（计算机软件与理论专业论文）upnp与igrs设备互联机制的设计与实现.pdf

摘要 随着计算机技术、网络技术日趋成熟以及信息化的普及，各种智能化家电设备 不断涌入百姓家庭，数字化家庭网络的概念越来越受到人们的关注。其目的是打破 各个家庭设备“信息孤岛 的现实，实现家庭中各种信息终端之间的资源共享和协 同服务。数字家庭网络的实现需要一个能够使各种不同设备无缝联系相互操作的开 放式标准。但目前该领域相关标准众多，并没有哪个标准能够一统天下。这些标准 中以国外的u p n p 和国内的i g r s ( 3 z 称“闪联 ) 地位尤为显著。如何实现这两种设 备的互联、服务调用、信息共享很有现实意义，已成为研究的热点。 o s g i 开放式服务网关能够提供一个开放的服务平台，采用该技术构建数字家庭 网络控制中心将具有很高的灵活性和可扩展性，因此本文研究的重点就是在o s g i 的平台上实现u p n p 设备与i g r s 设备的互联。文章首先介绍了数字家庭网络的概念 和国内外发展状况以及各种中间件技术。并对u p n p 协议与i g r s 协议的基本原理、 实现机制以及o s g i 的构架进行了分析，在此基础上研究了在o s g i 平台上实现u p n p 与i g r s 互联的机制。即首先增加o s g i 对i g r s 设备的支持，然后在o s g i 中增加 一个称为u i 代理的组件，使用该组件做代理服务，通过服务搜索与提供、协议转译 与转发实现两种设备间的通信。最后通过实验验证该互联机制的可行性。 关键词：数字家庭网络；o s g i ；通用即插即用；闪联；设备互联 d e s i g na n di m p l e m e n to fi n t e r c o n n e c t i o no fu p n pa n di g r sd e v i c e s a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r s c i e n c e ，n e t w o r kt e c h n o l o g y a n dt h e p o p u l a r i z a t i o n o fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , a l l k i n d so f i n t e l l i g e n ta p p l i a n c e s a f e c o n t i n u o u sp o u r i n gi n t oo r d i n a r yf a m i l i e s t h ec o n c e p ta n da p p l i c a t i o no fd i i g i t a lh o m e n e t w o r kh a si n c r e a s i n g l yd r a w nm o r ea t t e n t i o n s t h ea i mi st ob r e a kt h ef a c t so f ”i n f o r m a t i o ni s o l a t e di s l a n d ，a n dr e a l s i z et h er e s o u r c es h a r i n ga n ds e r v i c ec o o p e r a t i o n b e t w e e nv a r i o u si n f o r m a t i o nt e r m i n a l s t h er e a l i z a t i o no ft h e d i g i t a lh o m en e t w o r k r e q u i r e sa no p e ns t a n d a r dt h a tc a nl i n kd i f f e r e n td e v i c e ss e a m l e s s l y h o w e v e r , t h e r ea r e m a n yr e l e v a n ts t a n d a r d si nt h ef i e l d ，a n dt h e r ei sn oo n es t a n d a r dt h a ti sa b s o l u t e l y d o m i n a n t a m o n gt h es t a n d a r d s ，u p n pa n di g r s ( a l s ok n o w na st h e ”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 ”) p o s s e s sp a r t i c u l a r l ys i g n i f i c a n ts t a t u s h o wt o i n t e r c o n n e c tt h et w od e v i c e s ，r e a l i z es e r v i c e c a l l i n ga n di