（通信与信息系统专业论文）家庭网关资源控制和管理技术研究.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学、通信与信息系统 研究方向：i p 与宽带网络技术 作者：陈彬 指导教师：糜正琨 题目：家庭网关资源控制和管理技术研究 iiif l l ii l l il lii llf lj if y 17 5 5 2 8 7 英文题目：t h es t u d yo nr e s o u r c ec o n t r o l a n dm a n a g e m e n t t e c h n o l o g i e so f h o m eg a t e w a y 主题词：资源接纳控制，控制架构模型，家庭网络，家庭网关 k e y w o r d s ：r e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o l ，c o n t r o la r c h i t e c t u r em o d e l ， h o m en e t w o r k ，h o m eg a t e w a y 9 r i ， 南京邮f 乜人学硕j ：研究生学位论文 摘要 摘要 动态资源控制是确保下一代网络( n g n ) q o s 的重要技术。作为运营商业 务提供的最终环节，家庭网络正成为n g n 的重要组成部分。为了满足n g n 的 业务需求，提升用户的服务质量体验，对作为家庭网络核心的家庭网关的资源控 制与管理技术进行研究尤为重要。 。 本文首先讨论i t u t 提出的资源接纳控制功能( r a c f ) 和e t s it i s p a n 提 出的资源接纳控制子功能( r a c s ) ，给出了两者的功能实体描述及其管理流程， 然后分析了r a c f 和r a c s 对家庭网络控制的考虑并指出它们的不足之处。接 着分析比较r a c f 和r a c s 体系架构，并讨论了家庭网关资源接纳控制建模原 则。在此基础上，论文提出了基于r a c f 的家庭网关资源接纳控制架构模型l 和模型2 ，定义了两者的功能实体和参考点，并给出了两者的分析比较。在模型 1 的基础上，描述了具体控制流程，设计了功能模块，给出了家庭网关资源和接 纳控制算法。最后，利用n s 2 仿真平台对所提出的控制架构和控制算法进行了 性能仿真。 仿真结果表明论文研究结果合理可行，达到预期的效果。 关键词：资源接纳控制，控制架构模型，家庭网络，家庭网关 a b s t r a c t d y n a m i cr e s o u r c ec o n t r o li sa ni m p o r c a n tt e c h n o l o g yt h a tg u a r a n t e e sq u a l i t y o fs e r v i c eo fn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) a st h ef i n a l l i n ko fo p e r a t i o n s e r v i c e sp r o v i s i o n i n g ，h o m eg a t e w a yb a s e dh o m e n e t w o r kh a sb e e na ni m p o r t a n t p a r to f n g n t os a t i s f yt h es e r v i c er e q u i r e m e n t so f n g na n d i m p r o v et h eq u a l i t y o f c u s t o m e r s e r v i c ee x p e r i e n c e ，t h er e s e a r c ho n r e s o u r c ec o n t r o la n dm a n a g e m e n t o fh o m eg a t e w a yi so fg r e a ti m p o r t a n c e f i r s to fa l l ，t h ei t u - t p r o p o s e dr e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o lf u n c t i o n s ( r a c f ) a n de t s it i s p a np r o p o s e dr e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r 0 1 s u b