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摘要 随着数字化和智能化的家用电器和数码设备的迅速发展以及家庭网络技术 | = 1 益成熟，数字家庭得到了越来越多的关注。另一方面，实现设备智能互联互通 的u p o ( 通用即插即用) 技术的出现为数字家庭的实现提供了强大的支持。u p n p 技术为数字家庭提供了设备发现、配霞和控制等基本功能，然而要真正实现数字 化家庭理念还需要设计覆盖不同应用场景的智能框架。 本论文的研究工作是在数字家庭理念的基础上进行的，主要完成的工作包 括： 1 ) 根掘家庭中数字设备的智能应用需求，提出一个家庭智能系统原型，它 为用户提供媒体播放和远程i o 功能： 2 ) 研究u p n p 协议，把它应用到家庭智能系统中，实现系统中各个设备之 间实现设备的发现、配置和控制； 3 ) 研究d l n a 和i g r s 的标准，借鉴它们的标准提出一个适合家庭智能系 统的系统互操作框架，实现系统的互操作性： 4 ) 根据系统中不同设备的角色设计它们在系统互操作框架中各自所需的模 块。 5 1 最后采用i n t e l 公司提供的u p n ps d k l i b u p n p - l - 2 1 实现了系统豆操作 框架中的关键模块。 关键字：数字家庭家庭智能系统u p n p 系统互操作框架 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 la n di n t e l l i g e n th o m ea p p l i a n c ea n dd i g i t a l d e v i c e ，a sw e l la st h ee v e r m a t u r i n go fh o m en e t w o r k st e c h n i q u e s ，c o n c e p to fd i g i t a l h o m er e c e i v e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s ，o nt h eo t h e rh a n d ，u p n pt e c h n i q u e s e n a b l i n gi n t e l l i g e n t i n t e r c o n n e c t i o no fd e v i c e sp r o v i d et h es u p p o r t s f o rt h e i m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a lh o m eu p l l pt e c h n i q u e sp r o v i d et h ef u n d a m e n t a lf u n c t i o n s f o rd i g i t a lh o m e ，s u c ha sd e v i c ef i n d i n g ，d e v i c ec o n f i g u r ea n dd e v i c ec o n t r o le t c n e v e r t h e l e s s ，i n t e l l i g e n tf r a m e w o r ka p p l i c a b l ef o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o ns c e n a r i om u s t b ed e s i g n e di no r d e rt oi m p l e m e n tt h ec o n c e p to fd i g i t a lh o m e i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hi sc a r r i e do u to nt h eb a s i so fd i g i t a lh o m ec o n c e p t i o n ， t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 t h ep r o t o t y p eo fh o m ei n t e l l i g e n ts y s t e m ，w h i c hp r o v i d e sm e d i ap l a ya n dr e m o t e 1 1 0f o ru s e li sp u tf o r w a r dt os a t i s f yt h ei n t e l l i g e n ta p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so f d e v i c e si nd i g i t a lh o m e 2t h ep r o f o u n dr e s e a r c h e so nu p n pa r ec a r r i e do u t a n da p p l yi t t ot h eh o m e i n t e