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王。e 林：家庭网络中间件技术u p n p 的研究与实现 家庭网络中间件技术u p n p 的研究与实现 ( 硕士论文) 学位申请人：王玉林导师：龚天富教授 ( 电子科技大学) 摘要 家庭信息化是信息技术的重要发展方向，信息化家庭是信息社会的基本单 位r 数字化技术的发展加速了各种信息家电的出现，进而提出了互联、互通、 互操作的要求。i n t e r n e t 技术向社会各个方面的渗透也促使家庭从网络的端点 扩展为一个网络，连接各种信息家电，形成家庭网络。家庭网络与人们生活息 息相关，是网络典型的边缘网，单个网络的规模虽小，但在全球网络中所占的 比重很大，到现在已有了很大发展。寸实现家庭网络的关键是家庭网络中间件技 术。世界各著名设备厂商纷纷提出了各自的新技术和解决方案，如微软提出的 u p n p 、s u n 公司提出的j i n i 、s o n y 公司提出的h a v i 、a l c a t e l 等公司提出的o s g i 规范等。研究这些新技术，解决设备间互连、互通、互操作问题，实现设备连 接控制操作简单化、人性化，对加速信息家电的普及，促进家庭网络的发展， 提高家庭信息化水平有着重要的现实意义。 家庭网络中间件主要用以屏蔽信息家电下层的各种硬件设备和连接技术， 为上层应用开发提供统一的接1 ：1 ，并实现信息设备的简单组网、智能控制。u p n p 技术是非常具有代表性的家庭网络中间件撞苤。它建立在t c p i p 协议和w e b 技 术之上，利用了现有的一些网络技术和规范，如】( m l 、s o a p 、g e n a 等，实现了 联网的信息设备间自动组网、自动发现、自动声明、简单信息交换、简单互操 作等功能。本文重点研究了望! 监堇鲞的基本原理和实现机制，提出了一种基于 注册中心的设备发现机制，并编程实现了u p n p 的通用设备模型，最后在该通用 设备模型的基础上实现了一个u p n p 的灯光设备，建立了一个智能家电控制演示 系统。 关键词u p n p ；家庭网裂s o a p ；s s d p ；g e n a 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o m ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi st h ei m p o r t a n tf i e l dw h e r et h ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y w i l la d v a n c e i n f o r m a t i o nh o m ei st h eb a s i cu n i to ft h ei n f o r m a t i o n s o c i e t y t h ed e v e l o p m e n to fd i g i tt e c h n o l o g ya c c e l e r a t e st h ea p p e a r a n c eo f l n f o r m a t i o n a p p l i a n c e s ，w h i c h d e m a n dc o n n e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n d c o o p e r a t i o na m o n gt h e m i n t e r n e tt e c h n o l o g ya d v a n c e m e n tm a k e sh o m e a n e t w o r kf r o man e t w o r k j o i n t ，w h i c hi sn a m e d h o m en e t w o r ka n dc o n n e c t sa l l s o r t so fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e s h o m en e t w o r ki sc l o s et op e o p l el i f e ，a n di ti s a t y p i c a le d g en e t w o r k a l t h o u g h t h es c a l eo f s i n g l eh o m e n e t w o r ki ss m a l l ，t h e t o t a lh o m en e t w o r kh a sal a r g ep e r c e n t a g ei ng l o b a l h o m en e t w o r kh a sm a d e m u c h p r o g r e s sn o w t h ek e y o fh o m en e t w o r kr e a l i z a t i o ni st h eh o m en e t w o r k m i d d l e w a r et e c h n o l o g y m a n yf a m o u si n f o r m a t i o nd e v i c ec o r p o r a t i o n sh a v e p r o v i d e dt h e i ro w n n e w t e c h n o l o g y a n dn e wm e a n st or e s o l v ei t ，f o re x a m p l e ， m i c r o s o f tc o r p h a sp r o v i d e du p n p ，s u nc o r p h a sp r o v i d e dj i n i 。