s y s t e m ( r a c s ) a r ed i s c u s s e dt o g e t h e rw i t ht h ed e s c r i p t i o n so ft h e i rm a i n f u n c t i o n a le n t i t i e sa n dm a n a g e m e n tp r o c e d u r e s t h e n ，t h ec o n s i d e r a t i o na b o u tt h e r c o n t r o lo fh o m eg a t e w a yu n d e rr a c f a n dr a c si sa n a l y z e da n d t h es h o r t a g e sa r e g i v e n f u r t h e r m o r er a c fa n dr a c sa r c h i t e c t u r e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a n dt h e p r i n c i p l e so fh o m eg a t e w a yr e s o u r c ea d m i s s i o nc o n t r o lm o d e l i n ga r ed i s c u s s e d b a s e do n t h ea b o v ed i s c u s s i o n ，r a c fb a s e dh o m e g a t e w a yr e s o u r c ea d m i s s i o nc o n t r o l a r c h i t e c t u r em o d e l1a n dm o d e l2a r ep r o p o s e dt o g e t h e rw i t ht h ed e f i n i t i o n o f t h e i rf u n c t i o n a le n t i t i e sa n dr e f e r e n c ep o i n t s t h ea n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no ft h e m o d e l sa r eg i v e n a c c o r d i n gt ot h ep r o p o s e dm o d e l 1 ，t h ed e t a i l e dc o n t r o i p r o c e d u r e sa r ed e s c r i b e da n dt h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa r ed e s i g n e d b e s i d e st h e a l g o r i t h mo fh o m eg a t e w a yr e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o li sp r o p o s e d f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dc o n t r o la r c h i t e c t u r ea n da l g o r i t h mi sv e r i f i e d u s i n gt h es i m u l a t o rn s 2 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h er e s e a r c hr e s u i t sa r er e a s o n a b l e f e a s i b l ea n d 印i t hs a t i s f a c t o r yp e r f o r m a n c e 。 k e y w o r d s ：r e s o u r c ea n da d m i s s i o nc o n t r o l ，c o n t r o la r c h i t e c t u r em o d e l ， h o m en e t w o r k ，h o m eg a t e w a y i i ， j l 一一 南京邮电人学硕l 研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录1 i i 第一章引言1 1 1 课题背景一 1 2 研究内容和研究方法2 1 3 论文内容及本人所做的工作。