l l i g e n ts y s t e mf o ri m p l e m e n t i n gd e v i c ef i n d i n g ，d e v i c ec o n f i g u r ea n dd e v i c e c o n t r o l 3 o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nd l n aa n di g r ss t a n d a r d s ，af r a m e w o r k i m p l e m e n t i n gs y s t e mi n t e r o p e r a t i o nf o rh o m ei n t e l l i g e n ts y s t e mi sp u tf o r w a r d a n dd e s i g n e d 4 m o d u l e sr e q u i r e db yd e v i c e sa c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n tr o l e si nt h es y s t e m i n t e r o p e r a t i o nf r a m e w o r ka r ed e s i g n e d ， 5 t h ek e ym o d u l e si nt h es y s t e mi n t e r o p e r a t i o nf r a m e w o r ka r ei m p l e m e n t e du s i n g u p n ps d k l i b u p n p 一1 2 1p r o v i d e db y i n t e l k e yw o r d s ：d i g i t a lh o m e h o m ei n t e l l i g e n td y s t e m ，u p n rs y s t e mi n t e r o p e r a t i o n f r a m e w o r k 而北t 业人学坝1 ：学位论文 基于u p n p 的家庭智能系统母f 究j 实践 第一章绪论 1 1 家庭数字化与数字家庭【1 】【2 】【3 】【4 】 目前国内外越来越多的信息和家电类厂商加入数字设备和智能家电的设计 和制造行列，数字电视、数字音像、智能家电等数字化设备层出不穷。很多用户 开始关注和购买各种数字设备和智能家电。 近年来对数字多媒体格式的研究发展迅速，诸如面向视频的m p e g 2 和 m p e g 4 、面向音频的m p 3 以及面向图片的j p e g 已经成熟。符合这些格式的内 容也越来越容易获得。 在面对家庭中存在的各种数字设备和智能家电以及数字多媒体内容时，人们 不再满足单个数字设备或智能家电带来的简单体验，迫切需要建立家庭网络，使 得所有数字家电和数码设备能够互联互通、共享媒体资源，实现家庭环境和设施 的网络化监控。在这种大环境下数字家庭应运而生。 数字家庭的理念是通过一个无缝的、可互操作的网络将家庭中所有数字设备 和智能家电以及外部网络( 包括因特网和广播网) 连接起来，实现协同工作，从 而为用户提供全新的应用体验。数字家庭的具体定义为利用电脑、网络和综合布 线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一 起。也就是说，数字家庭必须满足三个条件：首先要在家里建立一个通信网络， 为家庭信息提供必要地通路，在家庭网络操作系统地控制下，通过相应地硬件和 执行机构，实现对家庭网络上所有家电和设备的控制和检测；其次，要通过某种 媒介平台，建立与外界的通信通道，满足远程控制监测和交换信息的需求：最 后，数字家庭的最终目标是满足人们对安全、舒适、方便和符合环保的家居环境 的需求。 1 2 数字家庭的技术基础 家庭中各种数字设备在物理层和网络层的互联是实现数字家庭的基础既目 前实现家庭网络联网的技术有很多种，对联网技术进行标准化的组织也有很多， 比如i e e e ( 8 0 2 1l x 酣、u w b t 7 1 、1 3 9 4 8 1 ) 、h o m e p l u g ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ， p l c ) 9 1 、h o m e p n a ( p h o n e l i n en e t w o r k i n ga l l i a n c e ) 【1 0 】等。 匿北工业入学坝l 。学位论文 基于u p n p 的家庭智能系统研究与宴姨 i e e e8 0 2 1 1 x 是无线局域网的主要标准，目前推出了a 、b 、e 、g 和i 系 列。 i e e eu w b 提供了简单、低耗能和高带宽的无线连接的标准。 i e e e1 3 9 4 是一项高速数据传输标准，它为个人电脑提供了新的即插即 用扩展接口，由于此接口采用了高带宽设计，因此为音频视频( a v ) 1 0 作、外部存储设备以及便携设备提供了理想的数据传输模式。 h o m e p l u g 采用输电线实现家庭联网。 h o m e p n a 采用电话线实现家庭联网。 