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智能家庭网关的兼容性研究及其实现 摘要 智能家庭网络是信息时代带给人们的又一个高科技产物。它借助 现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为 人们提供各种丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服 务。 家庭网关是连接家庭内联网设备的重要媒介，它负责在家庭网络 内传递信息，控制设备来完成任务。一个家庭网络中往往存在多个网 关设备。 智能家庭网络是一个新兴的市场，巨大的市场前景吸引了众多的 厂商进入这一领域，并且推出了很多成功的产品。智能家居设备、网 络冰箱、数码照相机等等各种设备正在越来越多的进入家庭，让人享 受到现代家庭的乐趣。 这也造成了家庭网络中各种不同设备共存，各种协议共存的现状。 同时，随着各种应用的普及，对于各种不同设备之间的互通互连 的要求将会越来越强烈。但是在利益的驱动下，不同厂家生产的不同 设备往往只支持某种特定的协议。要做到这些设备之间完全无障碍的 互通互连是不可能的。 具体的协议比如o s g i ( o r ，e 1 1 s e r v i c e g a t e w a yi n i t i a t i v e ) ，u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 都是一套独立的协议体系，天生不会考虑 到与其它协议之间的互通互连要求，它们只在遵循自己协议的设备之 l 间做到了互通互连。同时，如果在现有设备之上添加与其它设备互连 的组件会无端增加设备的生产成本并且降低设备的处理效率。 为了不增加设备与协议的工作量，同时能够做到设备之间的互通 互连，本文提供了一种解决方案。 这个方案模型旨在解决家庭网络中设备的兼容性问题，能够使家 庭网络里面的设备以一种简便有效的方式互通互连，共同合作完成复 杂的任务。 最后，我们设计搭建了一个试验系统进一步验证了这个模型的可 行性。 关键字： 智能家庭网络，家庭总网关，o s g i ，u p n p ，兼容性 t h er e s e a r c ho nt h ec o m p a t i b i l i t yo ft h e i n t e l l i g e n th o m eg a t e ，a ya n di t s i m p l e m e n t a b s t r a c t t h ei n t e l l i g e n th o m en e t w o r ki sa n o t h e rg i f tf o rh u m a n b e i n ga tt h e i n f o r m a t i o nt i m e s i tc o n n e c t sa l lk i n d so fd e v i c e sa n dh o u s e h o l d a p p l i a n c e sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e rn e t w o r k ，p r o v i d e s s e r v i c e sc o n v e n i e n t l ya n d s a f e l y t h eh o m eg a t e w a yi st h e i m p o r t a n tm e d i at o c o n n e c tt h ed e v i c e s w i t h i nt h eh o m en e t w o r k i t sr e s p o n s i b i l i t yi st ot r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o n i nt h eh o m en e t w o r ka n dc o n t r o lt h ed e v i c e st of i n i s ho n e j o b t h e r ea r e o f t e ns e v e r a lg a t e w a yd e v i c e si no n eh o m e n e t w o r k t h e i n t e l l i g e n t h o m en e t w o r ki sa p r o s p e c t m a r k e t n o w m a n y c o m p a n i e s a r ea b s o r b e di n i t t h e yd e v e l o p e d al o to f p r o d u c e s s u c c e s s f u l l y m a n yd e v i c e s n o wa r eu s e di nt h e f a m i l y s u c ha st h e i n t e l l i g e n th o u s e h o l dd e v i c e ，n e t w o r kr e f r i g e r a t o r y ，d i g i t a lc a m e r aa