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太原理工大学硕士研究生学位论文 i a c p 下家庭w e b 网关的研究与实现 摘要 随着信息家电的出现、网络技术的发展，人们对家庭生活的自动化程 度提出了越来越高的要求，通过i n t e m e t 远程访问由信息家电组成的家庭网 络已成为未来家庭的重要信息工具。因此，构建基于i p 的家庭信息家电网 络，采用i p 技术实现与计算机网络的融合是今后信息家电网络的发展方向。 从目前应用的广泛性和使用的方便性而言，信息家电向外提供基于w e b 的 i n t e m e t 远程访问服务是最优选择。 对于如何通过w e b 页面来控制家电设备，本文提出了一种新的远程控 制信息家电的方法，即通过i n t e r n e t 用w e b 网关来控制和管理家电设备。 w e b 网关在家电网络内部用自定义的智能电器控制协议i a c p ( i n t e l l i g e n t a p p l i a n c e sc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 管理各种家电设备，并向i n t e r n e t 发布w e b 服务。 该方法具有对网络家电设备的动态发现、自动配置、轻量级设计和基于广 泛使用的t c p f l p 协议等主要优点。 本文首先介绍了当今信息家电的发展概况，并对远程访问信息家电的 两种传统方式进行了深入探讨，通过分析研究国内外在这方面的研究现状 后，提出了一种基于自定义i a c p 协议的w e b 网关的设计目标和整体设计 方案。文中重点研究了i a c p 协议的设计与定义，它是该方案的关键所在， 用于w r e b 网关访问和管理家庭网络中的所有电器设备。通过在l c l i n u x 系 统上实现的i a c p w e b 服务器，对i a c p 服务和w e b 服务在实现中采用的 关键技术及其实现给予了详尽的论述，并详细分析了i a c p 服务和w e b 服 太原理工大学硕士研究生学位论文 务的交互过程，其后分别在基于c o s i i 和, c l i n u x 系统的家电设备上实 现了i a c p 客户端。最后利用该原型系统验证了i a c p 协议的有效性和可靠 性。 基于自定义家电管理协议的家庭w e b 网关具有良好的可扩展性，方案 配置灵活，对于降低成本、利用有限资源实现嵌入式i n t e m e t 技术，具有较 大的参考价值。 关键词：w e b 网关，信息家电，超文本传输协议，家电管理协议，s k y e y e 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h es t u d ya n di m p l e m e n t f 订1 0 no f h o m e 但bg a t e 馅yw i t hi a c p a b s t r a c t p e o p l ew e r ec a l l i n gf o rm o r ed e m a n d sf o ra u t o m a t i o nd e g r e eo fd a i l yl i f e w i t ht h ee m e r g e n c eo fi n f o r m a t i o na p p l i a n c e sa n dd e v e l o p m e n to fc y b e r t e c h n o l o g y t h eh o m ew e bw a sm a d eu pw i t hh o m ea p p l i a n c e sa n da c c e s s e d t h r o u g hi n t e r n e tr e m o t es e r v i c e i th a st u r n e dt oa ni m p o r t a n ti n t e l l i g e n c et 0 0 1 t h e r e f o r e ，b u i l d i n gu pt h ew e bo fh i a s ( h o m e i n f o r m a t i o na p p l i a n c e s ) b a s e do n i pa n ds y n c r e t i z i n gw i t hc o m p u t e rc y b e rb yi pt e c h n o l o g yw a st h et e n d e n c yf o r t h ef u t u r ei n f o r m a t i o na p p l i a n c e s i nt e r m so fu n i v e r s a l i t ya n dc o n v e n i e n c e ，i t w o u l db et h eo p t i m a lo p t i o nf o rh i at op r o v i d ei n t e r n e tr e m o t ea c c e s ss e r v i c e b a s e do n 朊b o nc o n t r o l l