3 第二章家庭网络技术4 2 1 概述4 2 2 家庭网络体系架构4 2 2 】家庭网络架构，4 2 2 2 家庭网关架构8 2 3 家庭网络组网和控制技术9 2 3 1u p n p 协议技术9 2 3 2t r 一0 6 q 协议技术1 2 2 4 家庭网络的q o s 技术15 2 5 本章小结1 6 第三章家庭网关资源接纳控制模型1 3 1 概述18 3 2i t u tr a c f 架构。18 3 2 1r a c f 的总体架构模型18 3 2 2q o s 的资源控制机制2 】 3 2 3r a c f 对c p e 控制的考虑2 3 3 3t i s p a nr a c s 架构2 4 3 3 1r a c s 的功能架构2 4 3 3 2r a c s 对c p e 控制的考虑。2 6 3 4 家庭网关资源接纳控制建模2 7 3 4 1r a c f 和r a c s 的分析比较2 7 3 4 2 家庭网关资源接纳控制建模原则2 8 3 5 家庭网关资源接纳控制模型1 2 9 3 5 1 模型结构一2 9 3 5 2 主要功能实体3 0 3 5 3 参考点r h 3 3 3 6 家庭网关资源接纳控制模型2 一4 l 3 6 1 模型结构4 l 3 6 2 主要功能实体。4 l 3 6 3 模型1 和模型2 的分析比较。4 2 3 7 本章小结4 4 第四章家庭网关资源接纳控制算法4 5 4 1 概述4 5 i i i 南京邮l 【1 人学硕一t ：l i ) f 究生学位论文 目录 4 2 家庭网关资源接纳控制流程4 5 4 3 1 推模式4 5 4 3 2 拉模式4 7 4 3 家庭网关资源接纳控制模型5 1 4 4 基于组合策略的家庭网关资源接纳控制5 2 4 5 本章小结5 8 第五章仿真设计利结果分析5 9 5 1 仿真目标5 9 5 2 仿真平台设计：5 9 5 2 1 拓扑结构5 9 5 2 2 数据源参数6 0 5 2 3 链路容量参数6 1 5 2 4 队列参数6 l 5 2 5 仿真时间6 1 5 3 仿真模块设计6 1 5 3 仿真指标设定6 3 5 3 1 接纳率6 3 5 3 2 丢包率6 3 5 3 3 平均时延6 4 5 3 4 资源利用率。6 4 5 3 5 算法性能指标综述。6 4 5 。4 仿真结果分析。：6 5 5 4 1 参数占对c p b a c 算法性能的影响分析6 5 5 4 2c p b a c 算法性能验证。6 6 5 5 本章小结6 9 结束语7 0 致谢7 1 参考文献7 2 硕十研究生期间发表的论文和科研成果7 5 i v 南京邮电大学硕1 j 研究生学位论文第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 随着家庭业务( v o i p 、i p t v 和交互式游戏等) 逐渐丰富，家庭内部的网络 连接也越来越复杂。此时，简单的宽带接入用户端设备( 如a d s lm o d e m 等) 已 难以满足需要，新一代能够识别并区分多种业务的家庭网关以及由这个网关为核 心构建的家庭网络已成为电信运营商拓展宽带业务市场至关重要的设备和网络 组成部分。首先，从家庭内部业务应用终端的角度看，家庭网关应具有完善的 网络功能。对内支持内部设备的互联互通，形成家庭内部的多业务局域网；对外 是家庭网络和公共网络的惟一接口，屏蔽家庭网络的内部结构和具体设备。家庭 网关应该综合实现各种网络相关的功能，包括：粗颗粒的q o s 、防火墙功能、远 t 程管理功能、多种w a n 和l a n 接口、相关接口协议。其次，从公共网络的角度看， 家庭网关应具有业务支撑和处理功能，应能屏蔽业务的复杂性，由它发送给电信 接入网的业务流，就是带有q o s 标识的i p 包，家庭网络设备只需要配备i p 参数 及相关功能即可。家庭网关的另一个功能是弥补各种终端业务处理能力的不足， 确保公共网络只需要根据o o s 标识就能把i p 包正确传送到目的地。 家庭网关控制涉及到两种协议：u p n p 协议和t r - 0 6 9 协议乜1 。u p n p 协议技 术定义了p e e r t o p e e r 网络连接方式，支持分布式和开放式的网络结构，基于 t c p i p 协议和w e b 技术，提供分布式业务发现、业务控制和数据传送功能，实 现网络设备和服务的无缝互联。t r - 0 6 9 是驻地网设备( c p e ) 的广域网管理协议， 定义了c p e 和自动配置服务器( a c s ) 之间的通信规程以及安全的c p e 自动发现 机制。电信运营商通过该协议可以远程配置和管理家庭网络的设备。 