n d s o o n t h e r ea r ed i f f e r e n td e v i c e si nt h es a m eh o m e g a t e w a y w h i c hb a s eo n t h ed i f f e r e n t p r o t o c o ln o w a t t h es a m e t i m e ，t h ed e s i r ef o rt h ec o n n e c t i o n i nt h e s ed e v i c e si sg r o w i n g b u tt h e s ed e v i c e sp r o d u c e db yd i f f e r e n tc o m p a n i e sa l w a y ss u p p o r t o n es p e c i a lp r o t o c 0 1 t h a t si m p o s s i b l et oc o n n e c ta l lo ft h e s ed e v i c e s s m o o t h l yu s i n gt h e s ed i f f e r e n tp r o t o c 0 1 o n es p e c i a lp r o t o c o l s u c ha s o s g i ( o p e n s e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) ，u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) i s a n a b s o l u t e l ys y s t e m u s i n g t h i ss a n l e p r o t o c o l ，t h e d e v i c e sc a n c o n n e c te a c ho t h e r ，b u ti tc a n n o tb es u r et oc o n n e c tt h ed e v i c e su s i n g a n o t h e rp r o t o c 0 1 t h e s ed e v i c e sa l s ow o n ta d ds o m ec o m p o n e n t st o e n a b l et h i sc o n n e c t i o nb e c a u s eo f t h e p r o d u c t i v ec o s t a n d e f f i c i e n c y i no r d e rt oe n f o r c et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ed e v i c e sa n dn o ta d d t h ec o s tf o rt h a tc o m m u n i c a t i o n ，t h i sa r t i c l ep r o v i d e saw a yt or e s o l v et h i s q u e s t i o n t h em o d e ld e d i c a t e st or e s o l v et h ec o m p a t i b i l i t yo fh o m eg a t e w a y t h eh o m e g a t e w a y i so f t e nu s e da sad e v i c et oc o n t r o lt h ed e v i c e su s i n g o n ep r o t o c 0 1 i fw ec a nr e s o l v et h ec o m p a t i b i l i t yo ft h e s eh o m e g a t e w a y s ， w ec a nd or e s o l v et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ed e v i c e s a t l a s t ，w ed e s i g n e d at e s ts y s t e mt ov e r i f yt h em o d e l k e yw o r d s ： z h o u x i n h u a ( c o m p u t e rs c i e n c e ) s u p e r v i s e db y c a o q i y i n g i n t e l l i g e n t h o m e n e t w o r k ，h o m eg a t e w a y ，o s g i ，u p n p ， c o m p a t i b i l i t y 4 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文是本人在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：司辛印悼 日期：如叶年，1 月e t 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 