1 3 数字家庭标准化组织 目前从事数字家庭标准化的组织主要有五个，国内有i g r s ( i n t e l l i g e n t g r o u p i n ga n dr e s o u r c es h a r i n g ，闪联) 和i t o p h o m e ( 家庭网络标准产业化联盟) ， 国外的有u p n p ( 通用即插即用论坛) 、d l n a ( d i g i t a ll i v i n g n e t w o r k a l l i a n c e ， 数字生活网络联盟) 和u o p f ( u b i q u i t o u so p e np l a t f o r mf o r u m ，遍在开放平台 论坛) 。 u p i l p 、d l n a 、i g r s 、i t o p h o m e 和u o p f 涉及的数字家庭标准不尽相同。 u p n p 是实现数字设备之间的发现、配置和控制的标准。d l n a 是构建在u p n p 之上的个实现家庭音像娱乐的标准。i g r s 是实现企业、公共场所、个人以及 家庭所涉及的信息设备自由互联、资源共享和协同服务的标准。i t o p h o m e 类似 于i g r s ，不过它主要针对家庭环境。u o p f 是通过家庭内部网络和互联网实现 数字家电互连的标准。 1 ) 闪联工作组( i g r s ) 1 1 】 闪联标准工作组成立于2 0 0 3 年7 月1 7 曰，它是在我国信息产业部科技司批 准下由联想、t c l 、康佳、海信、长城五家企业发起的。迄今为止工作组的成员 已经达到3 0 个。 i g r s 适用的范围：企业、公共场所、个人以及家庭所涉及的信息设备互联 时，遵循共同资源及功能服务接口标准，使设备能够有效实现资源开放及服务协 同，提高设备功能互操作性并增强不同设备间组合服务的功能。 i g r s 标准的设计目标：在有限范围网络域( 有线、无线) 内支持多种信息 两北丁业人学坝l j 学位论文 基十u p n p 的家庭智能系统 ! j 究+ 宴战 设备、家用电器、通讯设备之间的设备自动发现、动态组网、资源共享和协同服 务，从而提高这些设备阃的互操作性和易用性，充分发挥不同设各的功能特点， 为用户创造新的应用模式和丰富应用。该标准是建立在t c p i p 协议之上的应用 层协议，它是在更高一级实现不同的硬件和软件系统的一个统一，可以方便地将 信息设备和传统的电器有效互联，自动发现和寻找可以利用的设备和服务功能， 以种简单的方式安装并使用。 标准工作组的工作目标：2 0 0 3 年7 月，标准工作组正式成立，并提交协议 文本1 0 交工作组讨论：2 0 0 4 年1 月，实现测试验证系统链条成功并发句样机及 系列产品；3 月向信息产业部正式提交标准文本1 0 并报信息产业部批准。未来 三年工作组的主要工作目标是，第一年，着重协议标准的研究制定工作，开发完 成测试验证系统，提交标准的0 1 版：第二年，将重点符合标准的产品推向市场， 了解市场反馈，丌发完善我们的开发工具：第三年，修订并继续完善标准，推出 标准的2 0 版以及相应的产品和开发工具。 2 0 0 4 年1 1 月工作组通过了由标准撰写小组起草的闪联标准文本1 0 版，并拟 f 式提交信息产业部报批，这标志着闪联行业标准即将出炉。i g r s 标准由三部 分组成：核心基础协议组、智能应用框架和特色应用。核心基础协议组定义了设 备间的资源发现、发布的机制，统一了设备间的配置管理和服务访问控制的机制， 包括数据的获取和分发这样的一个机制，在这个基础上我们特别强调的是安全 机制，它由七个协议组成。智能应用框架对各种应用模式定义了相应的客户、数 据、服务以及他们之间的相互交互规则，根据不同应用开发的需要可以根据特定 的智能应用框架开发相应的客户、服务和数据对象，根据框架定义中的规则客户、 服务和数据对象可以进行动态组合形成完整的应用。 2 ) 家庭网络标准产业化联盟( i t o p h o m e ) 【l 2 j 2 0 0 4 年7 月2 6 日由海尔集团、清华同方、中国网通、上海广电集团、春兰 集团、长城集团、上海贝岭等七家公司发起成立“家庭网络标准产业联盟”，联 盟名称为“e 家佳( 1 t o p h o m e ) ”。 联盟的宗旨是利用中国的市场优势和制造优势，发展并完善具有自主知识产 权的家庭网络系统技术体系，探索以行业内优势企业为主体，在研究、玎发的基 础上制订家庭网络系统技术标准的模式，形成技术一标准一市场互相推动的机制， 两北t 业九学颁 j 学位沦文 基于u p i l p 的家庭智能系统研究与实践 促进中国家庭网络系统产业的繁荣和发展。 联盟的目标是加强市场需求的调研、分析，搭建家庭网络系统技术平台，完 善并形成相关技术标准；促进家庭网络系统的产业化，以标准化规范产业化，并 以产业化推动标准化；加强对国际标准的研究，形成具有中国特色的知识产权运 作机制，争取将中国的家庭网络标准纳入到国际相关标准体系中。 到目前为止i t o p h o m e 还没有实质性的进展。 3 ) 通用即插即用论坛( u p n p ) 【h j u p n p 论坛是由m i c r o s o f t 和i n t e l 公司于1 9 9 9 年6 月发起组建的，目前的成 员已经发展到了7 1 1 家独立公司。