资源接纳控制功能( r a c f ) 3 是下一代网络( n g n ) 支持端到端q o s 的重要 功能实体，是在固定移动融合( f m c ) 架构中实现传送资源控制和边界网关控制 d 的重要手段。在n g n 架构下，r a c f 位于业务控制功能实体( s c f ) 和传送功能实 体( t f ) 之间，根据用户信息、运营商网络策略、业务优先级、接入网和核心网 的资源可用性等多种因素完成q o s 管理的传送资源协商和预留功能，同时还完成 网络地址翻译、防火墙穿越等网关功能。r a c f 根据s c f 提供的业务q o s 请求， 南京邮咆人学硕：十：研究生学位论文 第一章引言 为每种具有n g n 传送资源控制需求的应用提供基于策略的传送资源控制，将业务 请求信息转换成传送资源请求，并命令t f 执行策略决定，从而建立应用特性与 底层传送能力之间的匹配。 提供端到端的q o s 保证和动态资源控制是n g n 的重要特征，也是f m c 的基本 要求，以r a c f 为基础的资源接纳控制架构是未来网络发展和演进的趋势。作为 运营商业务提供的最终环节，家庭网络j 下成为n g n 的重要组成部分。为了满足 n g n 的业务提供需求，提升用户的服务质量体验，对作为家庭网络核心的家庭网 关的资源控制与管理进行研究尤为重要o 目前i t u t 、e t s it i s p a n 等标准化组织和中国电信等电信运营商都在致力 于研究家庭网关的资源控制与管理，但均未给出具体的解决方案。本文主要研究 如何将r a c f 技术应用于家庭网络，实现家庭网关的资源控制和管理功能，进而 完善i t u t 相关标准。同时还对家庭网关的资源接纳控制算法作了仿真研究，通 过仿真结果的分析和比较，验证基于组合策略的家庭网关资源接纳控制算法的正 确性和有效性。 1 2 研究内容和研究方法 本课题研究是中兴科研基金项目“基于三级级联控制体的智能业务提供体系 架构及其关键技术研究”的一部分，研究内容源于运营商的实际需求，研究结果 可应用于制造厂商的产品开发，具有实际应用价值。课题深入研读关于家庭网络 技术、家庭网关设备、n o n 、q o s 、u p u p 和t r 0 6 9 协议等相关文献，掌握n o n 接入控制体系架构( r a c f 和r a c s ) 肺钔标准，深入钻研u p n p 和t r 0 6 9 协议 技术，在此基础上给出家庭网关资源控制与管理的具体解决方案，并对其进行仿 真测试。 课题研究采用循序渐进的方法： 1 ) 基础理论研究：首先认真阅读家庭网络技术和家庭网关技术相关文献， 一 对家庭网络结构和业务种类、家庭网关功能需求有深层次的理解。其次深入钻研 n g n 体系架构( r a c f 和r a c s ) ，对家庭网关在n g n 体系架构中所处位置和 功能有深度的理解。 2 ) 追踪国际最新会议动态：围绕家庭网络资源接纳控制这一新提出的课题， 相关的国际标准化组织正从需求着手逐步深入地展开研究，因此需要定期跟踪会 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 议输出文档及报告，通过跟踪未完善的或者新发掘的有价值的研究点提出相关的 提案，加深理解并确定研究方向。 3 ) 提出自己的解决方案：分析现有架构的不足，研究家庭网关资源控制功 能实体、参考点描述、交互流程、交互消息等，通过提案的方式落实自己的工作， 改进和完善现有标准。 4 ) 仿真验证：通过和项目组其他成员的合作，进行家庭网关资源接纳控制 算法的研究，在此基础上，搭建仿真平台，进行仿真分析。 1 3 论文内容及本人所做的工作 在本项目开展的过程中，通过在项目组中的学习和交流，阅读和理解相关组 织的标准文档，笔者对于家庭网络技术、家庭网关技术和资源接纳控制技术进行 了专题研究。在此基础上，提出了基于r a c f 的家庭网关资源接纳控制架构模 型，定义了主要功能实体，给出了相关参考点的信息，并描述了相关的交互流程。 此研究结果以提案形式递交i t u t ，并被接纳写进相关标准文件。同时在项目组 老师的指导和其他成员的帮助下改进算法，搭建更新仿真平台，验证了所提架构 的合理性和算法的有效性。 论文第一章概述课题研究背景、研究内容和研究方法。第二章简单介绍家庭 网络相关技术，为基于r a c f 的家庭网关资源接纳控制研究做好理论铺垫。第 三章讨论r r u t 和e t s it i s p a n 的资源接纳控制架构和实体。其中，r r u - tr a c f 的架构考虑了接入网、核心网以及外部网络全程的q o s 控制，而t i s p a n r a c s 架构只考虑接入网的控制。进一步，该章研究家庭网络的资源和接纳控制，提出 了家庭网关资源和接纳控制模型l 和模型2 ，藉此确保端到端q o s 。