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，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可 以将本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 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名 周新昨 日期：m 年朋，o 日 指导教师签名：l 钞专i 廷 日期：z 即毕年f 3 月；口日 东华大学硕士学位论文 智能家庭网关的兼容性研究及其实现 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 智能家庭网络是正在兴起的新兴产业，是普适计算的重要应用，必将对人类 生活方式产生深刻的影响【”。它借助现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电 和设备连网，通过网络为人们提供各种丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安 全和高效的服务。 巨大的市场前景吸引了众多不同种类的厂家进入家庭网络这个领域嘲，由于 智能家庭网络所涉及的范围非常广泛，可以包括计算机技术、自动化技术，互联 网技术等，芯片制造商、家庭网络软硬件提供商、通信设备厂商和服务提供商、 家电生产厂商、家庭电脑生产厂商、电工电气产品生产厂商、智能家居系统生 产厂商等种类的商家纷纷推出自己的智能家庭产品，造成目前家庭网络中各种设 备共存，各种协议共存的状况 3 1 。 本文就是旨在研究在各种设备充斥的家庭网络中，如何实现各种设备之间的 方便快捷有效的互连互通，满足用户对家庭网络设备能使生活更方便更美好的愿 望。 1 2研究问题的提出 家庭网络中存在各种各样的设备，这些设备使用了不同的协议，具有不同的 功能，提供不同的服务，使用同种协议的设备之间通讯不是问题，那么如果是使 用不同协议的设备之间的互连互通又如何达到呢? 一般的家庭网络中都存在家庭网关这个设备，它是用来协调家庭网络内部各 设备以及家庭网络与互联网之间通讯的关键设备。但是，现存的家庭网关设备往 往只是完成很单一的任务，往往只能处理一种协议，而不考虑使用不同协议设备 之间的通讯。新式的家庭网关( 我们称为家庭总网关) 应该具有能够兼容各种协 议各种设备，并且为家庭中其他设备或者客户端提供关于家庭网络内所有设备的 信息，客户端( 或者设备服务的使用者) 能够根据这些信息来获取设备的服务。 4 东华大学硕士学位论文智能家庭网关的兼容性研究及其实现 也就是说，家庭总网关能够辨析使用各种协议的设备所提供的服务，并且能 够发布所有的服务来被客户端调用。 1 3 目前的研究现状 每一个企业或者组织所关心的往往是他们所生产的设备之间相互通讯，这是 通过让这些设备都遵守一个共同的协议来实现的。相互竞争的局面势必更加造成 家庭网络设备的繁多与不统一，利益驱使他们尽自己最大的努力来让自己的设各 占据展大的份额，让自己的协议产生最大的影响，并成为大家都遵守的行业标准。 然而，由于厂家众多，要达到这个目标就非常困难。同时，各协议之间的统一协 调工作远远没有被充分重视，以至于这方面的研究很少被提及和考虑。 1 4 本文的主要工作 本文主要在分析o s g i 4 和u p n p 5 1 协议的实现的基础上，提出一种解决家庭 网络中家庭总网关兼容性的一种方案，并且最终搭建了一个试验系统来验证这个 方案的可行性。 其实，要统一所有的设备和协议是不可能的，考虑兼容所有协议也基本上是 不可能的，我们只能做到最大限度的兼容，能够实现大多数设备的互连互通。 1 5 本文的结构 本文主要为解决家庭网络中家庭总网关兼容性进行了一些探索，结构如下： 第二章：介绍智能家庭网络的相关技术背景； 第三章：通过介绍o s o i 协议中b u n d l e 服务包的一个实例来了解o s g i 协议 的内部机制； 第四章：介绍u p n p 协议即插即用的实现，并用一个具体的示例来展示协议 的实现： 第五章：家庭总网关兼容性的研究，并提出解决兼容性的思路： 第六章：搭建了一个试验环境来验证家庭总网关的兼容性； 第七章：结论与展望。 5 东华大学硕士学位论文智能家庭网关的兼容性研究及其实现 第二章智能家庭网络的相关技术背景 2 1 普适计算 随着计算技术的发展，我们已经由p c 时代进入网络时代，进而进入后p c 时 代。i b m 在1 9 9 9 年创造了一个名词_ 普适计算”( 又叫“普及计算”， p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 。“普适计算”指的就是，“无论何时何地，只要您需要，就 可以通过某种设备访问到所需的信息”。从计算技术的角度来看，人类已经由网 络计算逐步延伸到了普适计算。 通俗来讲，普适计算的含义十分广泛，所涉及的技术包括移动通信技术、小 型计算设备制造技术、小型计算设备上的操作系统技术及软件技术等。普适计算 是指无所不在的、随时随地可以进行计算的一种方式；主要针对移动设备，比如 信息家电或某种嵌入式设备，如掌上电脑、b p 机、车载智能设备、笔记本计算 机、手表、智能卡、智能手机( 具有掌上电脑的一部分功能) 、机顶盒、p o s 销 售机、屏幕电话( 除了普通话机的功能还可以浏览因特网) 等新一代智能设备。 