这些成员中很多是业界领先的公司，他们的业 务范围涉及了相互交叉的多个工业领域，包括消费电子、计算机、家庭自动化、 家庭保安、家用电器、打印、照相、计算机网络和移动通信等。 u p n p 论坛专注于定义和出版u p n p 设备和服务的规范，这些规范使得家庭 网络中和公司网络中的各种设备可以更容易地互相连接，简化家庭网络的实现。 u p n p 论坛的目标是设备之问的无缝连接和简化家庭及公司网络的实现。论 坛通过定义和出版一系列的开放和基于i n t e m e t 通信标准的u p n p 设备控制协议 来实现这一目标。 u p n p 论坛发布的文档主要包括关于u p n p 体系结构的文档以及体系结构中 用到的各种规范、各种设备的d c p 标准、部分设备的u p n p 实现范例。 4 ) 数宇生活网络联盟( d l n a ) 1 1 4 2 0 0 3 年6 月2 4 日由英特尔等1 7 家国际厂商( 联想集团也在其列) 组织的 数字家庭工作组( d h w g ，d i g i t a lh o m ew o r kg r o u p ) 成立，2 0 0 4 年6 月2 2 同 更名为数字生活网络联盟( d l n a ，d i g i t a l l i v i n g n e t w o r k a l l i a n c e ) 。它是由业 界领先的家电、计算机业和移动设备企业组成的跨行业组织。其成员拥有共同的 远景目标，即在家庭内外建立一个集中管理个人电脑( p c ) 、家电( c e ) 和移 动电子设备的互操作性网络，创造一个能够共享和发展全新数字媒体和内容服务 的无缝环境。该联盟建立并维护着一个基于开放式工业标准的互操作性平台，在 制造商使用时可通过有线或无线网络共享媒体内容。 d l n a 的互操作框架需要构建6 个模块：数字家庭内部设备之间的透明连 接、设备发现配置和控制方面的统一框架、可互操作媒体格式和流协议、可互操 4 两北丁业人学顶l 学位论文 基于u p n p 的家庭智能系统研究0 实践 作媒体管理和控制框架、一致的服务质量机制、面向用户和设备的一致的鉴权和 授权机制，同时还需要解决数字版权管理内容保护以及可管理性问题。 d l n a 发展迅速，迄今d l n a 的成员已经有1 4 5 个，遍布全球。2 0 0 4 年6 月发布“家庭联网设备互操作准则v 1 0 ”，目前正在进行兼容和认证标志计划 的丌发工作。家庭联网设备互操作准则v 1 0 规定了可互操作的构建模块，以构 建平台和软件基础设施，它主要集中于实现联网娱乐和媒体设备间的互操作性， 以支持涉及图像、音频和视频的个人媒体使用。随着新技术和标准的推出，准则 将扩展到其它领域，例如家庭控制、通信和高级娱乐环境等。 5 ) 遍在开放平台论坛( u o p f ) 【l 5 】 2 0 0 4 年2 月1 0 日，出松下、索尼、n e c 、东芝、三菱领衔，包括其他五家 同本电子厂商和四家互联网服务商联盟，成立了的“遍在开放平台论坛( u o p f ) ”。 其任务是制订让数字家电能透过家庭内部网路及互联网实现互联互通的标准。 该论坛的目的在于“任何人都可以简单、安全地使用”u o p f 接入宽带的数 字家电。具体而言，将实现以下几点：( 1 ) 无需进行复杂的设置、任何人都可以 接入宽带的“简单设置”；( 2 ) 可以简单安全地支付内容及服务使用费的“网络 结算”；f 3 ) 在互联网上可随时简单、安全地将不同设备连接起来的“即时连接”。 另外还将研究与服务供应商及内容供应商之间的合作问题。 到目前为止u o p f 还没有推出自己的标准。 1 4 研究内容及论文组织 本论文研究工作的重点是实现对家庭智能系统内的设备、内容和应用进行管 理和控制的互操作框架，具体内容如下： 1 1 分析未来家庭中对数字设备的智能应用需求，提出一个家庭智能系统原 型，并对其结构和功能需求进行分析； 2 1 对u p n p 协议进行分析，主要研究u p n p 协议如何实现设备的发现、配 置和控制，论证u p | 1 p 协议适合作为家庭智能系统的构建基础： 3 、对d l n a 和i g r s 的标准进行分析和比较，论证它们不是适合家庭智能 系统的功能需求，并借鉴它们的标准提出一个合适的系统互操作框架； 4 ) 对系统中不同设备的角色进行分析提出它们所需的模块和各个模块的 西北工业火学硕t ：学位论文基于u p n p 的家庭智能系统研究与实践 设计。 本论文的章节安排如下： 第一章主要介绍了研究背景，研究领域的发展现状，本文具体的研究内容。 第二章主要介绍u p n p 协议。 第三章主要介绍d l n a 和i g r s 的标准。 第四章主要介绍基于u p n p 的家庭智能系统原型、系统互操作框架和其中部 分模块的设计。 第五章主要介绍模拟试验环境、关键模块的具体实现和系统构成。 两北t 业人学颁+ ：学位论文 基十u p n p 的家庭智能系统州究一，实践 第二章u p n p 协议 2 1简介1 6 】 具备设备即插即用( p n p ，d e v i c e p l u ga n d p l a y ) 能力的操作系统使得建立、 配置和添加外围设备到一个p c 变得非常容易。