i n gt h ea p p l i a n c e so nw e bp a g e s ，an e wm e t h o do fu s i n gw e b g a t e w a yv i ai n t e r n e tt oc o n t r o la n dm a n a g eh i a si nt h ep a p e rw a sb r o u g h t f o r w a r d t h ew e bg a t e w a ym a n a g e de v e r yh i aw i t ht h ec u s t o m i z e di a c p ( i n t e l l i g e n ta p p l i a n c e sc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) i n s i d et h eh i an e t ，a n dd i s t r i b u t e d w e bs e r v i c e st oi n t e r n e t t h i sm e t h o do w n e dt h ep r i m a r ya d v a n t a g e so ft h e d y n a m i cd e t e c t i n g ，a u t o m a t i cc o n f i g u r i n g ，l i g h t - w e i g h t e dd e s i g na n da p p l y i n g t h eg e n e r a lt c p i pp r o t o c 0 1 t h ep a p e rf i r s t lyg a v et h ep r e s e n ts u r v e yo fh i a s ，t h e nf u r t h e rd i s c u s s e d i ii 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h et r a d i t i o n a lt w ow a y so fr e m o t ea c c e s sh i a s a f t e ra n a l y z i n gt h es t a t u so f r e s e a r c ho nt h i si s s u e ，ad e s i g ng o a la n dag e n e r a ls c h e m ef o rw e bg a t e w a yw i t h c u s t o m i z e di a c pw a sg i v e n ad e t a i l e de x p l a n a t i o na b o u tt h ed e s i g na n d d e f i n i t i o no fi a c pw a sm a d et om a n a g et h eo t h e re l e c t r o n i cd e v i c e si nt h eh o m e w e b ，f o ri tw a sk e yo ft h i ss o l u t i o n t a k i n gi a c p w e bs e r v e ri m p l e m e n t e do n t c l i n u xf o re x a m p l e s ，t h ep a p e re x p l a i n e dt h ek e yt e c h n o l o g ya n df u l f i l l i n g m e a n so fi a c pa n dw e bs e r v i c e s ，a n dp a r t i c u l a r l ya n a l y z e dt h ei n t e r a c t i o n p r o c e s so fi a c pa n dw e b s e r v i c e s t h e ni a c pc l i e n tt e r m i n a lw a sd o n eo nt h e h o m ea p p l i a n c eo n 比c o s i ia n d l z c l i n u xs y s t e m s f i n a l l yt h ep r o t o t y p ew a s u s e dt ov e r i f yt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo fl a c e t h eh o m ew e bg a t e w a yb a s e do nc u s t o m i z e di a c ph a dg r e a te x p a n s i b i l i t y , f l e x i b l ec o n f i g u r a t i o n i th a dg r e a tv a l u eo fr e f e r e n c e st of u l f i l le m b e d d e d i n t e r n e tt e c h n o l o g yo nr e d u c i n gc o s ta n du s i n gl i m i t e dr e s o u r c e s k e yw o r d s ：w e bg a t e w a y , i n f o r m a t i o na p p l i a n c e ，h t r eh o m ea p p l i a n c e s m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，s k y e y e i v 声明芦明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：塑丛固期：丝鳗! ! 