普适计算设备可以一直或间断地连接着网络。与i n t c m e t 、i n t r a n e t 及e x t r a n e t 连 接，使用户能够随时随地获取相关的各种信息，并做出回应。由于普适计算设备 的高度移动性，所以也被称为移动计算。普适计算提供了经由网络，使用各种各 样的普适计算设备，访问后台数据、应用和服务的功能。无论使用何种普适计算 设备，用户将能轻易访问信息，得到服务。普适计算降低了设备使用的复杂性， 帮助提高在外办公人员的效率和人们的日常生活水平。 从软件系统的角度来讲，普适计算是指使用小型计算设备、在位置不断移动 的过程中或在地理位置分布很广的范围内，在不稳定的通信条件下实现联机事务 处理和企业核心数据访问。这些小型计算设备，具有多种通信手段，如移动通信 网络、卫星等，能与互联网或企业内部网相连，但这种连接不是固定的连接，而 是间断的连接。普适计算的软件技术使用户可以使用这些设备进行复杂的联机事 务处理和信息访问，因为用户所使用的设备体积小，可用的计算资源( 内存、存 储设备和c p u ) 都相当有限，大部分处理工作由计算中心的数据服务器和应用 6 东华大学硕士学位论文智能家庭网关的兼容性研究及其实现 服务器完成。 i n t e m e t 与网络的迅速普及应用，并向家庭领域不断扩展，使消费电子、计 算机、通信( 3 c ) 一体化趋势日趋明显：信息时代的来临，使嵌入式系统日益 受到市场和厂家的关注，嵌入式设备越来越普及，这也促进了普适计算的发展。 2 1 1 普适计算和无线互联及网络计算的关系 i b m 提出“普适计算概念时，是为了用来描述个人计算机不再处于创新核心 的时代，有意地不将其称之为无线时代。因为i b m 看到计算、通信、存储和处 理的功能从传统的计算机转移到各种各样的设备上。今天，我们还仅仅把普适计 算与移动电话、p d a 联系了起来，但是计算正在以不同的形态和体验出现 它正在不断装入气泵、计量表、电器和衣物中。对于m m 这样的公司而言，“普 适计算”之所以重要，是因为它对基础设施和前端设备的影响同样重要。对企业 的经营来说，“普适计算”将改变企业与其客户、供应商和员工之间相互交流的方 式。通过随时随地地接触客户和移动办公来从电子商务投资中获取更多的收益。 更重要的是，普适计算对被信息包围着的人类来说，可以降低设备使用的复杂程 度，使我们的生活更轻松、有效率。 实际上普适计算是网络计算的自然延伸，它使得不仅p c 机而且其它小巧的 智能设备也可以连接到网络中，从而方便人们即时地获得信息并采取行动。当这 种运算模式普遍采用后，人们就可以以一种致的方式，使用所喜欢的设备( 主 要是嵌入式系统设备) ，随时随地获得信息。所谓“一致的方式”，强调的是关键 信息、关键数据的一致，而它的表现形式可以是多样化的，因用户喜好、设备等 因素而异。 2 1 2 普适计算与传统运算模式的比较 普适计算与传统运算模式有很大的不同，从而对提供服务的基础设施提出了 新的要求。传统运算模式是两层结构：针对某种设备设计某种系统，以适合该种 特定设备访问和显示。在设计时，必须针对那种特定设备的网络协议和显示性能 进行设计。 普适计算模式在实现多种应用服务对多种智能设备的连接时存在很大的困 难，这使得每增加种设备都需要改写那些应用服务，而每增加一种服务都需要 改写那些设备上的应用程序。这种限制是由于现有系统的层次结构所决定的。然 东华大学硕士学位论文 智能家庭网关的兼容性研究及其实现 而，我们很难预见未来还会出现什么新颖的，用户乐于使用的智能设备；而且有 的设备可以双向通信，有的只能单向被动地接收信息。现有系统在扩充对新设备 和新应用服务的支持时非常复杂。例如，今天我们已经可以用s m s ( 短消息) 和w a p 手机访问股票信息，我们不能预见明天的热门设备是什么，况且，每个 人的个性因人而异，对设备的喜好也希望个性化，未来的信息设备将会是群雄并 起，百家争鸣。 2 1 3 普适计算需要的条件 第一，处理器价格越来越便宜，而体积越来越小，使得计算机功能得以广泛 应用。可以将计算机部件安装在任何用于监控或采集数据的各种小型计算物理设 备上，例如家用电器、数据采集器、跟踪器等。 第二，高的网络带宽也确保了网络连接更快、更方便、更便宜，更完善的网 络保证了网络连接的质量和效率。 第三，现在已被广泛应用的蜂窝技术也有了很大的发展。蜂窝式移动通讯系 统的覆盖能力和范围比任何通信系统都要广，且价格低廉。蜂窝电话不必插在 墙壁上，用户在任何地方都能打。通过蜂窝技术的连接，不用物理连线就可以将 p o s 销售机连到局域网上。 2 1 4 普适计算的特性 间断连接与轻量计算是普适计算最重要的两个特征。普适计算的软件技术就 是要实现在这种环境下的事务和数据处理系统。 普适计算的第一个特征是间断连接，是服务器能否不时地同用户( 特别是移 动用户) 保持联系。用户必须能够存取服务器信息，在中断联系的情况下，可以 处理这些信息。所以，企业计算中心的数据和应用服务器能否同用户保持有效的 联系就成为一个十分关键的因素。由于有部分数据要存储在普适计算设备上，普 适计算中的数据库成为一个很关键的软件基础部件。例如，新型的汽车上安装了 许多小型的车用计算机部件，用来控制燃料的使用，根据温度和气压调整发动机 的运转。