通用即插即用( u p n p ，u n i v e r s a l p l u ga n dp l a y ) 把这种简单化扩展到整个网络，使得网络上的设备能够被发现和 控制，这些设备包括联网的设备和服务，如接入网络的打印机、i n t e r n e t 网关和 消费电子设备。 u p n p 不仅仅只是即插即用外设模式的简单扩展。它设计用于支持零配置、 “不可见”联网，以及对众多厂商的广泛设备类型的自动发现。这就意味着， 台设备能够动态加入一个网络，获取一个口地址，通报其功能，以及了解其它设 备的存在和功能。d h c p 和d n s 服务器为可选服务器，仅当它们在网上存在时可 以使用。最后，设备能够顺利地自动离线，而不会造成任何不期望的影响。 u p n p 充分利用了包括i p 、t c p 、u d p 、h t t p 和x m l 在内的互联网组件。 正如互联网那样，合约基于陈述性的有线协议，以x m l 来表达，并通过h t t p 进 行传输。i p 网间协议凭借其以下已经被验证的能力而成为u p n p 的一个有力选 择：跨越不同的物理介质、支持实际的多厂商互操作，以及实现与互联网、大量 家庭和办公室内联网的协作融合等等。u p n p 的设计明确用于支持这些环境。 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p 协议的介质。 何为u p n p 的“通用性”? 不使用设备驱动程序：取而代之的是通用协议。 u p n p 网络不依赖于具体介质。u p n p 设备可以在任何操作系统上采用任何编程语 言来实现。u p n p 并未针对运行于控制点上的应用而指明或限制a p i 的设计：操 作系统厂商可以创建满足其客户需求的a p i 。u p i l p 通过使用浏览器和传统应用程 序控制来使厂商能够控制设备的用户界面( u i ) 并实现交互。 2 2u p n p 网络的组件1 1 6 1 【i i 嗡l u p n p 网络是指通过u p i l p 协议组成的网络，它的基本组件是设备、服务和 控制点。 两北t 业人学删i 学位论艾 基于u p n p 的家庭智能系统研究与实践 1 1 设备 u p n p 设备是服务和嵌入设备的容器。例如，一个v c r 设备可以包含一个 磁带传送服务、一个调音服务和一个时钟服务。一个t v v c r 组合设备不仅包 含服务还有一个嵌入设备。 不同种类的u p n p 设备将包含不同类别的服务和嵌入式设备。例如，v c r 中 的服务不同于打印机中的服务。所有的这些信息都被记录在设备必须拥有的一个 x m l 设备描述文档中。除了服务之外，设备描述还列出了设备相关的属性( 如 设备名称和标识) 。 2 1 服务 服务是u p n p 网络中控制的最小单元。个服务拥有若干动作( a c t i o n ) 并 通过状态变量模拟它的状态。例如，一个时钟服务拥有个状态变量 - c u r r e n t t i m e 它定义时钟的状态，和两个动作s e t _ t i m e 和g e t _ t i m e ，它们允许 你控制时钟。类似于设备描述，这个信息是u p n p 论坛标准化的个x m l 设备 描述的一部分。这些服务描述的u r l 包含在设备描述文档之中。设备可以容纳 多个服务。 u p n p 设备中的一个服务由一个状态表、一个控制服务器和一个事件服务器 组成。状态表通过状态变量模拟服务的状态，并在状态改变时进行升级。控制服 务器接受动作请求( 如s e t t i m e ) ，执行它们，升级状态表和返回应答。一旦服 务状念改变时，事件服务器发布事件给感兴趣的预定者。例如，当火警服务的状 态变为“r i n g i n g ”时，它将发送一个事件给感兴趣的预定者。 3 ) 控制点 在u p n p 网络中一个控制点是一个拥有发现和控制其他设备的控制者。发现 之后，一个控制点将： 重新载入设备描述并获取相关的服务列表。 重新载入感兴趣的服务的描述。 调用动作柬控制服务。 预定服务的事件资源。一旦服务的状态改变时，事件服务器将发送一个 事件给控制点。 两北工业大学硕l 学位论文 基于u p n p 的家庭智能系统研究j 实践 2 3 u p n p 协议框架【“】 u p l l p 基于标准的i p 协议，与底层的网络介质无关。u p n p 运用开放的标准 协议，如t c p i p 、h t t p 2 们、s s d p f 2 、o e n a 2 2 l 、s o a p 2 3 】和x m l l 2 ”。它的协 议栈如图2 1 ： 图2 1 ：u p n p 协议栈 u p n p 设备厂商、u p n p 论坛工作委员会和u p n p 设备体系结构定义了用于实 现u p n p 的高层协议。基于设备体系结构，工作委员会定义具体设备类型，如 v c r 、h v a c 系统、洗碗机等。随后，u p n p 设备厂商定义他们设备的具体数掘， 如模型名称、u r l 等等。 1 1t c p i p t c p 1 p 网络协议集充当了建立其余u p n p 协议的基础。