坦 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 日期：兰堕! 羔! 鱼 导师签名：- 二酸 日期： 3 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 信息家电系统的发展 第一章绪论 信息家电是近年提出的一个概念，其含义是将计算祝数字化技术、现代通信技术融 入传统的家用电器之中，使之智能亿并具有网络信息终端的功能。信息家电也是一静嵌 入式系统，所以它的发展是以嵌入式系统的发展为基础的。丽嵌入式系统至今已经有3 0 多年的历史了，其技术的发展如今已经发展到以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统时 期。随着i n t e m e t 的发展和后p c 时代的到来，嵌入式系统的应用愈来愈广泛。把嵌入 式系统接入i n t e r n e t 具有广泛的应用前景，其主要应用领域可以包括工业自动化、信息 家电、智能仪器仪表、虚拟现实中的应用、家庭医疗保健、安全保障服务业等。虽然嵌 入式系统的应用越来越广泛，但是对它的定义却没有一个公认的标准。通常人们认为嵌 入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁减，适用予应用系统， 对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它般由嵌入式微 处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实 现对其它设备的控制、监视或管理等功制。 网络技术的发展使网络生活步入家庭。应用予家庭里的信息家电网络，使家庭系统 不再是一幢被动的建筑，丽是更为舒适、安全、离效和节能的家庭1 2 1 。信息家电就是在 传统的家用电器之中融入现代网络通信技术，使之成必具有信息访问、获取、存储、处 理、联网等功能的消费类电子产品【3 1 。信息家电的出现改变了传统的家电控制方式，不 仅可以在本地对家电进行控制，而且可以通过i n t e r n e t 网络实现对家庭内部网络上的家 电设备进行控制。 今天，大部分家用和办公用电器都包含有微处理器，是可以被接入i n t e r n e t 的。然 而到现在，i n t e m e t 还是被主要用来连接个入计算机，这些装有嵌入式计算机的各种电 器设备却很少通过i n t e m e t 来交换信息。如果这些智能电器可以用较低的成本接入 i n t e m e t ，那么我们控制和管理他们的方式将完全改变1 4 j 。因此，构建基予霉的家庭信息 家电网络，采用妒技术实现与计算机网络的融合是今后信息家电网络的发展方向。由 信息家电组成的家庭网络接入互联网，用户就可以远程查看和控制家庭中各种信息家电 的工作状态，实现即时对话、数据信息交换。 太原理工大学硕士研究生学位论文 由于w e b 服务的实用性和易用性，用户可以通过浏览器和嵌入式设备交互，通过 静态或者动态h t m l 页面查看设备目前的状态，以及设置设备运行参数。用户访问嵌 入式设备就像访问i n t e r a c t 上的一个w e b 站点，非常直观。这不仅给用户带来了巨大的 方便，同时也促进了嵌入式系统的应用。因此从目前应用的广泛性和使用的方便性而言， 由信息家电向外提供基于w e b 的i n t e r a c t 远程访问服务是最优选择。 1 2 远程访问信息家电的传统方式 对信息家电的远程访问研究已成为现在研究信息家电的一个热点研究课题，通过上 文的分析，采用基于w e b 的远程访问服务是当前信息家电发展的一个主要趋势。关于 如何利用w e b 页面来控制智能电器，目前有两种比较流行的传统解决方案。第一种方 案是把w e b 服务整合到这些智能设备中，由智能设备中w e b 服务提供w e b 页面，客户 端使用浏览器通过口地址即可访问服务器实现监控功能【5 1 。如图1 1 所示。 图卜1 整合w e b 服务的智能电器 f i g 1 - 1i n t e l l i g e n ta p p l i a n c e si n t e g r a t e dw e bs e r v i c e 这样的做法有几点不利因素，首先需要为每个电器分配一个i n t e r a c t 可访问的外网 地址，而当前口地址的短缺也无法满足世界上不可计数的电器设备，况且对用户来说， 也不清楚当前有哪些可用的电器提供w e b 服务。