这些部件彼此相连，并把测出数据作为汽车运行保养的分析基础数据。 当汽车修理时，修理人员插入一个计算机连接器件，获取这些数据来分析。还可 以增加复杂的数据连接功能，如连接到全球定位系统，让司机准确获知当前的位 置，与电子地图相连，输入目的地，显示出到达目的地的最快路径，以及连上互 b 东华大学硕士学位论文 智能家庭网关的兼容性研究及其实现 联网其它信息，如天气预报、饭店的地址和电话等。完善的数据连接功能可以为 用户提供更多的服务。 普适计算的第二个特征是轻量计算，即计算资源相对有限。普适计算主要用 于商业用途的数据处理，通常针对移动办公的工作人员和需要经常在旅途中存取 公司系统数据的职员，他们需要不受地域和时间限制地获取和处理核心系统上的 数据。 2 1 5 普适计算对数据库的要求 数据库是实现普适计算的重要基础。如果直接把传统的关系型数据库应用移 植到移动设备上，对数据库的开销要求较高。普适计算中数据库要解决的两个问 题是：第一是数据复制的实现，也可称为数据同步化，确保随时随地数据一致， 并促使设备与服务器的数据双向流动。第二是开发支持标准a p i 和s q l 子集的 小型d b 2 ，使用户可以将已有的应用程序，方便地移植到这些设备上，也可以 用相同的工具和a p i 来编写新的应用程序；同时保持较低的系统开销和较高的 数据处理性能。所用的数据则来自用数据复制功能从中心服务器获得的数据。 普适计算的数据库必须是一种具有持久存储机制的可缩放数据库环境，可以 存储大量数据，并且能保证操作过程中即使断电也不会丢失数据。通常的办法是 把数据放在f l a s h 内存中，所以数据恢复技术与普通的数据库不太一样。多用户 环境中的数据库服务要考虑记录锁定的问题，所以具有并发控制机制，但移动式 数据库并不一定需要封锁机制。此外，由于数据量较少，索引也相应减少，些 传统的查询优化技术也变得不太重要，所以移动式数据库与典型的数据库差别还 是较大的。因此，对数据库就有三个基本要求： 第一，在普适计算设备上安装一个系统开销低的小型数据库管理系统，用于 在本地存取信息。由于设备通常很小，数据库管理系统必须要比目前更小才能适 合这些设备。 第二，在软件的分布、数据备份和恢复、移动存取等方面，要具备高效、实 时的数据复制能力。保证移动设备上的数据与企业数据库中的数据同步，因此， 对数据库的各份和恢复、分布式数据库管理等方面都有特殊要求。 第三，普适计算也与电子商务紧密联系在一起，那些电子商务应用程序要求 9 东华大学硕士学位论文 智能家庭网关的兼容性研究及其实现 能够交流、存取信息。 i b m 的d b 2 数据库移动版本是一套比较成熟的普适计算数据库产品，安装 在移动设备上时，提供了一系列的功能选项供用户选择，除了创建表、插入、删 除、修改、查询、排序、主关键字、索引和连接操作等数据库核心功能外，其它 扩展功能如子查询、聚集、并发控制、备份和恢复等都可以根据实际情况有选择 地配置。 2 1 6 普适计算对于系统开销的要求 按普适计算对于系统开销的要求通常可以分为三种类型，分别使用三类操作 系统，适用于不同类型的用户，针对不同的市场，有三种不同的数据存储需求。 第一种是w i n d o w sc e ，它具有典型的前端办公形式应用程序，是用于商务 处理的完整操作系统，在小型轻便个人计算机上运行。用户用微型键盘输入数据， 整个系统开销大约为2m b ，所以数据库的开销很小，大约只有lm b ，物理存 储量约在5 0 0m b 6 0 0m b 之间。 第二种是手持设备( 又叫掌上机，p a l m ) ，运行生产商特制的掌上机操作系 统( p a l mo s ) 。这种设备比w i n d o w sc e 设备更小，通过手写笔进行数据录入， 配有一个很小的浏览窗口。通常该设备上数据库可用的内存容量小于1 m b ，物 理存储量在5 0 0 m b 以下。 第三种设备的代表是汽车的内置计算机部件。这种设备只有1 0 0k b 的内存， 没有硬盘存储，运行用专用的实时操作系统开发商开发的操作系统。 2 1 7 普适计算用途及前景 普适计算主要用于商业，通常针对移动办公的工作人员和需要经常存取公司 系统信息的职员。现在的计算机部件越来越小，因此，可以将这些功能集中于一 种设备来取代各种专用设备，如取代电话、呼叫器、计算机和网络连接等设备。 正在兴起的普适计算带来许许多多新的机会，数字家庭就是其中之一。它将 改变人们未来的生活方式。数字家庭能通过家庭网关将宽带网络接入家庭，家庭 内部的网络可以是无线或有线的。在家庭内部，手持设备、p c 或者家用电器通 过有线或者无线的方式连接到网络，从而提供了一个无缝、交互和普适计算的环 境。人们能在任何地点、任何时候访问社区服务网络，比如在社区里预定一场比 赛的门票，电子家庭解决方案通过高级的设备与电器诊断、自动定时、集中和远 1 0 东华大学硕士学位论文智能家庭网关的兼容性研究及其实现 程控制等功能，令生活更方便舒适；通过远程监控器监控家庭的情况，使生活更 安全。i b m 提出普适计算概念的目标是发展更具实用意义的各类信息终端产品， 从而真正实现电子商务向信息终端产品的延伸。目前，i b m 已将普适计算确定 为电子商务之后的又一重大发展战略，并开始了端到端解决方案的技术研发。 