n f o r m a t i o ns h a r i n gh a s s i g n i f i c a n tr e a l i s t i cm e a n i n g sa n d h a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o t o s g io p e ns e r v i c e sg a t e w a yp r o v i d e sa no p e ns e r v i c ep l a t f o r m d i g i t a lh o m e n e t w o r kc o n t r o lc e n t e rb u i l tw i t ht h et e c h n o l o g yw i l lh a v eav e r yh i g hf l e x i b i l i t ya n d s c a l a b i l i t y , s ot h ef o c u so ft h i sp a p e ri st h er e a l i z a t i o no fi n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nu p n p d e v i c e sa n di g r sd e v i c e si no s g ip l a t f o r m t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ec o n c e p to f d i g i t a lh o m en e t w o r k i n ga n di t sd e v e l o p i n ga c t u a l i t y , a sw e l la sv a r i o u sm i d d l e w a r e t e c h n o l o g i e s ，a n dt h e na n a l y s e do s g if r a m e w o r k , t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dr e a l i z a t i o n m e c h a n i s m so fi g r sa n du p n pp r o t o c 0 1 b a s e do nt h i sb a s i s ，w ed os o m er e s e a r c h e so n t h ei n t e r c o n n e c t i o nm e c h a n i s mo fi g r sa n du p n pp r o t o c o li no s g ip l a t f o r m t h a ti s f i r s t l y , a d d i n ga ni g r ss e r v i c ei no s g if r a m e w o r k ，t h e na d d i n gac o m p o n e n tc a l l e du i a g e n tt oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w od i f f e r e n td e v i c e sb ys e r v i c es e a r c h i n ga n d p r o v i d i n g ，p r o t o c o lt r a n s l a t i o na n dm e s s a g e st r a n s m i s s i o n f i n a l l y , a ne x p e r i m e n ti sg i v e n t ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ei n t e r c o n n e c t i o nm e c h a n i s m k e yw o r d s ：d i 【g i t a lh o m en e t w o r k ；o s g i ；u p n p ；i g r s ；d e v i c ei n t e r c o n n e c t i o n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：否沃锈-日期：枷罗年厂月知日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密囤。 ( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：季资波 导师签名： ( 本声明的岛大学所有， 日期： 7 年箩月几日 日期：卅年厂月务日 未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 数字技术的飞速发展不断催生出众多的数码产品，个人电脑、p d a 、手机、数 字电视、d v d 、m p 3 、d v d c 等数字产品逐步进入普通生活中，与此同时，宽带 通信与互联网的普及极大地促进了数字媒体内容的发展。