其次把w e b 服务整合到电器中增加了 电器的成本和运行功耗，把w e b 服务的一些基本功能都在每个电器中实现，造成不必 要的功能冗余，也不易管理。最后w e b 服务虽然可以通过w e b 页面的形式来建立有效 的用户界面，但多种电器不同风格的界面对用户来说也是一个考验。 第二种方案是利用家庭网关，通过在家庭网关上实现的w e b 服务向i n t e m e t 发布 w e b 页面，在家庭内网中采用c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e 通用网关接口) 方式通信， 由预先存储在家庭网关的c g i 函数同相应的智能电器进行网络交互，从而达到远程控制 和操作智能电器的目的【剐，如图1 2 所示。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图卜2 通过c g i 访问智能电器 f i g 1 - 2v i s i ti n t e l l i g e n ta p p l i a n c e st h r o u g hc g i 这样就把w e b 服务集中到家庭网关中来，这种方法虽然解决了w e b 页面的统一风格和 方便了用户对电器的管理，但是它是以预存在家庭网关中的c g i 函数为基础的，这就需 要为每个设备编写一套专用的c g i 函数，每当有新设备加入家庭网络时，都需要对网关 和终端设备进行编程，这在实际应用中也不太现实。 1 3 国内外的相关研究 国内对智能嵌入式网络在家电设备上应用的研究还刚刚起步，许多科研单位和高等 院校已开展嵌入式i n t e m e t 及信息家电的基础理论及其应用研究，例如中科院研究的基 于电力线载波的嵌入式家庭网关、华恒公司的嵌入式家庭网关方案、易居科技的嵌入式 家庭网关方案、n e t e a s y 提出的家庭网关方案等，但它们都还没有推出成熟的商业产品。 国外在探索现代化智能家居系统及其核心技术的过程中，已逐渐形成了一些相关的 标准，分别受许多大公司的支持。目前已有的一些商业平台，如j i n i ，u p n p ，和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。j i n i ，u p n p ，和h a v i 都是为分布式电器相互交互和发现网络中设备的能力而开发的，他们的研究重点在于设 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。 j i n i 7 】来自s u n m i c r o s y s t e m ，是基于 a v a 技术的，用来使网络中的设备能自发通信 交互和互相共享服务。j i n i 的关键思想是允许任何拥有处理器、存储器和网络连接的设 备向网络中的其他实体提供服务，并且使用其他实体提供的服务。j i n i 提供了使设备联 合起来形成联盟的机制。联盟中的成员可以是物理设备或用j a v a 写的软件程序。在j i n i 技术中，这些设备和程序都叫服务，是可以连接成一个网络并且向一个查找服务声明他 们的存在。那些想使用这些服务的客户必须先定位服务，然后叫他们实施任务。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 在j i n i 系统中，包括了三种主要形式的角色，这些角色用来连接到网络中。一种是 服务，比如v c r 、打印机、数码相机和咖啡机等。一种是客户，他们使用这些服务。 还有一种是查询服务，用来在服务和客户中担任代理。由于j i n i 采用j a v a 实现，所以它 利用了很多j a v a 的优点。它可以把异类设备网络转换成一个同类的j a v a 虚拟机网络， 这些都支持一次写定，处处运行的能力和操作系统无关性。 j i n i 系统的一个重要的缺点是运行j a v a 仍会耗费许多处理能力。如果你想在有限资 源里运行j a v a 虚拟机，比如在一个8 位控制器上，唯一的选择就是专门为这个环境而建 立的简化j a v a 子集。根据处理器、应用和构件，一个典型的核心代码需要的内存空间也 是不可小视的。 u p n p 8 j 来自m i c r o s o f t ，是一个比j i n i 定义更低级的体系结构。取代使用虚拟机把异 构设备网络转或为同构设备网，而使用t c m p 和帅，x m l 这些标准协议。 u p n p 有5 个主要组成部分：设备发现、设备描述、提出事件、签名和控制。设备 发现不仅可以使设备声明他们在网络中，而且还可以发现其他有效设备。一个设备可以 包含一系列的服务相应于组成这个设备的每个功能，u p n p 用x m l 文件来保存这些服 务的描述。在描述阶段，通过在设备发现信息中的u r l 来获取更多关于设备信息的x m l 文件。如果一个设备有一个u r l 提出，然后控制点能从这个u r l 中获取这个页面，并 读取到浏览器中，根据提供的能力，用户可以控制这个设备或查看他的状态。当一个控 制点请求一个服务时，这个服务发送事件消息到控制点来声明设备状态改变。控制点使 用在描述处理中提供的u r l 来获取附加的x m l 信息，这些信息描述了u p n p 设备服务 相应的动作，和每个动作的参数。