2 0 0 0 年i b m 公司发布了i b m w e b s p h e r ee v e r y p l a c es u i t e 聚基于服务器端的 w e b s p h e r ee v e r y p l a c e 软件套件和基于客户端的w e b s p h e r ee v e r y p l a c e 软件套件 的嵌入式版本。 i b m 公司负责普适计算的高级副总裁m i c h a e lr h o d i n 先生认为实现普适 计算的基本条件是计算设备越来越小，方便人们随时随地佩带和使用。在计算设 备无时不在、无所不在的条件下，普适计算才有可能实现。但计算设备功能的增 强和体积的交小带来了一个人们必须面对的问题：如何有效地操作这些设备? 解 决的办法只有一个：让计算机学会理解人的表情、感受，最终让人以最自然的方 式使用计算机。例如，i b m 研发的b l u e b o a r d ( 蓝板) 技术，是一片薄薄的屏幕 板，使用者只用其胸前挂着的看上去与普通员工卡没什么两样的小卡片，对准蓝 板一下，就可以显示出其个人主页及定制好的其它内容。其后的一切操作和任务 都只靠使用者的手指在蓝板上指指划划就全部搞定了，包括查阅资料、共享文件、 与同事实时互传信息、发送指令、布置任务、协同工作等。简直是太方便了! 有 了b l u e b o a r d ，将来人们旅行时。不再需要携带计算机，只需带着这张小小的卡 片，进入系统就可以在任何地方工作或传递信息，这张小小的卡片就成了一台计 算机。 2 2 嵌入式系统 嵌入式系统是以嵌入式计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用， 软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求 的专用计算机系统。和通用计算机不同，嵌入式系统是针对具体应用的专用系统， 目的就是要把一切变得更简单、更方便、更普遍、更适用；它的硬件和软件都必 须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性 能。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及特定 的应用程序等四部分组成，是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”；用于实现 东华大学硕士学位论文智能家庭网关的兼容性研究及其实现 对其它设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统应具有的特点是： ( 1 ) 要求高可靠性； ( 2 ) 在恶劣的环境或突然断电的情况下，要求系统仍然能够正常工作； ( 3 ) 许多嵌入式应用要求实时处理能力，这就要求嵌入式操作系统( e o s ) 具有 实时处理能力； ( 4 ) 嵌入式系统中的软件代码要求高质量、高可靠性，一般都固化在只读存储 器中或闪存中，也就是说软件要求固态化存储，而不是存储在磁盘等载体 中。 2 3 智能家庭网络 智能家庭网络是信息时代带给人们的又一个高科技产物。它借助现有的计算 机网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为人们提供各种丰富、多 样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。家庭网络化也是整个社会信息 化的一个重要的部分。 网络家电是指可以使用远程遥控、手机、个人电脑等对连接在家庭网络上的 家电进行遥控。网络家电可互联组成家庭内部网络，同时又能与外部互联网连接。 用户可通过电脑、手机远程操纵家中所有电器运作【3 】。 网络家电可以提供全方位的数字生活方式： a ) 网上购物：消费者在家里或办公室，通过计算机、电视或冰箱连接网上超 市，进行网上购物，并可以送货上门； b ) 家庭远程故障反馈及维护：家电的故障信息可以自动反馈到厂商维修服务 中心； c ) 家电功能网上升级。比如洗衣机和微波炉可以从网站下载崭新的洗衣程 序、菜谱等； d ) 网上冲浪和e - m a i l ； e ) 家政安全中心。家中的失火、失盗、煤气泄漏等信息可以自动报警到社 区服务中心； f ) 家电集中控制。所有家电，只需一个遥控器： g ) 远程监控。可以通过远程计算机对家中的电器进行控制和信息查询； 东华大学硕士学位论文智能家庭网关的兼容性研究及其实现 h ) 网络家庭保姆。根据个人的起居习惯选择和自由设定所有网络家电的自动 起停时间及运转方式。 智能家庭网络系统实现家庭内部信息与家庭外部信息的交换，无疑是家庭连 网的目的所在。它的实现需要设计一个理想的家庭网关。 家庭网关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( 包括现有的服务和未来可能出现的 服务) 的平台。 由于网络家电的巨大市场潜力，而家庭网关又是其中最重要的部分之一。在 过去的几年中，很多厂家不遗余力的发展自己的家庭网关标准，并推出自己的产 品。家庭网关被用于代表不同类型的产品，因此也引起了一些混淆。其中已有的 部分产品包括：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，以及r g ( r e s i d e n t i a l g a t e w a yg r o u p ，工业论坛组织) 所推崇的整个家庭网关产品等。 