s o n yc o r p h a sp r o v i d e dh a v i ，a l c a t e lc o r p h a sp r o v i d e do s g i i tw i l l p l a yeg r e a t r e a l i s t i cr o l ei n i m p r o v i n gh o m ei n f o r m a t i o n l e v e lt or e s e a r c ht h e s en e w t e c h n o l o g i e s ，t o r e s o l v et h e p r o b l e mo fc o n n e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n d c o o p e r a t i o na m o n g i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ，a n dt or e a l i z es i m p l ec o n n e c t i o n a n d s i m p l ec o n t r 0 1 t h e y w i l la c c e l e r a t et h e p o p u l a r i t y o fi n f o r m a t i o n a p p l i a n c e sa n d t h ea d v a n c e m e n to fh o m en e t w o r k h o m en e t w o r km i d d l e w a r ei sd e s i g n e dt om a k et h ea p p l i c a t i o no nh i g h e r l a y e ri n d e p e n d e n t o f a n yh a r d w a r ea n dn e t w o r kt e c h n o l o g yo n t h el o w e rl a y e r o fi n f o r m a t i o n a p p l i a n c e s a n dt op r o v i d eau n i v e r s a la p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c ef o rt h ea p p l i c a t i o no nt h e h i g h e rl a y e r 。a n d t or e a l i z e s i m p l e c o n n e c t i o na n di n t e l l i g e n tc o n t r o la m o n gi n f o r m a t i o nd e v i c e s t h eu p n p t e c h n o l o g y i st y p i c a li na l lh o m en e t w o r km i d d l e w a r e t e c h n o l o g i e s i tb a s e s o n t c p i pp r o t o c o l sa n dw e b t e c h n o l o g y ，m a k e su s eo fs o m ee x i s t i n gn e t w o r k t e c h n o l o g i e sa n dp r o t o c o l s ，s u c ha sx m l ，s o a p ，g e n aa n ds oo n w i t h u p n p ，ad e v i c ec a n d y n a m i c a l l yj o i nan e t w o r k ，o b t a i na ni pa d d r e s s 。c o n v e y 王玉林：家程网络中间件技术u p n p 的研究与实现 i t s c a p a b i l i t i e s a n dl e a r na b o u tt h e p r e s e n c e a n dc a p a b i l i t i e so f o t h e r d e v i c e s 一一a a u t o m a t i c a l l y a n dad e v i c ew i t hu p n pc a nc o m m u n i c a t e w i t h o t h e rd e v i c e sa n dc o n t r o lo t h e rd e v i c e s s i m p l y t h i sp a p e re m p h a s i z e s o nt h e b a s i cp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o np r i n c i p l eo fu p n p 。a n dp r o v i d e san e wd e v i c e d i s c o v e r yp r i n c i p l ew i t hr e g i s t r a t i o nc e n t e r ，a n dr e a l i z e s a g e n e r i cd e v i c e m o d e lo fu p n pb yp r o g r a m m i n g a nu p n pe n a b l e dl i g h td e v i c ei sd e s i g n e d b a s e do nt h eg e n e r i cd e v i c em o d e l ，a n da ne x p e r i m e n t a lc o n t r o ls y s t e mo f i n t e l l i g e n ta p p l i a n c e i se s t a b l i s h e di nt h ee n d k e y w o r d s ：u p n p 。h o m en e t w o r k ，s o a p 。