控制信息格式化成x m l 形式，并且使用了 s o a p ( s i m p l eo b j e c ta c c e s sp r o t o c o l 简单对象访问协议) 。u p n p 对存取和控制u p n p 设 备没有制定任何安全机制。安全必须由应用或服务来提供。 u p n p 采用了许多现存的、标准的协议以获得最广泛的设备支持。采用口协议来保 证u p n p 独立于网络传输的物理介质，s o a p 协议来保证u p n p 设备具有互操作能力， x m l 来对设备和服务进行统一的描述，h t r p 协议来进行u p n p 设备间的信息交互。采 用这些协议能减少开发u p n p 设备的工作量，但对大多数家电设备来说也是个不小的开 支。 h a v i 是s o n y 等公司为在互操作网络中连接数字家用娱乐产品而定义的一个标准。 h a v i 中设备自动向h a v i 网络中的其他设备声明他们的出现和发布他们的服务。体系结 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 构是设计在i e e e l 3 9 4 网络上的。在h a v i 系统中不需要网络地址和设备驱动的配置。 h a v i 是设计用来仅在家用a v 网中支持互操作性，支持多媒体流和服务预定。h a v i 结构不适用所有的家电，而只能用在多媒体上。 1 4 本课题研究的主要内容和意义 考虑到家用电器的特殊性，比如功能比较单一，很少需要其它电器配合使用，而且 在成本和功耗方面有很大限制，不能过多实现复杂的协议。对电器的控制最好还是统一 到w e b 页面中，以减少用户界面的开发成本。 本文设计了一种由网关来集中管理智能电器的通用方法，当一个新设备添加进网络 时，不需要对网关和设备进行配置，设备便可以自动在网关中注册，并通过网关向外发 布自己的信息。 为了实现这个目的，除了在家庭网关上整合必要的w e b 服务功能之外，还需要实 现一个管理智能电器的服务功能。这个管理电器的服务面向家庭内网管理各种家用电 器，通过在网关内和w e b 服务的交互，由w e b 服务功能向外网以w e b 页面中的超链接 形式发布内网中各类电器的功能接口。 要实现网关管理各类家用电器，即网关能和家庭网络中的设备通信，因此需要定义 一个全新的协议用来实现这个要求，本文给这个新协议命名为智能电器控制协议 i a c p ( i n t e l l i g e n ta p p l i a n c e sc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。文中首先提出了基于该自定义i a c p 协议 的w e b 网关的设计目标和整体设计方案，然后对这个自定义i a c p 协议的设计作了详细 介绍。由于本文的实验主要是在s k y e y e 的硬件模拟环境下实施的，所以对该试验平台 也作了相关介绍。通过s k y e y e 模拟的p c l i n u x 系统实现了i a c p w e b 服务器，并详细分 析了l a c p 服务和w 曲服务的交互过程。还是利用s k y e y e 的硬件模拟环境，分别模拟 了基于p c 0 s i i 和t c l i n u x 系统的家电设备，在每个设备上添加i a c p 客户端构成i a c p 家电设备。最后利用该原型系统验证了i a c p 协议的有效性和可靠性。 相比较设备与设备相互操作构成对等连接，这种采用网关来集中管理设备的结构是 便于管理，对一些资源有限的设备也容易实现。任何一个符合i a c p 协议的家用电器都 可以添加到这个网络中来，而不需额外配置。总体来说这个方法的好处是它的轻量级设 计，设备的自动发现和配置，基于广泛使用的t c p i p 协议。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 家庭网关的介绍 第二章家庭w e b 网关的设计 智能家庭网络的目的是实现家庭内部信息与家庭外部信息的交换，它的实现是通过 家庭网关来完成的。家庭网关是网关在家庭网络中的一个特殊应用，它是以网关的实现 为基础的。网关( g a t e w a y ) 且l j 将两个使用不同协议的网络段连接在一起的设备。它的作用 就是对两个网络段中的使用不同传输协议的数据进行互相的翻译转换，所以家庭网关是 组建家电网络最为关键的设备 9 1 。 家庭网关应具备的两个主要功能是： ( 1 ) 作为所有外部接入网连接到家庭内部，同时将家庭内部网络连接到外部的一种 物理接口。 ( 2 ) 使住宅用户可以获得各种家庭服务( 包括现有服务和未来可能出现的服务) 的平 厶 口。 不同的人或不同的厂商对家庭网关有着不同的定义。r e s i d e n t i a lg a t e w a yg r o u p ( g g ) 是一个在1 9 9 5 年建立的正式的工业论坛组织，它率先采用家庭网关来代表一个集中式 智能接口，将外部的家庭接入网络和家庭内网络联系起来。 r g 的家庭网关定义为：一种简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接 口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个智能设 备。