变得越来越频繁，设备间 如何方便、智能地互联和协同工作已经日益成为人们关注的焦点。但是由于缺乏统 一的信息格式和接口协议，而导致不同设备间信息传递和协同工作很不方便。加上 设备越来越多，使得管理也越来越麻烦。如何更加有效地发挥这些设备的作用，提 高居家生活的智能化和方便性，已成为现代人生活乃至办公的重要问题。人们自然 地产生了将各种电脑、家电之间合理地互连互通起来的强烈需求。于是数字家庭网 络( d i g i t a lh o m en e t w o r k ) t l j 便应运而生了。从产业发展的潮流看，通信、控制、商 务、娱乐等技术迅速成熟并开始融合，3 c ( 臣p 计算机、通讯和消费类电子产品) 融合 的趋势己经显现，信息资源在个人终端上得以整合，个人用户可以直接面对一个虚 拟的信息平台进行操作，设备和信息之间实现无缝的链接，所有这些又使得“数字 家庭网络”这个话题越来越热1 2 j 。 数字家庭网络，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。 实现数字家庭网的关键是家庭网络中间件技术。数字家庭网络中的信息家电种 类繁多，组网方式也很多，数字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。在数字家庭网络中，不能与企业网络一样要求所有人都 必须学会使用网络，所以数字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。 1 2 数字家庭网络技术标准现状 数字家庭涉及的各种技术非常繁杂。由于通用的网络和终端技术已经非常成熟， 所以数字家庭网络的核心技术主要体现在网络协议和接口上。近年来，国内外许多 大公司提出了自己的解决方案，各国也正努力研制适合于本国国情的智能家居系统， 1 青岛大学硕士学位论文 已逐渐形成了一些相关的标准。数字家庭网络物理层的接口标准和数据传输协议是 国内外学术机构和厂商普遍关注的问趔3 1 。 目前从事数字家庭标准化的组织非常多，例如国外的d l n a 4 1 、i t u 2 t 、u p n p 5 1 、 e c h o n e t 、l o n w o r k s ，c e b u s ，j i m 、o s g i 6 1 等；国内的“闪联”( i g r s ) 7 1 和 “c 家佳。每个标准化组织所涉及的情况不尽相同。 国外相关组织及标准 dlna 2 0 0 3 年6 月，英特尔、飞利浦、i b m 、惠普、微软等1 7 家消费电子行业巨头，宣 布成立“数字家庭工作组( d h w g ，d l n a 的前身) ，致力于在开放的行业标准基 础上共同建立一个具备协同工作能力的平台，从而使各公司开发出能通过家中有线 或无线网络进行内容共享的数字家庭终端产品。2 0 0 4 年6 月2 2h ，d h w g 更名为 “d l n a ”( 数字生活网络联盟) 。目前d l n a 已经吸引了2 0 0 多个成员。其推出的 d l n a l 0 主要侧重于实现网络家电设备、家用电脑和移动设备之间的互操作，以支 持涵盖图片、视频和音频等媒体应用。 u p n p u p n p ( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ) 是通用即插即用的英文缩写，该论坛目前有6 0 0 多 家厂商参加。u p n p 以i n t c r n e t 技术和标准为基础，为联网设备、软件以及外设之间 提供一种兼容性的联网架构。其显著特色是：通用、即插即用，能够自动侦测到具 有网络能力的家用电器，将复杂的网络设置变为自动设置。u p n p 的另一大优点是 设备驱动程序无关性和零配置联网，u p n p 适用于有线网或无线网，u p n p 规范既可 以实现与i p 网络的连接，也可以运行于i e e e l 3 9 4 网络之上，任何操作系统都可以 支持它。 e c h o n e t e c h o n e t 成立于1 9 9 9 年，其成员以日本厂商为主，包括s h a r p ，t o s h i b a ，h i t a c h i ， p a n a s o n i c 及m e i ，旨在制定通过已有电视线、电力线、电话线以及无线通讯等创建 各种家电设备的网络连接标准规格。目前约有9 0 多家电子制造商会员加入该协会， 部分会员自2 0 0 3 年起便推出支持e c h o n e t 标准的家电产品，例如冰箱、空调、微 波炉、洗衣机等等。e c h o n e t 的目标是在新的家庭网络市场中创建家电网络及控 制的共享标准。该组织目前发布的最新标准版本是2 1 1 ，主要实现家庭监控应用功 能。 j i n i 1 9 9 9 年1 月，s u n 公司向业界公布了其j i n i 技术方案。