s s d p ，g e n a l i i 独创性声明 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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 另玉前0 日期： 年 月相 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：立坠垫导师签名： 碳* 痨 日期：卫柙；年月t 7 日 电子科技大学硕：学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着计算机普及和通信技术发展，人们的家居生活越来越明显地印上了“网 络”的烙印，最突出的表现就是，家电开始走向数字化、网络化，成为了新型 的“信息家电”( i n f o r m a t i o na p p l l a n c e ，i a ) 。信息家电是家用电器和个人计 算机的融合，是信息( 包括知识、文献、图形、图像、电视或声音) 方面的特 制器具，是为执行音乐、照片或文字等特定活动而设计的器具，其含义极其广 泛，可以说一切和i n t e r n e t 连接的设备都可以称为信息家电。信息家电的显著 特征是它们之间能共享信息。i n t e r n e t 技术向社会各个层面的渗透也促使家庭 从网络的端点扩展为一个网络，连接各种信息家电，形成了一种新型的网络 一家庭网络( h o m en e t w o r k ) 。 家庭网络，是指在集成协同环境中把各种计算机、信息家电、度量表、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，以提高人们生活的质量，使家庭能够变得更舒适、 安全和有效。家庭网络的组网方式根据设计目的不同可以分为两部分：外部网 络接入和内部网络连接。外部网络接入主要解决家庭网络与社区网络的连接问 题。目前将家庭网络接入社区网络的外部网络( 即最后公里接入) 解决方案 有f t t h 、x d s l 、h f c 等方案。家庭网络内部联网方式，是家庭网络快速发展中 急需统一规范的一个方面，主要分两大类，一类是有线方式，一类是无线方式。 有线方式包括：电话线、计算机外部总线u s b 和i e e e l 3 9 4 、电力线和同轴电缆 等，其典型代表为电话线、i e e e l 3 9 4 和电力线。无线方式包括蓝牙技术、i r d a 、 h o m e r f 和i e e e 8 0 2 1 1 等，其典型代表为蓝牙技术和h o m e r f 。 家庭网络与人们生活息息相关，是网络典型的边缘网，单个网络的规模虽 小，但在全球网络中所占的比重很大，到现在已有很大发展。据最近报道，美 国家庭联网市场火爆，一个简单的家庭网络通过现有的电话线就可实现，近几 年，这类以电话线为基础的产品已大量上市，传输速率最低的是1 兆，如i n t e l 公司的a n y p o i n t ，帝盟的“h o m e f r e e 套餐”，n e t g e a r 的家庭联网套装设备， 3 c o m 的h o m e c o n n e c t ，后三种产品的连接速率是1 0 兆，但这些典型的家庭网络 产品实际上都是小型局域网的变种，目标是家庭多台p c 互联及共享i n t e r n e t 出口。在国内也出现了一些致力于家庭网络技术的研究和推广的企业，如北京 易居时空科技发展有限公司( 清华创业园的入园企业) 、深圳正星特科技有限公 司、西南交大科技实业有限公司等，但国内家庭网络的发展较慢，到目前为止， 在家庭里拥有多台p c 的情况还不多见。 实现家庭网络的关键是家庭网络中间件技术。家庭网络中的信息家电种类 繁多，组网方式如上所述也多，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，所以家庭网络中间件还有一个重要任务，那就是使各种 家庭网络信息设备更容易接入网络，且操作简单、智能，在需要的时候还能够 随时使用。研究家庭网络中间件技术，解决设备间互联、互通、互操作问题， 实现设备连接控制操作简单化、智能化，对加速信息家电的普及，促进家庭网 络的发展，提高家庭信息化水平有着重要的现实意义。 王巨林： 家庭网络中间件技术u p n p 的研究与实现 1 2 该课题国内外研究现状 家庭网络中间件技术是国际上的一个研究热点，也是许多大型厂商关注的 焦点。世界各著名计算机厂商和通信设备厂商纷纷提出各自的新技术和解决方 案。如微软提出的u p n p ，用于信息家电之间进行方便的对等连接和资源共享， 这一”简单家庭网络”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；s u n 公司提出j i m 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。u p n p 、j i n i 、h a v i 这类技术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。另外还有一些机构提出了以住宅网关为中心形成的集中式控制的家庭网 络中间件，如o s g i 、d v b m h p 、o p e n c a b l e 等。这些技术或规范的研究和发展状 况将在第二章中进行详尽的介绍。 国内对家庭网络中间件技术的研究相对落后，到目前为止，还没有哪个机 构有能力做到定义自己的规范。国内的很多厂商或研究机构目前的进展是在国 外的一些标准、规范和协议之上，搭建自己的家庭网络，很少对这些技术、协 议、规范本身进行深刻的研究。甚至一些不遵循国外中间件标准的厂商和机构， 很多是按照项目的思路去开发设备的软件平台，并没有形成软件框架与规范的 定义。在各种家庭网络中间件技术当中，国内对j i m 技术的研究相对较多，但 对其他技术研究相对较少，尤其是对在所有中间件技术中有希望取得成功的 u p n p 技术研究很少。关于u p n p 技术的基本原理、实现机制、实现方法研究的 文章，尤其是基于注册中心的设备发现机制，在国内刊物上还未见公开发表。 1 3 课题研究内容及章节安排 本课题主要针对国内在家庭网络中间件技术研究相对落后的现状，对具有 代表性、有希望取得成功的u p n p 技术从基本原理、实现机制、实现方法等方面 进行了深刻研究，提出了一种基于注册中心的设备发现机制，实现了u p n p 的通 用设备模型，并在该通用设备模型的基础上建立了一个智能家电控制演示系统。 