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 给某个消费设备。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。 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 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，使所有家庭内连网设备同时享有高速连接的设备。上面 这两种定义都认为家庭网关是一种将外部宽带网络与家庭内部网络连接的设备。 p a r k s a s s o c i a t e s 认为家庭网关应是：连接一个外部网络或多个接入网络，通 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。即一个集中式整个家 庭的网关才能视为一个真正的网关。但由于现有一些产品已具备其中的某些功 能，而且目前存在许多不同的观点，因此家庭网关应有一个比较广义或普遍的意 义上的定义。 东华大学硕士学位论文智能家庭网关的兼容性研究及其实现 2 4o s g i 2 4 1o s g i 概述 o s g i ( o p e n s e r v i c e g a t e w a yi n i t i a t i v e ) a l l i a n c e 是一个非盈利的论坛，其主要 任务是，为信息家电，车载系统，手机和其它环境的各种应用与服务的发布与管 理提供一个开放的公共平台。o s g i 将成为智能信息家电平台服务的标准， e r i c s s o n ，c i s c o ，i b m ，h p , o r a c l e ，p h i l i p s ，s u n ，m o t o r o l a , l u c e n t 等大型跨国企业都 已经加入了这个论坛，并提供了对它的支持。o s g i 协议发布于2 0 0 0 年，2 0 0 3 年 3 月发布了3 0 版本【6 】。 o s g i 服务平台规范为服务提供商，开发者，软件开发商，网关运营商和设 备供应商提供了开发、实施和管理服务的一个统一平台。o s g i 规范的主要应用 对象是各种机顶盒，服务网关，有线调制解调器，消费类电子，p c ，工控计算 机，机载设备，智能手持设备等等。 o s g i 规范为服务平台的执行环境制定了标准的a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) ，这些a p i s 包括服务管理，数据管理，设备管理，客户访 问控制，资源管理和安全控制等等，运用这些a p i s ，终端用户从服务供应商获 取相应的服务，通过网关设备来管理服务的安装、版本控制与配置。 o s g i 具有以下的优点： 平台独立性：o s g ia p i s 具有硬件和操作系统的跨平台性，从而使o s g i 能满足不同的应用要求。 应用独立性：o s g i 着眼于定义公共的a p i s ，所以它适合各种不同应用的服 务网关。o s g i 服务网关可用于远程信息处理，嵌入式控制器以及家用电器。 - 高安全性：o s g i 规范集成了各种层次的安全特性，可以提供高安全的访问 控制。 多种服务支持：o s o i 规范支持在一个服务网关平台上驻留来自不同服务提 供商( i s p ) 的多种服务。 兼容多种局域网技术：o s g i 规范包括各种无线或有线的数据和音频一视频 本地传输标准，如：b l u e t o o t h , h a v i ，h o m e p n a ，h o m e r f , i e e e l 3 9 4 ，u s b 等。 多种设备访问技术：因为致力于平台的服务执行方面，所以o s g i 支持各种 设备访问技术，如u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp 1 a y ) 和j i n i t 7 1 等。 1 4 东华大学硕士学位论文 智能家庭网关的兼容性研究及其实现 可和其他标准并存：o s g i 的制定也是为了补充和完善现有的家用设备的本 地互联与远程访问。o s g i 在物理层上与b l u et o o t h 、h a v i 、h o m e p n a 、 h o m e r f 、u s b 等标准都是兼容的：而o s g i 的设备访问体系结构与j i n i 、u p n p 等逻辑设备访问技术兼容；同时o s g i 还支持多种与广域网的连接方式，如 m o d e m 、d s l 、c a b l em o d e m 等。o s g i 网关还可以和市场上的特定设备比如d o c s i s 、s n m p 兼容。 