对本文的不总的整理和总结，以及对该课题的的实际应 用价值和前景的展望。 8 基于对等p 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 2 关键技术研究 2 1 p 2 p 技术综述 随着互联网用户的持续增长，对应用服务的需求不断增长。而传统的客户端 服务器结构( 见图2 - 1 ( a ) ) ，即c s ( c l i e n t - s e r v e r ) 结构为了满足这样的需求所 需要的硬件资源是十分巨大的，特别是传统c s 架构“中央控制 的性质成为 了应用发展的瓶颈。对等网络( p r - t o p e e r ，p 2 p ) 技术又重新进入了人们的视线。 p 2 p 技术是一种自组织的对等网络( 见图2 1 ( b ) ( c ) ) ，早在1 9 6 9 年a r p a n e t 网络出现时，就是采用的这种网络。它以共享网络环境中的分布式的资源为目标， 规定了分布式系统的各种基本原则，在“给予 和“索取 间谋求一种平衡，真 正做到对资源的“人人为我，我为人人 【1 9 1 。对等网络中不存在中心服务器的 概念，每台主机既是服务器又是客户端，即既可以向网络中的其他主机请求服务， 相应的也应该为其他主机提供服务。由此可以看出，对等网络中的全部主机处于 对等的地位。下图2 - 1 ( a ) 、( b ) 、( c ) 分别表示典型网络拓扑结构。 c l i e * l t c l i c n t ( a ) c l i e n t - s e r v e r 9 q 智能网关架构研究与设计 p e e r ( b ) h y b r i d p e e r ( c ) p u r e p 2 p 图2 1 典型网络结构n 们 p 2 p 技术在过去的几年内引起了广泛关注，除了作为分布式计算和基于 i n t e m e t 网络电话的工具，在提供文件共享应用领域也广泛应用。在这些应用中， p 2 p 原理基本上被用于分享资源，例如，交换不同的数据，像音乐、文件和程序 等。基于p 2 p 技术的各种应用爆发式的呈现在用户面前，其发展迅速甚至超过 了互联网的发展。 目前各种基于互联网的服务中，基于p 2 p 的服务已经十分普遍，高于5 0 ， 甚至7 5 的互联网流量是由于p 2 p 应用，主要包括流媒体服务、网络电话等。 尽管如此，p 2 p 技术的发展也同样具有新的挑战。例如，建立稳定的、伸缩性强 的分布式系统、具有快速查找的好用的新服务等等。此外，基于分布式的p 2 p 技术，应当尽量做到软件可复用，即只要有需求，新的i n t e m e t 服务应当能够被 快速提供，而无需耗费大量时间来修改代码。 2 2 家庭网络相关协议研究与分析 对于家电网络来说，目前并没有标准化组织出台统一的行业标准。国内外各 著名厂家联盟制定的标准，一般都是基于其优势产品而制定的，各自角度不同j 针对点也各不相同，导致其标准也只是涵盖了某一特定领域。现有的网络实现协 议主要包括x 1 0 、c e b u s 、l o n w o r k s 、b l u e t o o t h 、h o m e r f 、i e e e l 3 9 4 等。 1 0 基于对等p 2 p 技术的家庭智能网关架构研究与设计 2 2 1 x 一1 0 协议分析 x - 1 0 协议是以电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的通信协议，已 广泛应用于住宅仪表数字读取和家用电器控制等方面。x o l 0 系统适用于x - 1 0 发 射设备和多个接收设备之间，有u s b 和r s 2 3 2 串行接口两种形式。虽然它仅 是一种企业规范，但已成为实际上的业内控制标准。 控制命令由1 2 0 h z 、5 v 脉冲串组成，有脉冲表示为“l ，无脉冲则表示为 “0 ”，电源频率过零点同步。每个x - 1 0 数据包总长2 2 b i t ，其中包含有标识符、 房间编码和单元功能编码。其应用在北美使用较广泛，现已开发出基于电力线 路通信的嵌入式芯片、通信组件以及具有电脑接口的组建和相应软件等。此外， 还有通信速率达3 5 0 k b i t s 和2 m b i t s 的产品。 其优点是，x o l 0 是历史最长且使用最简单的一种，它于1 9 7 8 年诞生于美国， 至今仍是美国家庭自动化的主导系统。它直接利用住宅电力线路作为控制总线， 通过电力线路将各控制器与各功能接口器相连并实现程序控制，有利于改变结构 空间，价格也比较低廉。 缺点是，控制方案不是很完善，通信媒体单一，传输效率较低。尤其是在我 国人口分布比较密集的地方，电路线路铺设复杂，信号载波在电力线路中传送时 造成的抗干扰性能不是特别高。 2 2 2 i r d a 红外数据通讯标准分析 红外数据通讯标准是i r d a ( i n l 臣a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 为了规范多种设备能 够通过一个红外接1 3 进行通信和数据交换而发布的关于红外线应用的统一的软、 硬件规范。 红外线是波长在7 5 0 n m 至l m m 之间的电磁波，其频率高于微波而低于可见 光，是一种人的眼眼看不到的光线。目前无线电波和微波已被广泛应用在长距离 的无线通信中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合 应用在需要短距离无线通信场合点对点的直接线数据传输。 红外数据通讯标准网络结构遵循i s o o s i 开放系统互联模型，协议栈包括物 理层、数据链路层、链路管理层以及之上的特定应用领域层。其中物理层协议 ( i r p h y