本论文首先分析了信息家电平台软件体系结构，介绍了各种家庭网络中间件技 术的研究和发展状况，从基本原理上分析了两种对等连接的家庭网络中间件技 术：j i n i 和h a v i ，然后从核心概念、体系结构、工作过程等方面分析了u p n p 的基本原理，重点研究了u p n p 的实现机制，提出了一种基于注册中心的设备发 现机制，并编程实现了u p n p 的通用设备模型，最后在该通用设备模型的基础上 实现了一个u p n p 的灯光设备，建立了一个智能家电控制演示系统。 本论文的章节安排如下： 第一章介绍本课题的研究背景、国内外研究的现状、本课题的研究内容 以及本论文的章节安排。 第二章首先分析了信息家电平台软件体系结构，介绍了各种家庭网络中 间件技术的研究和发展状况，从基本原理上分析了两种对等连接的家庭网络中 间件技术：j i n i 和h a v i 。 第三章主要分析了u p n p 的基本原理。首先探讨了u p n p 的两个基本特点： 即插即用、通用，简单介绍了u p n p 论坛情况、u p n p 网络的组成、u p n p 的关键 电子科技大学硕士学位论文 术语，重点讲述了u p n p 的三个核心概念：设备、服务、控制点，详细分析了 u p n p 协议栈及其所用的协议，最后简单阐述了u p n p 的工作过程。 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、设备表达。然后对这六个方面的实现机制进 行了深入的研究。最后提出了一种基于注册中心的设备实现机制。 第五章设计和实现了一个抽象的、公用的u p n p 设备模型。首先介绍了设 计目标、总的工作流程，然后对设备发现、设备描述解析、设备控制及设备事 件四个模块进行了详细的设计和实现。 第六章在上章实现的抽象的、公用的设备模型基础上实现了一个u p n p 的 灯光设备，建立了一个智能家电控制演示系统。首先分析了演示目标，然后实 现了灯关设备的描述文档、设备控制接口、设备表达界面，最后建立了一个演 示环境。 最后，总结与展望。总结了本论文的研究成果，对u p n p 的应用前景进行了 预测，并指出了以后的研究方向。 王玉林： 家庭嘲络中问件技术u p n p 的研究与实现 第2 章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家生产的各式各样的信息设备，各信息 设备的组网方式如上章所讲也是多种多样的，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 层，如图2 - 1 所示： 【嘲涤镯赛黼膏 i 如翻b 叠籀颡省弩及 m 、甲，：环氍l如嵌瓣釜翌喜蠡、l 0 s o，hi4dw#ce、q麒l 。孥键寰曼。 j 1twillhm?k吃力啦崎 图2 一l 信息家电平台软件体系结构 2 1 1 设备驱动程序层 设备驱动程序层是根据不同操作系统的设备驱动规则，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，方面完成相应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。对不同的组网方式，如i e e e l 3 9 4 、b l u e t o o t h 、s w a p 、 h o m e p n a ，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0 s ，而在家庭网关、机顶盒、i p 电话上运行的是嵌入式l i n u x 、 p s o s 、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。 电子科技大学硕士学位论文 这一层中常用的模块有以下几种： ( 1 ) 文件系统将文件系统从基本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其他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 等。 ( 2 ) t c p i p 模块t c p i p 协议是计算机通信的工业标准，是访问i n t e r n e t 的基础，也是管理j a v a 设备的前提，该模块般是必需的。 ( 3 ) 界面系统信息家电的显示设备可以是液晶的字符显示板，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 ) 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 中间件运行环境层 中间件运行环境层是介予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 l 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 g 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。该服务网关采 用已有的j a v a 标准，并集成其他非j a v a 标准的家庭网络协议，将这些设备连 接到中心管理系统，为服务商提供网关和服务的接入 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，其他非j a v a 平台的厂商也正 在进行j a v a 应用的嵌入，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 它的对象是家庭网络或s o b o ( 小型办公室、家庭办公室) 暗络，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抉择，反而可以 兼收并蓄；企业网络的操作复杂一点没关系，因为不是要求所有员工都必须学 会上网，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 家庭网络中间件在屏蔽硬件设备与连接技术的不同之外还有一个重要任务，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，家庭网络中闯件处于七层结构的表示 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 王玉林： 家庭网络中间件技术u p n p 的研究与实现 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，涌现出有很多家庭网络中间件规范， 其中包括o s g i 、u p n p 、h a v i 、j i n i 、o p e n c a b l e 、d v b m h p 、v e s a 、s a l u t a t i o n 、 j e t s e n d 等。 