第四章基于 模型l ，提出了家庭网关资源接纳控制的两种控制流程，设计了家庭网关资源控 制的功能模型，并结合家庭网关技术和r a c f 功能特点，提出了基于组合策略 的家庭网关资源接纳控制算法。第五章在前述理论研究的基础上进行仿真分析， 验证了所提算法的有效性和所提架构的正确性。最后，论文对家庭网关技术和资 源接纳控制技术研究进行了总结，对进一步的研究方向做了概括性的讨论。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章家庭网络技术 2 1 概述 第二章家庭网络技术 未来的家庭网络通过家庭网关将公共网络功能和应用延伸到家庭，并以有线 网络或无线网络连接各种信息终端( 如家电、p c 等) ，能提供集成的话音、数 据、多媒体、高质量音视频以及控制和管理等业务和应用，从而达到信息和媒体 在家庭内部终端之间充分共享及家庭终端与外部公网的信息流通的目的。家庭网 络不仅仅是一种网络技术，更重要的是一种服务。未来的家庭业务需要宽带、实 时、交互式连接，对于某些家庭业务必须保证网络性能。家庭网关是管理家庭网 络和业务q o s 的关键设备，应支持新的q o s 管理机制。在r r u t 的n g n 研究 中，横跨核心网、接入网、家庭网络的端到端q o s 是基本需求，家庭网络被看 作是n g n 的一个重要组成部分，家庭网关应完全支持n g n 的各项功能，以便 为家庭用户提供更好的服务。 本章简要介绍家庭网络相关技术，2 2 小节主要从电信运营商的角度讨论家 庭网络的体系架构，2 3 小节讨论家庭网络组网和远程管理控制技术，即u p n p 和t r 0 6 9 协议技术，2 4 小节讨论家庭网络的服务质量问题。 2 2 家庭网络体系架构 2 2 1 家庭网络架构 家庭网络在电信网络中的位置如图2 1 所示，家庭网络经由家庭网关通过接 入网、骨干网与现有的电信业务网络( 如i n t e r n e t 、i v 网、m 电话网、p s t n 、 p l m n 、n g n 等) 和运营管理系统( 业务管理系统、认证计费系统、远程管理 系统) 相连。骨干网是基于口的宽带传送网络。家庭网关接入到公众网络的方 式可以有a d s l 方式、l a n 方式、p o n 方式、无线方式等。 4 南京邮f u 人学硕1 ：研究生学位论文第二章家庭i 叫络技术 篓雾l 圜麟鲤觥| ：卜一l 茎垂：一 | 图2 1 总体网络架构图 在家庭内部网络中的设备通过家庭网关可以和外部网络之间进行信息交互， 这种信息交互是双向的，用户可以使用家庭网络内部设备通过家庭网关连接到公 众网络获取公众网络提供的信息和服务，公众网络可以通过家庭网关获取家庭网 络内部设备所提供的资源和信息，或对家庭内部设备进行控制。 家庭网络应具有的功能包括：与家庭外部网络的连接能力、家庭内部设备之 间的联网能力、远程管理能力、q o s 能力、安全功能、业务处理能力、可扩展能 力和设备自动发现能力等。其逻辑功能实体架构如图2 2 所示： 圆圈 南京邮i 乜人学硕上研究生学位论文 第二章家庭网络技术 t 一一! ! ! ! 地! ! p r o t o ! 型( 盟 p r o p r io t n r yp r o t o c o l ；“0 m e “鼍苗。h “j1 1 胁盱酱n 8 1 “器8l 帆畦c 。o ，蚴d e “l b “ 图2 2 家庭网络逻辑功能架构 家庭网络内部包含四类逻辑功能实体晦6 1 ： 1 ) h a ( h o m ea c c e s s ) ：家庭网络接入功能实体，该功能实体处于家庭网 络边缘，用于连接家庭网络和接入网络。 2 ) h b ( h o m eb r i d g e ) ：家庭网络桥接功能实体，桥接家庭中的网络，使 采用不同物理连接方式的子网能够互连。 3 ) h c ( h o m ec l i e n t ) ：家庭网络客户端功能实体，向用户提供具体的服务， 并且能够和功能实体h d 进行通信。 4 ) h d ( h o m ed e c o d e r ) ：各类家庭网络终端的应用层实体，接收和发送各 类媒体信息。 家庭网络的设备有三类：家庭网关、适配设备、终端设备。其中家庭网关设 备可以实现h a + h b ，即仅支持i p 层以及i p 层以下各层的相关功能，不支持i p 层以上和业务应用相关的功能，或者实现h a + h b + h c ( 指连接h d 的h c ) 功 能，该类型的家庭网关除了具有前一种类型( h a + h b ) 所支持的各项功能之外， 还具有与业务实现相关的各项增皂( 如支持v o l p 的i a d 功能) ；适配设备实现 h b + h ( 指连接h d 的h c ) 功能；终端设备实现h c ( 指不连接h d 的h c ) 或h d 的功能。 