通过使用该标准， u p n p 可以利用其跨越不同物理介质的能力并确保多个供应商之间的互操作性。 u p n p 设备可以运用t c p i p 中许多协议，包括：t c p 、u d p 、i g m p 、a r p 和i p ，以及t c p i p 服务( 如d h c p 和d n s ) 。 由于t c p i p 是使用最为普遍的网络协议之一，因此定位或创建一个对覆盖 面和或性能进行优化的u p n p 设备实现将相当容易。 圈 西北工业人学坝i j 学位论史 基于u p n p 的家庭智能系统研究与实践 2 ) h t t p 、h t t p u 、h t t p m u t c p i p 提供了使u p n p 设备互联的基本协议栈。h t t p 也是u p n p 的一个核 心部分。 h t t p u 和h t t p m u 是h t t p 的另一种形式。它们在u d p i p 之上传输消息， 其使用的消息格式与h t l l p 非常类似，被运用于多播通信以及不需要可靠性丌销 的消息传输。 3 、s s d p 简单服务发现协议( s s d p ) 定义了在网络中如何发现网络服务。s s d p 建立 在h t t p u 和h t t p m u 之上，为控制点发现网络中感兴趣的资源，并为设备在 网络中发布它们的可用性定义了解决方案。通过定义同时定义寻找需求和应答发 布应用s s d p 消除了只运用其中一个机制而产生的开销。结果，在保持网络低 通信量的同时网络中每个控制点拥有完整的网络状态信息。 控制点和设备都要运用s s d p 。一个u p n p 控制点一旦启动就会发送个 s s d p 搜寻请求( 通过h t t p m u ) 来寻找网络中的设备和服务。控制点可以只寻 找特定类型的设备、特定的服务，甚至一个特定的设备。 同样地，一个设备一旦加入网络就会发送多个s s d p 存在申明通知它支持的 服务。 存在申明和设备应答消息都包含一个指向设备描述文档的u r l ，这个设备 描述文档记录了设备的属性和设备支持的服务。 除了发现能力，s s d p 还提供一个设备和相关的服务离开网络的方法。 4 1g e n a 通用事件通知结构( g e n a ) 提供了运用t c p 和多播u d p 之上的h t t p 来 发送和接收通知。g e n a 还定义了预定者和发布者的概念来启动事件。 在u p n p 中，g e n a 被应用来产生由简单服务发现协议( s s d p ) 发送的存 在申明和为u p n p 事件提供通知服务状态改变的能力。一个关注于接收事件通知 的控制点将通过发送一个包含感兴趣的服务、事件发送到的一个位置和事件通知 的一个预定时间的请求来预定一个事件源。 为了持续获得通知，预定必须进行周期性的更新。预定也可以通过运用 两北t 业火学倾卜学位论文 基十u p n p 的家庭智能系统研究与实践 g e n a 柬取消。 5 、s o a p 简单对象访问协议( s o a p ) 定义了运用可扩展标记语言( x m l ) 和h t t p 来执行远程过程调用。它正在成为基于i n t e m e t 通信的r p c 的标准。通过利用 i n t e m e t 现存的基础结构，它可以与防火墙和代理进行有效地合作。s o a p 还能 够利用安全套接字层( s s l ) 实现安全性和应用h t t p 的连接管理工具，因此实 现i n t e m e t 之上的分布式通信同访问网页一样容易。 u p n p 利用s o a p 来传输控制消息给设备并返回结果或出错给控制点。 每个u p n p 控制请求都是一个包含与一组参数一起调用的动作的s o a p 消 息。应答也是一个s o a p 消息，它包含状态、返回值和所有返回参数。 们x m l x m l 是可扩展标记语言的缩写，它是万维网联盟( w o r l dw i d ew e b c o n s o r t i u m ，w 3 c ) 定义的一种语言。x m l 是s g m l ( 标准通用标记语言f t s o 8 8 7 9 1 ) 针对特定应用领域的一个子集，或者说是s g m l 的一种受限形式。它描 述了一类称为x m l 文件的数据对象，同时也部分地描述了处理这些数据对象地 计算机程序地动作。它是网页上结构数据的通用格式。换句话说，x m l 是一个 把几乎所有种类的结构数据放入到个文本文件中的方法。 x m l 文件由称为实体的存储单元组成，实体也可以包含已解析数据或未解 析数据。已解析数据由字符组成，其中一些字符组成字符数据，另一些字符组成 标记。标记中包含了对文件存储格式和逻辑结构的描述。x m l 提供了一种机制 用于约束存储格式和逻辑结构。 x m l 看上去非常像h t m l ，它们都利用标记和属性。实际上却非常不同， x m l 中的这些标记和属性的含义不是全局定义的，而是在使用它们的上下文内 进行解释。x m l 的这些特性使得它非常适合开发各种文档类型的模型。相对于 h t m l 而言，x m l 拥有四大优点：简便的数据交换、定制标记语言、自描述数 据以及结构化和综合化的数据。 x m l 是u p n p 的一个核心部分，它应用在设备和服务描述、控制消息和事 件中。 