在这些中间件规范中，根据设计目的、覆盖范围和出发点不同，可以大致 分为两类：一类是以住宅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 g i 、d v b m h p 、o p e n c a b l e 等；另一类是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 、s a l u t a t i o n 、j e t s e n d 等，他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。在这些规范当申，许多规 范并没有构成赢接的竞争，甚至可以相互借鉴和引用。 在通常的家庭网络中，住宅网关的存在是不可避免的，对外它是家庭内部 网络的惟一入口；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 心成星形分布。o s g i 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，因为引进住宅网关的重要原因之一就是网关设备的价 格比p c 低。在没有p c 的情况下，同样可以通过各种网关设备搭建家庭网络。 如果有p c ，p c 就成为与其他信息家电一样的网络终端。 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 ，不屁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 - 姗i p 与美国的o p e a b l e 看上去更务实，除了 中间件平台，它们还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 么通用。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问都可以相互通信，并且可以扩展 到i n t e r n e 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。下面我们就重点分析j i n i 技术、b a v i 体系，u p n p 技 术留在后面几章讨论。 2 3j i n i 技术 1 9 9 9 年1 月，s 嘣公司向业界公布了其技术方案j i n i 技术是基于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秘，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事群体，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、离开网络丽不影响网络的性能和其他设备。 2 3 1j j n i 体系结构 j i n i 是一种分布式结构体系。其结构图如下： 电子科技大学硕士学位论文 网络一e 回 j 8 蕾 找 l i 搜现加入 i j a v a il j a v a i | l a v a l u n i x j i l i n u x l i * i n d 。w si s 口a r 。i ip o w e r p ci i x 8 6 l 厂五订 聂剥 臣劐 图2 - 2j i n i 体系结构图 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 g m o d e l ) 和服务( 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。 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。 编程模型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。 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 2j 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 ps e r v i c e ) ，获得相应查找服务的代理接口，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。以上过程可以用图2 - 3 进行形象的描述：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 c eo b j e c t ) 对象注册到查询服务；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。 兰五林：家庭网络中间件技术u p n p 的研究与实现 2 4h a v i 体系 事乍 亘国 图2 - 3j i n i 工作原理图 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 ) 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r 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 或帅产生的内容。互操作性是h a v i 标准的 主要特点，一个h a 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 - 4 所示。 圉囡国圉圈 二二：二二 亟要垂垂：二二二二二 二基墅匝互雯堕匣二 t = = = 竺! 