从i p 层来看，家庭网络内部相当于个局域网，h a 和各h c 处于同一个子 网范围内，h a 作为该局域网的网关和外部网络相连。图2 ，3 给出了家庭网络架 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章家庭网络技术 构的i p 层参考模型。 图2 3 家庭网络i p 参考模型 h d 与h a 、h c 之间通过私有方式相连，可以看作是h a 、h c 所提供的服 务的外延。h a 在和外部网络相连的网络接口上应具有所连接入网络为h a 分配 的i p 地址，该地址可以是合法的公有i p 地址，也可以是私有i p 地址；在家庭 网络内部，h a 和各个h c 的i p 地址依赖于具体的网络实施。 t 从应用层来看，家庭网络内部和外部网络之间进行交互的应用参考模型如图 2 4 所示。 图2 4 家庭网络应用层参考模型 在家庭网络中h c 、h d 是实际向用户提供服务的功能实体，在这些功能实 体上可以向用户提供具体的服务和应用。用户可以通过外部网络所提供的设备、 操作和控制功能等( 如w e b 界面，在该参考模型中抽象为“控制”) 通过h a 接入到家庭网络，使用h c 或h d 上所提供的服务，典型的工作方式是提供控制 功能的设备( 如手机、计算机等) 向用户提供一种使用界面，然后把用户的命令 传递给提供具体服务的h c 或h d ，并控制提供服务的设备( 如打印机、智能家 电、照明设备等) 完成相应的任务( 如打印服务、空调温度调节、灯光控制等) ， 然后将完成结果反馈给用户。 7 南京邮电人学硕士研究生学位论文 第二章家庭网络技术 家庭网络内部中的某些h c 也可以向用户提供相应的操作和控制界面( 如计 算机，也抽象为“控制 ) ，通过h a 连接到外部网络使用外部网络所提供的服务。 2 2 2 家庭网关架构 家庭网关是用于家庭网络内部各设备与外部网络相互通信的设备，家庭网关 具备以下基本特征n 1 ： 1 ) 支持i p 层功能。 2 ) 作为公共电信网延伸到家庭的最后一个网络节点，具有接口、i p 包传送、 地址分配、q o s 、安全、远程管理、本地管理、家庭内部设备管理等基本功能， 也可以具有一些业务功能( 如v o i p 业务功能、i p t v 业务功能等) 。 3 ) 可以实现家庭网络内部设备的联网。 家庭网关包括四个功能模块：援口功能、传送功能、核心功能和业务功能。 其功能架构参考模型如图2 5 所示： 图2 5 家庭网关功能架构 家庭网关的接口功能包括： 1 ) 外部网络侧接口功能：主要甥家庭网络与家庭外部骑接入网设备或家 庭内部的接入网用户端设备的连接。 2 ) 内部网络侧接口功能：实现家庭网关与家庭内部设备的连接。 家庭网关的传送功能主要实现家庭网络内部设备与外部网络之f a j i p 包的传 送。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章家庭网络技术 家庭网关的核心功能包括： 1 ) 地址功能：实现家庭网关自身i p 地址的获得以及支持家庭内部终端获得 i p 地址。 2 ) q o s 功能：实现多业务流的分级处理及转发。 3 ) 安全功能：防止外部网络对家庭网络的非法访问以及内部网络的非法接 入。 4 ) 远程管理功能：实现运营商对家庭网关的远程管理与控制。 5 ) 本地管理功能：实现家庭网关的本地登录管理与控制。 6 )内部设备管理功能：实现对家庭网络内部设备的管理与控制。 2 3 家庭网络组网和控制技术 2 3 1u p n p 协议技术 通用即插即用技术( u p n p ) 是针对局部网络范围内对等互联而设计的一种应 用层技术标准，目的是为家庭、小型企业、公共场所提供基于i p 技术、易于使 用的网络服务自动发现机制。u p i l p 充分重用包括i p 、传输控制协议( t c p ) 、数 据报协议( u d p ) 、超文本传输协议( h t t p ) 和可扩展标记语言( x m l ) 在内的互联 网技术标准，提供服务的跨平台自动发现和远程控制。采用u p n p 可实现灵活而 强大的业务发现能力，能将复杂的网络设备驱动变为简单的远程网络控制，同时 还能提供互联设备的操作控制和信息共享。 u p n p 系统的基本网络构件包括：设备、服务和控制点。 u p n p 设备是提供服务的网络实体。对于具有多种功能的综合信息设备，可 以在逻辑上分解为一个根设备和若干个嵌入式设备，其中，根设备提供核心功能， 嵌入式设备提供附加功能。