西北工业人学顺f 学位论文 基于u p n p 的家庭智能系统研究j 一实践 2 4u p n p 的工作过程及其实现机制【1 6 】【1 7 】【1 9 】 2 4 1设备寻址 u p n p 网络的基础就是t c p i p 协议族，u p n p 设备能在t c p i p 协议下工作的关 键就是币确的殴备寻址。每一个u p n p 设备都必须是动态主机配置协议( d h c p ) t 2 5 】 的客户端，当设备一连上网络就发送一个d h c p d i s c o v e r 消息，如果网络上存 在d h c p 服务器，则设备将在指定的时间内收到d h c p o f f e r s 响应消息，那么设 备就使用分配给它的地址：如果网络上不存在d h c p 服务器，那么设备收不到响 应消息，这时设备必须使用a u t o i p 2 6 1 完成i p 地址的设置。使用a u t o i p 时，设备 在地址范围1 6 9 2 5 4 1 6 9 1 6 范围中查找空闲的地址。在选中一个地址之后，设备 测试此地址是否在使用，如果此地址被占用，则重复查找过程直到找到一个未被 占用的地址，此过程的执行需要底层操作系统的支持，地址的选择过程是随机的 以避免多个设备选择地址时发生多次冲突。为了测试选择的地址是否未被占用， 设备必须使用地址分辩协议( a r p ) f 2 7 】。个a r p 查询请求设置发送者的硬件地址 为设备的硬件地址，发送者的i p 地址为全0 设备应该监听a r p 查询响应，或者是 否存在具有相同i p 地址的a r p 查询请求。如果发现，设备必须尝试新的地址，直 到找到一个未被占用的地址为止。 使用a u t o i p 的设备必须周期性( 每5 分钟一次，主要是网络带宽与网络连接 保持之间的一个平衡) 发送d h c p d i s c o v e r 消息以检测d h c p 服务器是否存 在，如果接收到d h c p o f f e r s 响应消息，设备必须释放a u t o i p 分配的地址， 设备不一定是收到响应消息马上释放a u t o i p 分配的地址，可以维持一段时间以 保持网络连接后释放。在从一个i p 地址转化到另一个i p 地址时，设备必须取消 先前所有的广告消息并重新发送新的广告消息。怎样取消和发送广告消息将在设 备发现这部分中讨论。 西北t 业大学硕 ：学位论文 基于u p n p 的家庭智能系统研究与实践 2 4 2 设备发现 图2 2 ：设备发现的一般过程 设各连接到网上并分配了地址，然后进行的是设备发现，设备发现的一般过 程如图2 2 所示。设备发现是u p n p 网络实现的第一步。通过设备发现，设备可以 向网络上的控制点公布它提供的服务，控制点可以寻找网络上感兴趣的设备，在 这两种情况下，基本的交换信息就是发现消息。发现消息包括设备的一些特定信 息或者某项服务的信息，如设备类型、设备标识和指向v 匝设备描述文档的指 针等。 在一个新设备加入网络时，如果它存在多个嵌入设备，那么它将组播传送一 系列发现消息来公布它的设备和服务。任何感兴趣的控制点可以在此标准的组播 地址上监听新服务可用通知消息。同样，在一个控制点加入网络时，它组播传送 发现消息寻找感兴趣的设备或服务。所有的设备必须在标准组播传送地址上监听 这些消息，如果存在匹配的设备或服务，自动响应发现消息。在设备从网络中除 西北t 、世人学倾i 学位论义 基于u p n p 的家庭智能系统丹究。，岔践 去时，它也应该发出一系列声明，表示此设备包含的设备和服务已经失效。 设备发现是由s s d p 来定义的。s s d p 是建立在h t t p u 和h t l p m u 基础上，用 于控制设备发送声明和离开消息、控制点发送的查询消息、以及设备响应查询消 息等操作。为了减少网络通信量，s s d p 使用了租用模型。网络上的每个控制 点拥有网络状态的全部信息，设备通过定期发送声明消息来保证在设备超时丽通 知控制点设备还可以使用。缺省的声明消息租用时间是3 0 分钟。 1 ) 设备通知 设备加入网络，设备发现协议就会让设备向标准的i p 地址和端v i 上广播它的 设备和服务，控制点就在这个端 2 1 上监听是否有新服务加入系统。为了通知所有 设备，一个设备会为其上的每个嵌入设备和服务发送一系列相应的发现消息。每 个消息都包含它表征的设备或服务的特定信息。 s s d p ：a l i v e 消息 在设备加入网络时，它采用组播传送方式发送发现消息，告诉控制点它包含 的根设备信息，所有嵌入设备以及它包含的服务。每个发现消息包含四个主要对 象：在n t 头中的潜在搜索目标( o h 设备类型) ，在u s n 头中的复合发现标识， l o c a t i o n 头中的设备信息的u r l 地址，在c a c h e c o n t r o l 头中的消息的存 在时间。 