j i n i 技术是基于j a v a 语言的 分布式对等基础结构，是一种动态自动化机制，它使得任何j i n i 设备在任何时候任何 地点都可以连接到网络上而形成一个共享群体，不需要任何人工干预或驱动程序的 2 第一章绪论 安装，一个设备、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 开网络而不影响网络的性能和其他设备。与h p n p 与u p n p 相比，虽然三者都具有 即插即用的特点，但使用j i n i 技术进行组网更加简单、方便和快捷。j i l l i 技术独立 于操作系统，采用先进的协议机制，使得服务的使用不再需要安装任何驱动程序， 整个系统的资源共享更为简单、直观，具有良好的用户接口。 o s g i o s g i ( o p e ns e r v i c eg a t e w a yi n i t i a t i v e ) | ! f f 放服务网关组织是由1 5 家企业和事业 单位在1 9 9 9 年3 月组建而成的，目前会员人数已超过1 0 0 家，其中包括i b m ，s u n ， s a m s u n g ，a m d ，c i s c o ，o r a c l e ，l u c e n t ，t o s h i b a ，p h i l i p s ，n o m a 等在信息及通讯 产业的领导厂商。o s g i 定义了一个开放性平台，创建结合广域网络及局域网的开放 性标准，为远程的服务提供商与本地端的设备间提供一个完整的端到端的服务传送 解决方案。 国内相关组织及标准 国内数字家庭的标准化组织目前有两个互补标准：“闪联 ( i g r s ) 和“e 家佳。 i g r s i g r s ( i n t e l l i g e n tg r o u p i n ga n dr e s o u r c es h a r i n g ) 信息设备资源共享协同服务。 2 0 0 3 年7 月1 7 日，由信息产业部科技司批准，以联想、t e l 、康佳、海信、长城五家 企业发起、7 家单位共同参与的“信息设备资源共享协同服务”标准工作组正式成立 ( 简称i g r s 标准工作组) 。i g r s 的工作范围是制定信息设备资源共享协同服务标 准，提供开发工具和开发平台，并进行技术咨询及产品的标准认证。i g r s 的工作目 标是在有限范围网络( 有线或无线) 内，支持多种信息设备、家用电器、通讯设备之 间能够自动发现、动态组网、资源共享和协同服务，从而提高这些设备间的互操作 性和易用性，充分发挥不同设备的功能特点，为用户创造新的应用模式和丰富体验。 该标准1 0 版本己于2 0 0 5 年6 月被正式颁布为国家行业推荐性标准，成为我国3 c 协同 领域的第一个国家标准。它主要由三部分构成：闪联基础协议、闪联智能应用框架、 闪联基础应用。 e 家佳 “e 家佳 中国家庭网络联盟成立于2 0 0 4 年7 月2 6 日，该联盟由海尔集团、清华 同方、长城集团、上海广电集团、上海贝岭、中国网通、春兰集团共7 家公司发起组 建，其目的是推广家庭网络系统标准和平台产业化，进而形成规模化的产品和市场， 统一中国家庭网络标准进而形成规模化产业化。该联盟以家庭网络系统为中心，包 括了电子、通讯、家电、计算机、网络运营等多领域企业，共同探索家庭网络商业 的运作模式，为家庭网络技术发展及产业的可持续发展提供产业环境。实际上e 家佳 的目标就是要实现“数字电视接收设备与家庭网络平台接口标准工作组 所制定标 3 青岛大学硕士学位论文 准的产业化。 c 家佳标准工作组的数字电视接收设备与家庭网络系统平台接口标准是家 庭网络行业系列标准。在家电控制系统领域，e 家佳已形成了一整套产品解决方案， 如网络冰箱、网络挂式空调、网络柜式空调、网络滚筒洗衣机、网络热水器、网络 微波炉等，在媒体娱乐系统、远程监护系统、灯光窗帘系统、可视对讲系统、环境 监测系统、安防报普系统、厨房影音系统、传感器等方面，e 家佳也正在加紧开发 自己的系列产品。 综上所述，各大标准组织所关注的侧重点不同，d l n a 主要注重的是家庭媒体 传输的方式，尤其是数字版权的保护；闪联致力于设备间的智能互连、资源共享和 协同服务，为设备和服务的连接提供产品和技术平台；e 家佳则侧重于家庭内部设备 的控制；o s g i 着重于家庭内外连结；e c h o n e t 是利用已有的连线和无线方式构成 家庭网络。这些主流标准在一定的技术、业务范围内都遵循开放的标准，维持开放 性的框架，选择更广泛认可的产业平台，不受个别平台或操作系统所限制，从而保 证了广泛的市场应用性。 1 3 课题研究内容 u p n p o i 通用即插即用，它主要用于实现设备的智能互联互通。使用u p n p 协议 不需要设备驱动程序，因此使用u p n p 建立的网络是介质无关的，它可以运行在几乎 所有的操作系统平台之上，可以使用c ，c + + ，j a v a 和v b 等开发语言，使得在办公室、 家庭和其他公共场所方便地构建设备相互联通的网络环境。这些优点使得u p n p 分人 应用非常广泛。已经得到超过6 0 0 家主要公司的支持，这些公司分布于消费型电子产 品、汽车电器、家庭自动化、计算机网络和外设等领域。 