Upnp与IGRS设备互联机制的设计与实现硕士学位论文.docx

Upnp与IGRS设备互联机制的设计与实现硕士学位论文.docx

《Upnp与IGRS设备互联机制的设计与实现硕士学位论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Upnp与IGRS设备互联机制的设计与实现硕士学位论文.docx（90页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

Upnp与IGRS设备互联机制的设计与实现硕士学位论文

硕士学位论文

Upnp与IGRS设备互联机制的设计与实现

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UPnP和国内的IGRS（又称“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。

OSGi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OSGi的平台上实现UPnP设备与IGRS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UPnP协议与IGRS协议的基本原理、实现机制以及OSGi的构架进行了分析，在此基础上研究了在OSGi平台上实现UPnP与IGRS互联的机制。

即首先增加OSGi对IGRS设备的支持，然后在OSGi中增加一个称为UI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；OSGi；通用即插即用；闪联；设备互联

DesignandimplementofinterconnectionofUPnPandIGRSdevices

Abstract

Withthedevelopmentofcomputerscience,networktechnologyandthepopularizationofinformationtechnology,allkindsofintelligentappliancesarecontinuouspouringintoordinaryfamilies.Theconceptandapplicationofdigitalhomenetworkhasincreasinglydrawnmoreattentions.Theaimistobreakthefactsof"informationisolatedisland",andrealsizetheresourcesharingandservicecooperationbetweenvariousinformationterminals.Therealizationofthedigitalhomenetworkrequiresanopenstandardthatcanlinkdifferentdevicesseamlessly.However,therearemanyrelevantstandardsinthefield,andthereisnoonestandardthatisabsolutelydominant.Amongthestandards,UPnPandIGRS（alsoknownasthe"IntelligentGroupingandResourceSharing"）possessparticularlysignificantstatus.Howtointerconnectthetwodevices,realizeservicecallingandinformationsharinghassignificantrealisticmeaningsandhasbecomearesearchhotspot.

OSGiOpenServicesGatewayprovidesanopenserviceplatform.Digitalhomenetworkcontrolcenterbuiltwiththetechnologywillhaveaveryhighflexibilityandscalability,sothefocusofthispaperistherealizationofinterconnectionbetweenUPnPdevicesandIGRSdevicesinOSGiplatform.Thisarticlefirstintroducedtheconceptofdigitalhomenetworkinganditsdevelopingactuality,aswellasvariousmiddlewaretechnologies,andthenanalysedOSGiframework,thebasicprinciplesandrealizationmechanismsofIGRSandUPnPprotocol.Basedonthisbasis,wedosomeresearchesontheinterconnectionmechanismofIGRSandUPnPprotocolinOSGiplatform.Thatisfirstly,addinganIGRSserviceinOSGiframework,thenaddingacomponentcalledUIagenttoachievecommunicationbetweentwodifferentdevicesbyservicesearchingandproviding,protocoltranslationandmessagestransmission.Finally,anexperimentisgiventoverifythefeasibilityoftheinterconnectionmechanism.

Keywords:

digitalhomenetwork;OSGi;UPnP;IGRS;deviceinterconnection

第一章绪论

1.1论文研究背景

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、PDA、手机、数字电视、DVD、MP3、DV/DC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（DigitalHomeNetwork）[1]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，3C（即计算机、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[2]。

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，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题[3]。

目前从事数字家庭标准化的组织非常多，例如国外的DLNA[4]、ITU2T、UPnP[5]、ECHONET、LonWorks，CEBus，Jini、OSGi[6]等；国内的“闪联”（IGRS）[7]和“e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

ØDLNA

2003年6月，英特尔、飞利浦、IBM、惠普、微软等17家消费电子行业巨头，宣布成立“数字家庭工作组”（DHWG，DLNA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。

2004年6月22日，DHWG更名为“DLNA”（数字生活网络联盟）。

目前DLNA已经吸引了200多个成员。

其推出的DLNA1.0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。

ØUPnP

UPnP（Universalplugandplay）是通用即插即用的英文缩写，该论坛目前有600多家厂商参加。

UPnP以Internet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。

UPnP的另一大优点是设备驱动程序无关性和零配置联网，UPnP适用于有线网或无线网，UPnP规范既可以实现与IP网络的连接，也可以运行于IEEE1394网络之上，任何操作系统都可以支持它。

ØECHONET

ECHONET成立于1999年，其成员以日本厂商为主，包括Sharp，Toshiba，Hitachi，

Panasonic及MEI，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90多家电子制造商会员加入该协会，部分会员自2003年起便推出支持ECHONET标准的家电产品，例如冰箱、空调、微波炉、洗衣机等等。

ECHONET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2.11，主要实现家庭监控应用功能。

ØJini

1999年l月，SUN公司向业界公布了其Jini技术方案。

Jini技术是基于Java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Jini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HPNP与UPnP相比，虽然三者都具有即插即用的特点，但使用Jini技术进行组网更加简单、方便和快捷。

Jini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。

ØOSGi

OSGi（OpenServiceGatewayInitiative）开放服务网关组织是由15家企业和事业单位在1999年3月组建而成的，目前会员人数已超过100家，其中包括IBM，Sun，Samsung，AMD，Cisco，Oracle，Lucent，Toshiba，Philips，Nokia等在信息及通讯产业的领导厂商。

OSGi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”（IGRS）和“e家佳”。

ØIGRS

IGRS（IntelligentGroupingandResourceSharing）信息设备资源共享协同服务。

2003年7月17日，由信息产业部科技司批准，以联想、TCL、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IGRS标准工作组）。

IGRS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。

IGRS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2005年6月被正式颁布为国家行业推荐性标准，成为我国3C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。

Øe家佳

“e家佳”中国家庭网络联盟成立于2004年7月26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”所制定标准的产业化。

e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，DLNA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；OSGi着重于家庭内外连结；ECHONET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

UPnP即通用即插即用，它主要用于实现设备的智能互联互通。

使用UPnP协议不需要设备驱动程序，因此使用UPnP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++，Java和VB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UPnP分人应用非常广泛。

已经得到超过600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。

IGRS是中国自己的标准，是由联想、TCL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。

IGRS和UPnP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。

OSGi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OSGi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，OSGi已经支持UPnP与Jini，但对IGRS并不支持，因此要通过OSGi实现UPnP与IGRS设备互连，必须首先实现OSGi对IGRS的支持。

本文第一步要做的工作就是通过对OSGi与IGRS进行细致分析与研究，将与IGRS设备互联与控制的功能以bundle的形式集成到OSGi的框架下。

在此基础上通过对UPnP协议与IGRS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OSGi增加一个称为UI代理的bundle，该bundle通过服务代理，协议的转译与转发实现不同设备间的透明交互。

1.4本文的组织结构

本文主要讨论了基于OSGi的UPnP设备与IGRS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-UPnP、IGRS与OSGi。

第三章研究了OSGi对IGRS协议的支持问题。

由于OSGi的最新版本已加入对UPnP以及JINI的支持，但并未加入对IGRS的支持，因此此部分工作需要我们自己完成。

第四章通过对UPnP协议与IGRS协议的基本原理、实现机制的对比，提出了基于在OSGi的UPnP设备与IGRS设备的互联解决方案，该方案主要是通过在OSGi下加入一个UI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。

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Internet在家居环境下的延伸。

1997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Internet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Internet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[8]。

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3C系统，是后PC时代IT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—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—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[9]。

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能[10]。

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统[11]。

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[12]。

2.2.3多种中间件技术

中间件技术应用在数字家庭网络