表2 1 ：根设备发送的消息 n tu s n lr o o td e v i c eu u i dr o o td e v i c eu u i d 2d e v i c et y p e ：d e v i c ev e r s i o nr o o td e v i c eu u i da n d ：a n dd e v i c et y p e ：d e v i c ev e r s i o n 3 u p n p ：r o o id e v i c e r o o td e v i c e u u i da n d ：a n du p n p ：r o o td e v i v e 表2 2 ：嵌入设备发送的消息 n tu s n | 1 e m b e d d e dd e v i c eu u l de m b e d d e dd e v i c eu u i d 2d e v i c et y p e ：d e v i c ev e r s i o n e m b e d d e dd e v i c eu u i da n d ：a n dd e v i c et y p e ：d e v i c e 两北t 业大学硕七学位论文 基于u p i l p 的家庭智能系统研究与实践 表2 3 ：服务类型发送的消息 n tu s n ls e r v i c et y p e ：s e r v i c ev e r s i o n e n c l o s i n gd e v i c eu u i da n d ：a n ds e r v i c et y p e ：s e r v i c e 设备为了公布它的“功能”，它需要发送多个发现消息。对于根设备，需要 发送三条消息，如表2 1 n 示。对于每个嵌入设备需要发送两条发现消息，如表 2 2 所示。对于每个服务类型，需要发送一条发现消息，如表2 3 所示。 如果一个根设备有n 个嵌入设备，m 个嵌入服务，但只包含k 个不同的服务类 型，需要发3 + 2 n + k 条发现消息。这些消息向控制点描述了设备的“功能”。所有 消息必须作为一系歹0 一起发出，发送的顺序无关紧要，但不能对单条消息进行刷 新或取消的操作。设备必须周期性发送这些消息。周期长短的选择主要是在最小 化网络通信量和最大化设备状态及时更新之间求得一个平衡，相对较短的周期时 间( 最小值为3 分钟) 可以保证控制点在牺牲网络流t 的前提下及时获得设备的当前 状态：周期越长可以大大减少设备刷新造成的网络流量。一般而言，设备制造商 应该选择一个适当的周期 s s d p 采用的是u d p 进行传输的，u d p 是不可信的，设备需要多次发送设备 发现消息。发送消息使用的是n o t i f y 方法，n o t i f y 方法发送的请求没有回应 消息。设备通知消息格式如下： n o t i f y + h t t p 1 1 h o s t ：2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 0 ：1 9 0 0 c a c h e c o n t r o l ：m a x a g e = s e c o n d su n t i la d v e r t i s e m e n te x p i r e s l o c a t i o n ：u r lf o ru p n pd e s c r i p t i o nf o rr o o td e v i c e n t ：s e a r c ht a r g e t n t s ：5 ；s d p ：a l i v e s e r v e r ：o s v e r s i o nu p n p 1 0p r o d u c t v e r s i o n u s n ：a d v e r t i s e m e n tu u i d 各h t t p 协议头的含义如表2 4 所示。 西北t 业人学坝学位论文基于u p n p 的家庭智能系统研究j 实践 表24 ：s s d p ：a l i v e 消息中h t t p 协议头的含义 h o s t 没里为协议保留组播地址和端口，必须是2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 0 ：1 9 0 0 m a x _ a g e 指定通知消息存活时间，如果超过此时间间隔，控制点可以认 c a c h e c o n 丁r o l 为设各不存在 l o c a t i o n包含根设备描述的u r l 地址 n t在此消息中n t 头必须为服务的服务类型 n t s表示通知消息的子类型 s e r v e r包含设备的操作系统名称、版本、u p i l p1 0 、产晶名称、版本信息 表示不同服务的统一服务名，它提供了一种标识出相同类型服务的能 u s n 力 s s d p ：b y e b y e 消息 在设备和它的服务将要从网络中卸载时，设备应该对于每个未超期的 s s d p ：a l i v e f 肖息以组播方式4 专送s s d p ：b y e b y e n , n , ，控制点收到此消息后将其从缓存 中删除。但如果设备突然从网络卸载，它可能来不及发出这个通知消息，所以发 现消息在c a c h e c o n t r o l 包含有个超时值，控制点在发现消息超时后将其从 缓存中删除。没备卸载消息格式如下： n o t i f y + h t t p 1 1 h o s t ：2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 0 ：1 9 0 0 n t ：