例如，一台包含打印功能的扫描仪，扫描仪可以称为 根设备，提供扫描服务，内置于扫描仪中的打印机就被称为嵌入式设备，提供打 印服务。： 服务是u p n p 系统中最小的可控制单元，它包括一系列可控动作和一组记录 该服务目前进展情况的状态。 控制点就是控制u p n p 设备工作的网络终端，主要功能包括：获取设备描述 9 南京邮电大学硕一l ：研究生学位论文 第二章家庭网络技术 和相关服务列表；获取感兴趣的服务描述；发出控制消息控制设备动作；向感兴 趣的服务发出订阅消息，以便当服务状态改变时，自动获得事件通知。例如，当 通过p c 机选台收看电视时，电视机就是设备，p c 机就是控制点。 u p n p 系统的协议栈如图2 - 6 所示。可以看出，u p n p 遵从i n t e r n e t 设计的基 本原则，利用很多i n t e m e t 标准协议，具有很好的兼容性和可扩展性，易于设计 和快速开发。 图2 - 6u p n p 协议栈 应用层传送的核心内容就是远程服务调用指令和相应的交互信息，其格式遵 从u p n p 论坛定义的u p i l p 设备架构( u d a ) n3 标准，论坛已标准化1 3 种典型信息 终端设备的u d a 描述。除此以外，应用层消息还可包括由u p n p 论坛工作委员 会定义的补充信息以及由u p l l p 设备厂商定义的特定信息。 上述应用层的服务控制过程都通过远程对象调用实现，对象描述和调用指令 通过简单对象访问协议( s o a p ) 随3 传送。服务状态信息的变化被抽象为事件， 其订阅和通知通过通用事件通知架构( g e n a ) 1 协议实现。服务发现机制和 w 曲s e r v i c e s 类似，通过定义个专门的发现协议实现，只是该协议较为简单， 称之为简单服务发现协议( s s d p 嗲n 训。这些协议消息都封装在互联网上广为使 用的h t t p ( 1 1 】中，其中h t t p u 和h t t p m u 分别支持单播和多播应用环境，整 个协议栈建立在公共的t c p u d p i p 协议基础之上。 基于u p n p 的服务自动发现和调用过程包括6 个功能：寻址、发现、描述、 1 0 d 南京邮电大学硕l 研究生学位论文第二章家庭网络技术 控制、事件、展示，如图2 7 所示。 图2 7u p n p 工作过程 1 ) 寻址功能：支持设备获得i p 地址，这是基于i p 网络技术的u p n p 系统 首先必需解决的问题。u p n p 首选采用动态主机配置协议( d h c p ) 寻址机制。每个 设备应配备一个d h c p 客户端，在首次与网络相连时，利用d h c p 服务，使设 ， 备得到一个i p 地址。如果网络中没有可用的d h c p 服务器，设备使用自动i p 寻 址确定其地址。 2 ) 发现功能：实现控制点搜索网络上的u p n p 设备，同时u p n p 设备也要 宣告自己的存在。当一个新设备被添加到网络后，会通过标准的本地多播地址多 播发现消息宣告其根设备和嵌入式设备服务。所有控制点将监听该多播地址，获 取设备所宣布的新能力可用信息。同样，当一个新控制点被添加到网络后，它会 多播一条发现消息来搜索感兴趣的设备或服务，或同时搜索两者。所有设备均必 须监听该多播地址。 3 ) 描述功能：实现u p n p 设备服务的形式化描述。控制点在发现了一个设 备之后，为了更多地了解设备及其功能，并与设备交互，必须从发现消息中得到 设备描述的统一资源定位( u r l ) 信息，并通过u r l 取得设备n 务的描述信息。 4 ) 控制功能：实现控制点向u p n p 设备发出动作指令。在接收设备和服务 描述之后，控制点就可以根据描述向这些服务发出动作指令，同时控制点也可以 接收关于动作执行结果的响应。发出动作指令实质上就是一种远程过程调用，控 制点将动作对象调用发送到设备服务，当动作完成( 或执行失败) 后，服务返回相 应的结果或出错信息。在u p n p 中，控制过程是由控制点向服务的控制u r l 地 址( 在设备描述的服务元素c o n t r o lu r l 子元素部分提供) 发送一个s o a p 消息实 南京邮i 【1 人学硕j 二研究生学位论文第二章家庭网络技术 现的。 5 ) 事件：如果控制点订阅了事件，那么当相关服务状态改变时，u p n p 设备 将向控制点发出通知消息。控制点发现该设备和取得该设备及其服务的描述之 后，就可配置事件触发功能。一个u p n p 服务描述包括服务响应的动作列表和运 行时描述服务状态的变量列表，如果一个或多个状态变量可以被事件触发，服务 将会在这些变量发生变化时发布更新，控制点可以通过订阅获得此信息。 订阅者可采用g e n a 的订阅( s u b s c r i b e ) 方法发送订阅消息。