借助引入家庭网关的概念，希望能够为集成不同的外部网络和丰富新的应用提供一 个有效的途径。 目前家庭网关被用于不同类型的产品中，例如网络接口单元设备( 如电话接口盒) 、 d s l 调制解调器、电缆调制解调器、机顶盒、结构布线系统的h u b 、增强的p c 机、结 合家庭网络解决方案的宽带调制解调器，提供某些专门服务的特殊家庭设备等等1 1 0 l 。由 于研究家庭网关的公司众多，目前家庭网关的定义还不统一，因此在过去的几年当中， 许多生产厂商努力推动家庭网关走出其概念阶段，他们对家庭网关的定义分别如下： ( 1 ) c i s c os y s t e m 公司的家庭网关定义是：一个在家庭内的网络化信息设备与智能宽 带接入网之间的智能化网关。 ( 2 ) 2 w i r e 公司的家庭网关定义是：一种将家庭网络无缝连接到宽带网络，使所有家 6 太原理正大学硕士疆究生学位论文 庭内部的连网设备同时享有高速连接的设备。 f 3 ) p a r k sa s s o c i a t e s 认为家庭阙关癍是：连接一个外部网络或多个接入网络，透过 某种类型的家庭网络分配服务给一个或多个设备的设备。即一个集中整个家庭的网关才 能视为一个真正的网关。 从以上各个公司对家庭网关的不同定义可以看出，一般意义上家庭网关应具备作为 内外网的接口、具有标准化和智能化的特点和为家庭用户提供服务等特性，然而这只是 最终的期望。因为根据不同外部接入网络的特点不同，不同的服务提供商有不同的商业 模式，存在不同韵已有的或正在研发翡网络接蹬设备，它涉及许多不同的技术或商业问 题，因此在不远的将来是不会有一个单一的家庭网关解决方案出现。随着新的家庭网关 产品的不断出现，将不尉类型的应用集中于一个装置将是家庭网关研究和开发的未来趋 势。 无论对于何种家庭网关的定义，一个面向现在和未来应用的家庭网络，家庭综合布 线应是成为这些网络应用的基础，没有合理的布线系统，如何能让家庭网关给我们提供 个性化的网络服务呢? 因此，家庭网络布线的作用已不言而语阳。目前家电的家庭局域 网接入方式主要有以下凡静方式：无线方式( 可分为蓝牙方式和w l a n 方式) ，双绞线方 式，电力线方式。备秘方式都有皂豉的优缺点，从网络_ 布线成本看，几种接入方式相差 不大。但是从目前应用的广泛性和使用的方便性而言，双绞线接入方式和无线接入方式 应该是最优选择。是现在绝大多数的住宅使用的是双绞线网络，二是无线网络的方便 性是有线网络是不可比拟的，些可移动家电也必须使用无线连接，所以家庭网关应支 持双绞线和w i a n 的连接功能。电力线局域网由于和家电之间存在的特殊联系( 都使用 电线) ，也必须加以考虑以保持可匏的兼容闷题。毽是无论选择何种介质作为连接方式， 连接历使用的都应该是代到璎协议。 2 。2 家庭w e b 网关的设计目标 家庭w e b 网关是家庭网络的核心，是处于广域网和家庭网络中间的一个节点，即 家庭网络的进出口节点。作为进出阴节点，它应具有网关的功能，实现广域网和家庭网 络之间协议的转换、地址转换和路国功裁，另一方面，既然是w e b 网关，当然要能提 供w e b 服务，从丽允许客户远程访问它。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文的目标是通过网关提供的w e b 页面来管理和控制家庭网络中的电器设备，这 就需要网关不仅要做为家庭网络的进出口结点，还要负责内部网络中电器的管理，并转 换同内部电器的交互信息为w e b 页面形式，向外部网络发布。这种网关同家电的交互 是实时动态的，即家电设备的类型、功能和数量对网关来说是不可确定的，但可以通过 与家电设备的动态交互信息，实时获取当前处于活动状态设备的列表以及每个设备当前 可提供的功能。通过动态交互，获取这些功能的使用方法，并按这些方法来操作电器。 这样该网关就可以在对未来可能加入家庭网络的其他设备未知的情况下，也可以通过动 态交互实现统一控制，而不需要针对每种设备设计一套专用的访问程序，使网关在管理 家电设备上具备通用性和可扩展性。因此，本课题设计的这种新型的家庭w e b 网关， 应具备如下功能： ( 1 ) 内外网连接的物理接u i 该功能主要实现家庭网络与电信网络的连接。家庭w e b 网关作为外部接入网与家 庭内部网络互联的一种物理接口，通过此接口实现家庭内部网络与外部接入网的互访 性。外部接入网可以是一个小区局域网，也可以是因特网。这样网关就为外部接入网上 的用户对家庭内部网络中的信息家电进行远程访问和控制提供了物理连接的基础。 ( 2 ) 需要具备w e b 服务器功能 因为是家庭w e b 网关，所以必须有w e b 服务器功能，这样用户就可以在外部网络 的p c 终端上，通过浏览器查看和设置网关的相关状态信息。w e b 服务可以向用户提供 丰富的页面，方便用户操作。 ( 3 ) 需要具备管理内网电器设备功能 该家庭w e b 网关的主要设计目的是通过网关统一管理家庭网络中的智能设备，所 以在该家庭w e b 网关上需要实现一个管理家庭内网电器的服务，通过该服务实现设备 的自动发现和自动配置，并与当前处于活动状态的电器设备通信，达到控制指令和数据 信息的交互。 ( 4 ) w e b 服务与管理内网家电设备服务的交互 设计该家庭w e b 网关的最终目的是要实现用户的远程控制。