i g r s 是中国自己的标准，是由联想、t c l 等企业与单位联合制定的。它使企业、 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。该标准的设备验证部分与基础协议相继通过国际标准 化组织国际电工委员会的最终委员会草案投票，成为最终草案国际标准。应用前景 十分广阔。 i g r s 和u p n p 作为数字家庭领域的两大主流协议，它们的制定具有相同的目标和 相似的体系结构，甚至在它们的各层中的关键机制都使用了相同的协议。但是，如 果未经配置和处理，分别安装了上述两种协议的数字设备之间是无法进行发现和控 制的。而另一方面，人们希望数字家庭的这两种主流协议能够实现互操作。这样， 一个数字家庭网络中的设备不管安装了何种协议，在用户看来都是透明的。 要实现这两种设备的互联必须有一个合适的载体，一种方法是新增加一个，就 4 第一章绪论 是在数字家庭网络中增加一台设备专门负责二者互联，但这无疑会增加数字家庭网 络构建的成本，更可行的方案是将该功能集成到家庭网络控制中心中。o s g i 规范提 供的是一个开放的服务平台，除了设备接入的功能外，还能提供其他的服务。例如 开发商或运营商在服务平台上提供远程教育，远程医疗等服务。将o s g i 服务平台添 加到一个网络设备中，可以为其增加在网络的任何地方管理组件的生命周期的能力。 采用该技术构建数字家庭网络控制中心将具有很高的灵活性和可扩展性。 目前，o s g i 已经支持u p n p 与j i n i ，但对i g r s 并不支持，因此要通过o s g i 实现 u p n p 与i g r s 设备互连，必须首先实现o s g i 对i g r s 的支持。本文第一步要做的工作 就是通过对o s g i 与i g r s 进行细致分析与研究，将与i g r s 设备互联与控制的功能以 b u n d l e 的形式集成至i j o s g i 的框架下。在此基础上通过对u p n p 协议与i g r s 协议的基本 原理、实现机制研究对比，分析互联的可行性与解决方案。即为o s g i 增加一个称为 u i 代理的b u n d l e ，该b u n d l e 通过服务代理，协议的转译与转发实现不同设备问的透明 交互。 1 4 本文的组织结构 本文主要讨论了基于o s g i 的u p n p 设备与i g r s 设备的互联机制，内容共分为六 章，各章主要内容简述如下： 第一章简要介绍了本文的研究背景、国内研究现状，概述课题研究内容以及文 章的组织机构。 第二章介绍并分析了本文所用到的数字家庭网络中的几种主流的中间件技术 u p n p 、i g r s 与o s g i 。 第三章研究了o s g i 对i g r s 协议的支持问题。由于o s g i 的最新版本已加入对 u p n p 以及j i n i 的支持，但并未加入对i g r s 的支持，因此此部分工作需要我们自己完 成。 第四章通过对u p n p 协议与i g r s 协议的基本原理、实现机制的对比，提出了基于 在o s g i 的u p n p 设备与i g r s 设备的互联解决方案，该方案主要是通过在o s g i 下加入 一个u i 设备代理实现。 第五章对本文内容进行总结，对今后的研究方向做出展望。 5 第二章数字家庭网络及其中间件技术 第二章数字家庭网络及其中间件技术 2 1 数字家庭网络概述 进入二十一世纪以后，人们的生活水平逐渐提高。传统家电已经逐渐开始不能 满足人们对生活的要求。智能化、信息化己经成为了新一代家电信息家电产品的 设计标准。信息家电是计算机技术、数字通信技术和传统家电相结合的产物。与传 统家电相比，信息家电对传统家电是一种极大的革新，其不仅仅完成传统家电的功 能，还可以与外界交互信息，用户的家庭不再是一个由传统家电组成的“信息孤岛 ， 而是i n t e m e t 在家居环境下的延伸。1 9 9 7 年以来，美国、日本、欧洲的一些家电厂 商开始研制信息家电，并且陆续推出了一系列产品。可以预料，未来的家电市场中 传统家电将会逐步被淘汰，信息家电将会占领市场的主导地位。 数字家庭网络和信息家电密不可分。如果没有一个家庭网络环境的支持，信息 家电无法相互之间传递信息；没有一个家庭网络出口，信息家电也无法与i n t e r n e t 交互信息。家庭网络不仅仅为家庭内各个设备提供资源共享的功能，更重要的是提 供一个信息家电可以协同工作的环境，没有这样的网络环境，仅仅具有访问i n t e r n e t 功能的信息家电与传统家电相比没有太大的区别；反之，没有信息家电的参与，家 庭网络的存在也就没有意义p j 。 数字家庭网络，是指在集成协同环境中把各种计算机、信息家电、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，以提高人们的生活质量，使家庭能够变得更舒适、安全和有效。数 字家庭网络是集计算机、通信和消费电子技术于一体的3 c 系统，是后p c 时代r r 业的又一大热点。 数字家庭网络从组成上又可以分为以下部分： ( 1 ) 控制中心一它是数字家庭网络的核心，是家庭内部网络的组网和控制中心， 也是外部网络进入家庭的桥梁和枢纽，它在数字家庭网络业务中起着重要作用。 ( 2 ) 各种信息终端设备和智能家电设备，用户通过这些设备享受运营商所提供 的各种服务。 ( 3 ) 家庭内部互连环境一将数字家庭内各类终端互联并与家庭网关相连，通过 家庭内部有线或无线方式的互联技术实现家庭网络各信息终端设备和智能家电设备 的自组织联网并提供自动发现和配置。数字家庭网络系统结构图如图2 1 l 引。 7 青岛大学硕士学位论文 图2 1 数字家庭网络系统总体结构 2 2 数字家庭网络中间件 2 2 1 中间件的引入 数字家庭网络必须是一个动态的环境，新设备加入到家庭网络里，既可以被网 络中其它的设备识别，也可以发现其它设备，并能相互协调工作。同时还应保证同 一程序可以在采用不同操作系统的信息家电上运行。解决这些问题并不简单，因为 家庭网络环境中的资源构成非常复杂，不仅有采用不同操作系统和硬件体系的设备， 还有存在于网络中的可以被使用的软件成员，甚至人也可以成为网络的资源一部分， 这样就对信息家电的开发造成了很大的困难。如何使开发人员可以忽略各种不同设 备的底层信息，在设计家庭网络分布式应用中使用通用接口，这就必须在家庭网络 应用的开发中引入中间件技术。中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式 应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，它位于客户机、服务器的操作 系统之上，管理计算资源和网络通信。中间件是一类软件，而非一种软件：不仅仅 实现互连，还要实现应用之间的互操作；中间件是基于分布式处理的软件，最突出 的特点是其网络通信功制删。 面向家庭网络应用的中间件技术是运行在信息家电的操作系统之上，使用操作 系统提供的功能，从各种的信息家电不同的硬件体系结构、操作系统以及网络接入 8 第二章数字家庭网络及其中间件技术 中抽象出一种逻辑上的通信能力，设计应用程序接口为上层的家庭网络应用程序提 供一系列服务，用于帮助建立和配置家庭网络中的分布式应用，它也是数字家庭网 络的重要组成部分之一。利用中间件技术，信息家电的开发人员可以自由的选择底 层通信技术和操作系纠1 1 l 。 2 2 2 中间件的功能 面向数字家庭网络的中间件技术有其特殊性，采用中间件技术设计信息家电可 以完成如下功能：首先可以使信息家电具有在家庭网络中宣告自身存在的能力，也 可以使其自动发现网络中存在的其他设备；其次，信息家电可以相互描述自身所独 具的功能，提供的服务，信息家电也可以相互查询、理解所彼此的功能；数字家庭 网络无需人工参与，便可以自动完成网络设置。在家庭网络的应用程序设计中采用 中间件技术，可以极大减轻设计人员的设计难度。中间件技术独立于底层操作系统 和具体的通信技术，主要用于解决某一类问题。因此应用程序的开发者，就可以从 这些问题的困扰中脱离出来，缩短开发周期，节约开发成本，降低程序开发的失败 率，降低维护费用，提高应用的开发质量，保证应用的可升级性，增强应用的生命 力1 1 2 j 。 2 2 3 多种中间件技术 中间件技术应用在数字家庭网络中的时间并不很长，但是发展非常迅速。目前 存在很多家庭网络中间件规范，根据设计目的不同，可以分成两类，一类是集中控 方式，如o s g i ，o p e n c a b l e 等；另一类是分布控制方式，如u p n p ，j i n i ，i g r s 等f 1 3 1 。 下面将针对研究所涉及的u p n p 、i g r s 和o s g i 进行重点介绍与分析。 2 3u p n p u p n p 是针对智能家电、无线设备以及各种个人电脑的普遍对等网络连接而设计 的一种架构。它旨在为家庭、小型企业或未管理网络提供一种易于使用、灵活且基 于标准的连接。u p n p 是一个充分利用t c p i p 和w e b 技术的分布式开放型网络体系 结构，除了能够在家中、办公室和公共场所联网设备之间进行完整控制和数据传输 之外，还可建立无缝紧密的连接网络。 u p n p 继承了p n p 的简单、方便、有效的特性，同时扩展了其通用性。u p n p 的 “简单性一体现在“零配置 的前提下提供了联网设备间的发现、接口声明、信息 交换、互操作等功能。采用u p n p ，一个设备可以动态的加入网络，自动获得球地 址，自动宣布自己的信息，根据需要对外提供功能，自动获知网络上其他设备、以 及这些设备各自的功能和当前所处的状态，设备之间能够直接进行通信和互操作， 9 青岛大学硕士学位论文 并且可以平滑地离开网络。 u p n p 的“通用性 体现在它是建立在t c p i p 和w e b 技术之上的一个能够提供 设备端到端连接的开放的、分布式的网络体系结构，能无缝地接入现有网络。它独 立于任何网络传输介质、编程语言以及操作系统，它没有定义a p i ，允许开发商定 义他们自己的a p i 。它使用浏览器或设备用户接口来进行设备控制，允许设备开发 商在遵循基本设备类控制协议的基础上，扩展自己的设备控制协议。