霸夏磊吞萧= ! = = 广- 平凯” i平台( 捕作蒹坑)l 图2 - 4h a v i 体系结构图 通信介质管理器( c o m m u n i c a t i o n sm e d i am a n a g e r )该模块允许相应设 备在基于i e e e1 3 9 4 的家庭网络中进行通信。 消息系统( m e s s a g i n gs y s t e m )负责在不同的设备之间传递消息。 事件管理器( e v e n tm a n a g e r )管理各种事件，描述各种状态的变化。 注册中心( r e g i s t r y )其作用相当于一个服务目录。每个服务以对象的 形式出现，每个对象可以在网络中查找另一个对象。 流管理器( s t r e a mm a n a g e r )管理实时多媒体的传送。 d c m f c md c m ( 设备控制模块，d e v i c ec o n t r o lm o d u l e ) 为网络应用提供 针对物理设备的接口；f c m ( 功能部件模块，f u n c t i o n a lc o m p o n e n tm o d u l e ) 代表设备能提供的功能，如调谐器、v c r 、相机、a v 磁盘、功放、a v 播放器、 调制解调器、w e b 代理等。 一 m 写 暑 电子科技大学硕士学位论文 资源管理器( r e s o u r c em a n a g e r )负责资源的共享和分配。 h a v l e t 即h a v i 提供的应用程序，根据不同的家庭网络环境，需要提供一 些专有的应用，从而提供控制设备的用户接口。 在h a v i 网络中，至少有一台设备被指定为注册中心，当网络中有设备加入 撒出或从一个房间移至另一个房间，注册中心能自动登记何种设备在何处、能 完成什么任务等相关信息，并能根据设备状态的变化自动更新注册信息。h a v i 不为设备提供固定的数据格式，而是提供一种途径描述数据流格式，并提供格 式转换功能，因此不同的设备可采用不同的数据格式描述。 h a v i 采用了模块化设计，每台设备可以安装不同的软件模块，根据所安装 的模块，h a v i 定义了四种设备类型：完全a v 设备、中间a v 设备、基本a v 设备和逻辑a v 设备。其中完全a v 设备提供h a v i 体系结构中的所有软件组件； 中间a v 设备提供的软件功能比完全a v 设备少，可以用傲h a v i 设备控制器， 在自己提供服务的同时能够控制其他设备；基本a v 设备和逻辑a v 设备都不 能管理其他设备，而只能被h a v i 网络管理和控制，这两者的区别在于基本a v 设备包含d c m 模块。 每种应用软件都有符合h a v i 规范的a p i s ，通过传递消息，一个h a v i 设备 的软件可以成为另一个软件的a p i s 。h a v i 消息机制可以确保消息正确地传递给 目标软件，目标软件根据a p i s 的定义执行对应的功能。如果一个卧v i 设备的 软件在另一个设备上，消息机制可以负责将消息通过h a v i 网络传递给那个设备 上的对等消息机制，然后由其转发给目标软件，该过程对应用软件来说是透明 的。几个应用软件可以同时在h a v i 设备上执行。h a v i 定义了一个强大的资源 管理机制，它可以在几个不同的应用软件试图控制同一个d c m 时，处理可能发 生的冲突，资源管理机制允许共享设备，至于能否共享取决于设备本身。 h a v i 的信息管理机制负责对网络中实时a v 数据流的传送进行初始化和终止 运行，它依赖于其他的标准( 如i e c6 1 8 8 3 ) 来定义h a v i 网络中传送这些内容 的方式。h a v i 还定义了相应的a p i s 来控制该内容的播放，比如调节电视中的 亮度或功放机的音量，h a v i 通过定义一个“转换d c m ”，来支持多种内容格式， 如m p e g 、d v 、a c 3 、h t m l 、g i f 、j p e g 等。当使用相应的a p i s 时，h a v i 设备可 以使信息流通过该设备并使其能转换成正确格式。 h a v i 定义了应用软件和d c m 的j a v a 编程环境，使用j a v a ，可以保证应用 软件和d c m 运行在提供了该类环境的任何品牌的h a v i 设备上。并不是所有的 h a v i 设备都提供j a v a 编程环境，h a v i 定义了两种类型的设备： i a v s ( i n t e r m e d i a t ea vd e v i c e s ) 和f a v s ( f u l la vd e v i c e s ) ，后者可以使用j a v a 编程环境，而前者只能使用自己的应用软件。 h a v i 体系充分利用i e e e l 3 9 4 作为传输媒介，而没有选择i p 作为h a y i 协议 中的网络协议。旦i e f t ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 完成了i p 数据 在i e e e l 3 9 4 上传输的规范，h a v i 就可以通过信息流管理机制处理它们，就如 同现在h a v i 通过i e e e l 3 9 4 处理m p e g 信息流一样。为了使家庭中任何h a v i 设 备都可以访问i n t e r n e t ，而无需自己的i p 栈，h a v i 定义了一个特殊的w e b a c c e s sa p i s ，任何有i p 栈的h a v i 设备，如p c 或网络电视，均可实现该a p i s 。 通过该a p i s ，i n t e r n e t 的协议均可被捕获并被传递到没有i p 栈的h a v i 设备上。 王玉林： 家庭网络中间件技术u p n p 的研究与实现 2 5 本章小结 本章主要介绍了家庭网络中间件技术。首先分析了信息家电平台软件体系结 构，简单介绍了该结构中的各层的功能，然后介绍了各种家庭网络中间件技术 的研究和发展状况，根据出发点和设计目的的不同，存在两类技术规范：一类 是以住宅网关为中心的集中式控制的，；另一类是分布式控制的，形成的是对等 网络连接。最后从基本原理上重点分析了两种对等连接的家庭网络中间件技术： j i m 和h a v i 。j i n i 技术是由s u n 公司提出的，是基于j a v a 语言的分布式的对 等基础结构，由