网关对外可以通过w e b 服务器发布信息，对内管理家电设备，所以在该家庭网关内部需要完成内外协议的转换 功能，即w e b 服务与家电管理服务的交互。 ( 5 ) 应具备通用性和可拓展性 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 用户通过家庭w e b 网关使用各类家电设备，而家庭中的电器是任意的，以后还有 新的电器加入，i 墨的电器退出，这就要求家庭网关的设计者们必须假定不知道设备是否 存在、两且也不知道设备的名称和设备的功能等有关设备信息，仍旧可以编写通用的网 关服务程序，通过该家庭网关来访问家电设备。反之，如果这些设备的信息事先己经设 定好了，那么就会降低程序的通用性和可扩展性，当设备的信息改变之后，设计者不得 不重新编写相应的控制程序。 综上所述，本文将要设计的家庭w e b 网关不仅要作为外网用户通过w e b 页面访问 内弱设备的掰关，还必须有很好的通焉牲和西扩展性，以适应复杂多变的家庭内部网络。 2 3 家庭w e b 网关的整体结构设计 按照上一小节对该家庭w e b 网关系统的整体设计目标分析后，本课题设计了一种 通过自定义协议管理智能家电的家庭w e b 网关系统。通过该协议，当个新的电器加 入到家庭网络中时，不需要对阏关和设备进行配置，设备便可以蠢动在阏关中注册，并 通过网关囱外以w e b 形式发布自己静状态信息和使用方式。这个专门用于网关同智能 电器动态交互的拇议称为智能电器控制协议i a c p ( i n t e l l i g e n ta p p l i a n c e sc o n t r o l p r o t o c 0 0 ，而这个带有i a c p 服务的家庭w e b 网关我们称它为执c p w e b 网关。 首先当个设备加入到家庭网络时都需要先获得它的i p 地址和子网掩码。如果网 络中有个d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l 动态主机分配协议) 服务器，该设 备便可以通过d h c p 自动注册，通常这个服务可以由网关提供。在另一种a u t o l p 体系 中，设备需要扶预定范围内随祝选取一个p 地址，然后发出一个a r p 请求，来探测这 个口是否被其他设备使用，如果该地址己被其它设备使用，则必须选出和测试另一地 址，直至找到一个未被使用的p 地址。 获得自己的璎地址后，信息家电通过i a c p 协议向家庭i a c p w e b 网关注册， i a c p w e b 网关以w e b 页面形式向外部网络声明当前家庭网络中有哪些可用电器。当用 户对某个家电发出w e b 请求时，由i a c p w e b 网关对该w e b 请求进行分析，解析成标 准命令以i a c p 协议形式发给目标家电，目标家电执行完毕后也按照i a c p 协议形式返 回结果给i a c p w e b 网关，褥由i a c p - w e b 网关把执行结果生成w e b 页面返回给用户。 其总体设计结构如图2 - 1 所示。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 国 字调 咀税目l j 、冒， 、 洗农机一，7 一一，。 图2 - 1 系统总体设计结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo ft h es y s t e md e s i g n 这样不仅把复杂的w e b 服务功能都集中到家庭网关上，减轻了信息家电的实现复 杂度，还可以动态向外声明当前家电网络中的设备列表，发布每个电器的功能信息和使 用方式。这种方式也方便以后新设备的加入，具有很好的通用性和可扩展性。统一的信 息交换方式对于多种电器的w e b 页面管理和标准化也有很大帮助。信息家电只需实现 新协议的接口便可以动态加入到这个网络中，不需对网关作任何专有性的配置。 传统的w e b 服务器被设计用来处理成千上万个用户对普通网站的同时并发访问， 它可以通过自身强有力的硬件平台作为后盾来开展内容繁多的商业服务。而本文设计的 这个家庭i a c p w e b 网关所需的w e b 服务功能比较简单，若也采用通用w e b 服务器的 架构，将是一种资源的浪费，所以应该考虑在嵌入式系统内，实现一个功能相对简单， 体积更小，消耗资源更少的嵌入式w e b 服务器将更具优势。 考虑到l i n u x 的广泛使用及其低廉成本与高度可设定性，而t c l i n u x 又是从l i n u x 派生而来，它专为嵌入式系统做了许多小型化工作，所以本文计划在基于t c l i n u x 操作 系统的嵌入式硬件平台上实现该i a c p w e b 网关系统。具体的硬件平台选择和实验环境 搭建将在第四章中介绍。在第三章中，主要论述了w e b 服务的原理和本文自定义的i a c p 协议的设计过程。第五章将利用第三章h t r p 协议和i a c p 协议的原理，在第四章搭建 的试验平台上，对该i a c p w e b 网关系统的具体实现加以详细说明。最后在第六章中实 现i a c p 客户端，通过运行整个i a c p w e b 网关系统，对试验结果进行验证分析。 