支持广泛的设 备类型，例如智能设备、无线设备、各种形式的p c 等，同时也支持广泛的网络类 型，例如低速的控制网络、中速的数据网络、高速的多媒体网络，图2 2 描述了一 个u p n p 网络的拓扑结构副1 4 】。 图2 2u p n p 网络拓扑结构图 2 3 1u p n p 网络的组成 u p n p 网络通常由设备( d e v i c e ) 、服务( s e r v i c e ) 、控制点( c o n t r o lp o i n t ) 这三个基 础要素组成【1 5 1 。它们之间的关系如图2 3 所示。 1 0 第二章数字家庭网络及其中间件技术 图2 3 u p n p 控制点、设备、服务 u p i l p 设备 u p n p 最基本的概念模型是设备模型。一个u p n p 设备可以看作是一个包含服务 并嵌套了常规设备的“容器 。例如，一个录像机( v c r ) 可能包括磁带传送服务、调 谐服务和时钟服务。设备可以是物理设备，比如打印机、投影仪，也可以是逻辑设 备，比如运行于计算机上的媒体文件播放器。也就是说，u p n p 设备不能仅仅理解为 硬件意义上的设备，还应当包括其服务功能。此外，设备也可以包括其他子设备形 成嵌套，比如一个v c d 机中又包括游戏机。 服务 设备执行用户请求的控制过程，可划分成一个个单位，每个单位就称为一个服 务。每一个服务，对外都表现为具体的模式和行为，而模式和行为又可以用状态和 变量值来进行描述。例如模仿一个时钟，它只有一个工作模式，该模式就是模拟并 显示当前的时间，它有一个状态变量，即当前时间c u r r e n t t i m e ，和两种行为：设置 时间s e t t i m e ，得到时间g e t t i m e 。同设备描述一样，服务也是用x m l 编写的服务 描述文档来表示的，u p n p 论坛负责对这些服务进行标准化。在设备描述文档中包含 有一个指向服务描述文档的指针u r l 。一个设备可以有多个服务。在u p n p 设备中 服务由状态表( s t a t e t a b l e ) 、控制服务器( c o n t r o ls e r v e o 和事件服务器( e v e n ts e r v e o 组 青岛大学硕士学位论文 成。状态表通过状态变量来描述服务状态，控制服务器接收并执行动作请求( 例如 s e t t i m e ) ，更新状态表，然后给出响应。事件服务器负责向对某一事件感兴趣的设备 发布状态改变通知。例如在火警警报服务中，一个火灾事件发生后，事件服务器就 向火灾报警器发布这个事件，报警器接收到通知后会产生报警信号。在u p n p 网络 中，用户请求设备执行某个控制是通过控制点实现的，控制点首先是一个有能力控 制其他设备的控制者，还应具有在网络中“发现 控制目标的能力。在发现控制目 标之后，控制点应当： ( 1 ) 取得设备的描述信息并得到该设备关联的服务列表。 ( 2 ) 取得相关服务的描述。 ( 3 ) 调用控制服务。 ( 4 ) 确定服务的事件“源”。不论何时，只要服务状态发生改变，事件服务器会 立刻向控制点发送一个事件信息。控制点软件通常运行在具备用户界面的设备上， 比如手机、pc 、p d a 等，通常还包括发现客户程序、描述客户程序和命令转换器， 还可以包含事件订阅客户程序、浏览器以及应用程序执行环境等。一个控制点可以 同时控制多个设备，控制点所在的设备也可以同时是被控设备。被控设备至少包括 发现服务器、控制服务器、描述服务器以及表征服务器、事件订阅服务器等等【1 6 1 。 2 3 2u p n p 关键术语 根设备：设备可以嵌套，一个设备可以包含多个嵌入设备，处于设备树最顶层 的设备称为根设备。 设备描述：设备描述包含一个物理设备上所有设备的通用属性，例如服务，设 备结构和设备属性。 设备类型：设备类型的一般格式为： u r n - s c h e m a s u p n p o r g ：d e v i c e ：u u i d d e v i c e ，u u i d d e v i c e 是u p n p 工作委员会定义 的标准设备类型。在u p n p 设备模板和设备类型之间是一一对应的，设备制造商也 可以指定其他的名字，一般格式为： u r n ：d o m a i n n a m e ：d e v i c e ：u u i d d e v i c e ，u u i d d e v i c e 为制造商定义的设备类型， d o m a i n n a m e 字段为设备制造商的注册域名。 u p c ：通用产品编码的缩写( u n i v e r s a lp r o d u c tc o d e ) ，它由统一编码委员会管理。 这个值可由u p n p 制造商指定。 单一设备名d 聊：单一设备名( u n i q u ed e v i c en a m e ) 基于q u i d ( u n i v e r s a l l y u n i q u ei d e n t i f e r ) ，每个u d n 表示一个设备。在任何时间，对于同一个设备此值必须 是唯一的。 服务描述：服务描述描述了设备提供的一系列动作以及和动作相关的状态变量。 第二章数字家庭网络及其中间件技术 服务类型：服务类型是用于表示服务的统一资源名。