2 4 2o s g i 服务网关模型 o s g i 服务网关结构模型主要包括： 服务网关( s e r v i c eg a t e w a y ) 服务提供商( s e r v i c ep r o v i d e r ) 整合服务提供商( s e r v i c e sa g g r e g a t o r ) 执行网关( g a t e w a yo p e r a t o r ) 广域网服务提供商 ( w i d e a r e an e t w o r ka n d c a r r i e r f l s p ) - 本地设备与网络 服务网关是o s g ( t h eo p e ns e r v i c e sg a t e w a y ) 的核心，它是一个嵌入式服务 器，对外通过广域网与执行网关( g a t e w a yo p e r a t o r ) 连接，对内通过服务平台 ( s e r v i c ep l a t f o r m ) 控制本地设备。 执行网关包括o p e r a t o r , s e r v i c eo p e r a t i o n ss u p p o r t ，s e r v i c ep r o v i d e r , s e r v i c e d e p l o y m e n tm a n a g e r , 它支持如下功能： 服务的下载，开始，停止，升级和删除。 - 控制网关资源，检查网关状态以及管理服务信息。 一管理网关和监控设备状态。 一定义网关与服务提供商之间安全访问控制的权限。 检查服务的完整性和权限。 一管理与控制本地设备与网络与网关的逻辑连接。 2 4 3 o s g i 的软件层次结构( 图2 - t ) 东华大学硕士学位论文智能家庭网关的兼容性研究及其实现 ib t m d l a s 应用程序) 一o s o , k 啊虚拟机 操作系统 ! ! 掣悭学 i 硬件层 图2 - 10 s g i 软件层次结构 b u n d l e 是基于j a v a 的应用，一个b u n d l e 就是一个j a r 文件。为了使框架 能获得，服务实现必须打包。服务实现被打包成b u n d l e 。 b u n d l e 主要实现下列任务： 安装、升级和卸载b u n d l e 。 开始和停止b u n d l e 。 b u n d l e 的注册、注销和跟踪服务。 对每个安装在框架中的b u n d l e ，都有一个相关的b u n d l e 对象。对象用于管 理b u n d l e 的j a v a 类的名字域，通过对类的加载和解析。通过建立b u n d l e 的独立 名字域，可以避免b u n d l e 的类名冲突。 o s o i 框架的注册功能用于在b u n d l e 之间交换s e r v i c e 服务，它提供了所需 的安全性和受控性。通过这种注册机制，b u n d l e 可以向其他b u n d l e 提供服务， 同时，也可以使用其他b u n d l e 的服务。注册机制是有安全性保护的。j a v a 环境 提供了所需要的平台无关性、可靠性、和安全特性。 j a v a 由于其跨平台的特性，可以创建灵活有效的服务网关，成为o s g i 实现 的最好语言。一个基于j a v a 的服务网关主要由以下部分组成： j a 、，a 环境一定义所需的j a v a 包和库 o s g i 服务框架定义仓q 建和运行服务的a p i s 设备访问管理一定义访问设备的a p i s 日志服务一定义记录日志信息所需的服务 o s g i 服务平台规范r 2 0 定义了如下标准服务，每个服务都由j a v a 包定义： 1 6 东华大学硕士学位论文 智能家庭网关的兼容性研究及其实现 s e r v i c e h t t p ：h t t p 服务响应h t t p 请求。服务根据配置文件在端口上侦听， 将h t t p 请求解析成s e r v l e t ，在这个s e r v l e t 的帮助下，在已经注册的u r l t o s e r v l e t 映射表里面查找这个b u n d l e s 。最后，服务返回s e r v l e t 的响应。服务也可以在不 需要s e r v l e t 的情况下返回处理的h t m l 内容。 s e r v i c e d e v i c e ：设备服务管理设备选择器。它允许b u n d l e 开发者插入设备驱 动及匹配设备算法。 。s e r w c e p r e f s ：p r e f e r e n c e 服务管理组合在j d kv 1 4 a p i 中的数据。 s e r v i c e u s e r a d m i n ：管理用户认证，信用卡和用户组。 s e r v i c e p e r m i s s i o n a d m i n ：管理b u n d l e s 权限。 s e r v i c e p a c k a g e a d m i n ：管理被b u n d l e s 导出的j a v a 包。 。s e r v i + c e m e t a t y p e ：提供b u n d l e s 解析配置元数据的机制。 s e r v i c e c m ：管理b u n d l e 配置f c m ：c o n f i g u r a t i o nm a n a g e r ) s e r v i c e 1 0 9 ：目志记录。 u t i l t r a c k e r ：使用和管理容器中已经注册的服务。 o s g i 服务平台规范r 3 0 规范定义了