l0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章w e b 服务原理与ia c p 协议设计 本文设计的i a c p w e b 网关系统主要包含两个服务，面向外网供外部用户使用浏览 器访问的w e b 服务和面向家庭内网管理各类家用智能电器的i a c p 服务。在本章中，我 们将分别对实现该i a c p w e b 网关所需的w e b 服务的运行原理和i a c p 协议设计的详细 过程进行论述。 3 1w e b 服务器介绍 w 曲服务器也称为w w w ( w o r l dw i d ew e b ) j j 匮务器，主要功能是提供网上信息浏览 服务。通过万维网，人们只要通过使用简单的方法，就可以很迅速方便地取得丰富的信 息资料。由于用户在通过w e b 浏览器访问信息资源的过程中，无需再关心一些技术性 的细节，而且界面非常友好，因而w e b 在i n t e r n e t 上一推出就受到了热烈的欢迎，并迅 速得到了爆炸性的发展。 ；从功能上来讲，w e b 服务器监听用户端的服务请求，根据用户请求的类型提供相应 的服务。用户端使用w e b 浏览器和w e b 服务器进行通信。w e b 服务器在接收到用户端 的请求后，处理用户请求并返回需要的数据。这些数据通常以格式固定、含有文本和图 片的页面出现在用户端浏览器，浏览器处理数据并提供给用户。 w e b 服务器主要解析h t 限协议。当w e b 服务器接收到一个h r r 旧请求( r e q u e s t ) ， 会返回一个h 1 曙响应( r e s p o n s e ) ，例如送回一个h t m l 页面。为了处理一个请求，w 曲 服务器可以响应一个静态页面或图片，进行页面跳转，或者把动态响应( d y n a m i cr e s p o n s e ) 的产生委托给一些其它的程序，例如c g i 脚本，j s p ( j a v as e r v e rp a g e s ) 脚本，s e r v l e t s ， a s p ( a c t i v es e r v e rp a g e s ) 脚本，服务器端j a v a s c f i p t ，或者一些其它的服务器端技术。无 论它们的目的如何，这些服务器端的程序通常产生一个h t m l 的响应来让浏览器可以 浏览【l z j 。 虽然当前存在许多w e b 服务器，但一般的互联网站都采用硬件功能强大的通用w e b 服务器，用来处理内容繁多的商业服务和成千上万个用户的同时并发访问。而嵌入式设 备的处理器能力和存储容量都非常有限，这样的服务器并不能用来在嵌入式设备上面运 行，甚至想要改造它来适应嵌入式环境都非常困难。目前虽然己经有a p a c h e 这样优秀 太原理工大学硕士研究生学位论文 的开源软件，但是嵌入式系统的系统资源不足以来运行a p a c h e ，因此嵌入式系统的开 发人员必须另外开发一个适合于嵌入式设备的w e b 服务器。 3 2h t t p 协议 3 2 1h t t p 协议概述 h t i p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l 超文本传输协议) f 1 习协议是用来构建分布式、协同 超媒体信息系统的应用层协议，它是一个通用的、无状态的协议。哪协议最初用于 w o r l d w i d ew e b 是1 9 9 0 年。h 1 曙协议是目前互联网上最流行的协议，它提供了一种 新型的信息组织方式将信息以超链接的方式组织起来，便于人们阅读，从而改变了人们 获取信息的方式，并极大地促进了i n t e m e t 的发展。h 1 曙是在w e b 服务器和w e b 浏览 器之间通信的协议，由于它规定了发送和处理请求的标准方式，规定了浏览器和服务器 之间传输的报文格式及各种控制信息，允许不同种类的客户端相互通信而不存在兼容性 问题。从而定义了所有w e b 通信的基本框架。 h i t p 协议是基于请求响应机制的。客户端与服务器端建立连接后，以请求方法、 u r i 、协议版本等方式向服务器端发出请求，该请求可跟随包含请求修饰符、客户信息、 及可能的请求体内容的m i m e 类型消息。服务器端通过状态行来回应，内容包括消息的 协议版本、成功或错误代码，也跟随着包含服务器信息、实体元信息及实体内容的m i m e 类型消息。 3 2 2h t t p 报文结构 唧有两种类型的报文：从客户端到服务器的请求报文和从服务器到客户端的响 应报文。其中请求报文的结构如图3 - 1 。 方法l 空格符lu r ii 空格符版本i 回车符i 换行符f 请求行 头域名称j ：i头域值i 回车符i 换行符 通用头域 ： 。 ! 请求头域 l l 。7 失什大峥 头域名称头域值回车符换行符 回车符换行符 附属信息的字节序列 ，7， 图3 - ih t t p 请求报文结构 f i g 3 1h r r pr e q u e s tm e s s a g es t r u c t u r e 1 2 h t t p 头 实体主体 太原理工大学硕士研究生学位论文 镌应报文的结构如图3 - 2 。 ， 版本l 空格符l 状态码l 空格符l 谗嗯l 回车符i 换行符肚态 头域名称：l ：| ：头域值、尊l 嘲车符l 换行符 通用头域 ： 响应头域 l i 一 犬 铲；# i