服务收到订 阅消息后，返回的响应中包括：唯一的订阅标识符、事件消息交付u r l 、事件 编号、订阅持续时间。 服务通过发送事件消息来发布其状态变量的变更，这些消息包含一个或多个 状态变量名以及这些变量的当前值。 6 ) 展示：是u p n p 的任选功能，利用此功能，控制点可以方便地监视或控 ， 制u p n p 设备。当控制点发现设备并取得设备描述之后，如果描述中包含展示 u r l ，控制点就可以通过此u r l 获得一个页面，并在浏览器中加载该页面。根 据页面功能，用户可以控制设备和或浏览设备状态。展示u r l 包含在设备描述 的p r e s e n t a t i o nu r l 元素中，取得展示页面通过一个基于h t t p 的过程完成。 2 3 2t r 0 6 9 协议技术 t r 0 6 9 是由d s l 论坛开发的技术规范，其全称为“c p e 广域网管理协议”。 它提供了对下一代网络中家庭网络设备进行管理配置的通用框架和协议，用于从 网络侧对家庭网络中的网关、路由器、机顶盒等设备进行远程集中管理。 在t r 0 6 9 定义的网管模型中管理服务器称为a c s ，负责完成对c p e 的管 理。a c s 与c p e 之间的接口称为南向接口，a c s 与运营商的其他网管系统、业 务管理系统、计费系统之间的接口称为北向接口，t r 0 6 9 协议主要定义南向接 口的标准他1 。t r 0 6 9 协议是_ 个位于i p 之上的应用展协议，这使得该协议的 j 适用性很广，对接入方式没有限制。基于不对称数字用户线( a d s l ) 、以太网、 无源光网络( p o n ) 等接入方式的c p e 均可以使用此协议。基于t r 0 6 9 的网管架 构如图2 8 所示。 南京邮电人学硕上研究生学位论文第二二章家庭网络技术 a c s 北向接口 a c s 南向接口( c w m p 协议范围) a c s ：自动配置服务器c p e ：用户终端设备 b r a s ：宽带接入服务器l a n ：局域网 ，瞄 础牮 “。j 门! 黪避 被竹理的c p e ( l a 侧设备) c w l i p ：c p e “域网管理协议 i ) s l a m ：a d s l 接入复用器 图2 8 基于t r - 0 6 9 网关架构图 t r 0 6 9 协议在设计上充分借鉴了w e b 技术的优点，传输基于t c p 。a c s 与 c p e 之间的交互采用h t t p 方式，其中a c s 作为h t t p 服务器，c p e 作为客户 机。实际的管理操作通过基于可扩展标记语言描述的远程过程调用( r p c ) 完成， 目前的版本中为c p e 定义了9 种基本r p c 、6 种可选r p c ，为a c s 定义了2 种 基本r p c 、2 种可选r p c 。t r - 0 6 9 协议分层结构如图2 - 9 所示。由于使用了很 多w e b 中的成熟技术，t r 0 6 9 的实现相对简单，对于终端产品来说，降低了开 发、实现的难度。 图2 - 9t r - 0 6 9 协议分层结构 为适应终端数量巨大、地址不固定的特性，t r 0 6 9 定义的交互流程中，管 理交互都是由c p e 发起，由c p e 来“请求”a c s 进行管理( 如图2 1 0 所示) 。当 a c s 希望启动对c p e 的管理时，协议定义了一个反向触发机制：c p e 建立维护 丽撇业 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章家庭网络技术 一个用于侦听的h t t p 端口，这个端口信息在c p e 初始连接时报给a c s ，当a c s 希望对c p e 进行管理时，a c s 向该端1 ：3 建立t c p 连接并发送空的p o s t 报文， c p e 收到该报文后随即启动正向的h t t p h t t p s 连接，请求自动配置服务器的 管理。 建赢t c p 连接 。 卅卜 n h t t p - p o s t 通知请求 7 h t t p r e s d o n s e 、 通知响应 h t t p p n s t r h t t p r e s p o n s e 、 g e t p a r a m e t e r v a l u e s 请求 h t t p p o s t。 g e t p a r a m e t e r v a l u e s u l ；i j 应 7 h t t p r e s d o n s e 1 s e t p a r a m e t e r v a l u e s 请求 h t t p - p o s t s e t