服务类型和u p n p 服务模 板之间是一一对应的。u p n p 任务组定义了几种标准的服务类型。这些服务类型的一 般格式为：u r n ：s c h e m a s - u p n p o r g ：s e r v i c e ：s e r v i c e t y p e ：v e r s i o n s 例如，扫描仪的服务类型为u r n ：s c h e m a s u p n p o r g ：s e r v i c e ：s c a n n e r 。u p n p 设备制 造商可以制定附加服务，这些服务的一般格式为： u m ：d o r m a i n n a m e ：s e r v i c c ：s e r v i c e t y p e ：v e r s i o n 其中d o m a i n n 砌r n c 字段为设备制造商的注册域名旧。 2 3 3u p n p 协议栈及所用协议 u p n p 采用了许多现存的、标准的协议以获得广泛的设备支持。采用口协议来 保证u p n p 独立与网络传输的物理介质；采用s o a p 协议来保证u p n p 设备具有互 操作能力；采用x m l 来对设备和服务进行统一的描述；采用h t r p 协议来进行u p n p 设备的信息交互。使用这些现存的、广泛应用的协议能减少开发u p n p 设备的工作 量，使u p n p 设备更好地融入现有网络。u p n p 协议栈如图2 4 所示。u p n p 协议的 最终目的是建立一个可用的设备模型，它是一个多层协议构成的框架体系，每一层 都以相邻的下层为基础，同时又是相邻上层的基础。最下两层是t c p 、i p 和u d p 层1 1 8 1 。 h r r p g e n a ( 设备事件) 二二j 三二 二j 三 图2 4 u i h a p 协议栈 第三层的唧，h t i p u ，h i t p m u ，属于传送协议层。传送的内容是经过“封 装”后，存放在特定的x m l 1 9 l 文件中的。对应的s s d p 2 0 l ，g e n a 2 1 1 ，s o a p 2 2 1 是 x m l 文件中的数据格式。 第四层是u p n p 设备体系定义，仅仅是一个抽象的、公用的设备模型。任何u p n p 冒 青岛人学硕士学位论文 设备都必须使用这一层。 第五层是u p n p 论坛的各个专业委员会的设备定义层，在这个论坛中，不同电 器设备由不同的专业委员会定义。 2 3 4u p n p 工作过程 u p n p 定义了设备之间、设备和控制点之间以及控制点之间通信的协议。完整的 工作过程由六个步骤组成，即设备寻址、设备发现、设备描述、设备控制、设备事 件、设备展示。 地址是整个u p n p 系统工作的基础，每个设备都可以是d h c p 客户。当设备首 次与网络建立连接后，可以利用d h c p 服务获取一个地址。如果不存在d h c p 服务 器，设备将使用自动i p 获得i p 地址。当然，设备也可自己指定口地址或者通过d n s 服务定义一个“友名。 设备加入网络并获得i p 地址后，接着就是运用s s d p 协议来向网络上的控制点 广播它的服务，控制点加入网络获得i p 地址后，则可以使用s s d p 协议发送一个搜 索请求在网络上搜索感兴趣的设备。在这两种情况下基本的信息交换就是一个发现 消息，它仅包含关于设备少量的信息，如设备类型、设备名称和一个指向设备描述 文档的u r l 指针。在控制点“发现”一个设备之后，仍然对设备“了解 得很少， 这时需要依据发现消息的设备描述文档的u r l 就可以找到该设备的描述文件，从这 些文件中读取更多的描述信息。描述信息的范围很广，一般都是由设备的制造厂商 提供的。设备的描述信息包括：设备序列号、制造厂商名称、厂商的w e b 的u r l ， 以及所嵌入的设备或服务的描述信息和设备控制、设备事件、设备展示的u r l 。1 2 3 1 。 控制点找到设备描述之后，会从描述中获取要进行的操作并获悉所有的服务； 对每个u p n p 设各来说，这些描述必须是确切的、详细的，描述中可能包含有命令 或行为列表、服务响应信息、参数等。对于服务的每个行为，都有其描述信息( 主要 是整个服务进行期间的变量、变量的数据类型、可用的取值范围和事件的特征) 。要 控制某个设备，控制点必须首先生成一个控制行为请求，要求设备开始服务，然后 再按设备的u r l 发送该控制消息，最后，服务会返回响应信息，指出服务是成功或 是失败。在服务进行的整个过程中，只要某个变量值发生了变化或者模式的状态发 生了改变，就产生了一个事件，随之，事件服务器把事件发布给相应的控制点。 广播或订阅事件，传送的都是事件消息，事件消息也放在x m l 文件中，使用 的是g e n a 消息格式。另外，设备投入工作之前的准备切始化过程，也是一个事 件，初始化需要的各种信息也是通过事件消息传送的。包括的内容主要是变量初始 值，模式的初始状态等。只要得到了设备的u r l ，就可以取得该设备展示页面的 u r l ，使用控制点的本地浏览器，就可以察看设备状态和对设备进行控制。此部分 1