基于AllJoyn框架的跨平臺(tái)局域無線組網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2014-08-27 21:15:48陳暢

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2014年8期

陳暢

摘要：為了簡化鄰近異構(gòu)分布式通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組建并統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)通信框架，采用高通公司最新推出的AllJoyn開源框架，進(jìn)行了Windows平臺(tái)間通過WiFi-Direct方式傳輸文件的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)及VMware下Windows與Linux間的跨平臺(tái)通信實(shí)驗(yàn)。結(jié)果證明：AllJoyn框架在通信協(xié)議與平臺(tái)方面的獨(dú)立性良好，而WiFi-Direct方式則具有組網(wǎng)過程簡單、傳輸速度較快的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：AllJoyn；物聯(lián)網(wǎng)；跨平臺(tái)；近場(chǎng)無線通信；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）08-0049-03

0 引言

隨著智能設(shè)備的發(fā)展與移動(dòng)終端的普及，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸在生活生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，近距離無線組網(wǎng)技術(shù)備受關(guān)注[1]。但現(xiàn)有的解決方案缺乏統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)者需要實(shí)現(xiàn)通信的框架、協(xié)議與承載的平臺(tái)，存在著獨(dú)立開發(fā)的技術(shù)不能相互適配和連通、開發(fā)成本高昂等缺點(diǎn)[2]。高通的AllJoyn開源框架針對(duì)現(xiàn)有的問題提出了一套完整的解決方案，在操作系統(tǒng)、開發(fā)語言、物理網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議上具有獨(dú)立性[3]。本文以開發(fā)者的角度從整體的高度分析了AllJoyn的軟件框架與在C++語言下的應(yīng)用，并利用AllJoyn框架，通過WiFi-Direct的連接方式實(shí)現(xiàn)了搭載Windows系統(tǒng)的終端間的組網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)，與VMware虛擬機(jī)下Windows與Linux間的跨平臺(tái)通信實(shí)驗(yàn)。

1 AllJoyn與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的工作流程是使用各類集成化的傳感器實(shí)時(shí)感知和采集所需的信息，經(jīng)過信息處理基站對(duì)信息進(jìn)行分析、處理，并通過自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)以“多跳中繼”的方式將信息傳送到用戶終端[4]。AllJoyn是一個(gè)獨(dú)立于操作系統(tǒng)、開發(fā)語言、通信協(xié)議的通用軟件框架，提供了一種廣播和發(fā)現(xiàn)服務(wù)的抽象，簡化了定位和應(yīng)用服務(wù)的流程，適合用來組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。

2 AllJoyn的優(yōu)勢(shì)

AllJoyn作為開源的中性平臺(tái)系統(tǒng)，是一個(gè)“能夠使連接設(shè)備間進(jìn)行互操作的通用軟件框架和系統(tǒng)服務(wù)核心集”，在操作系統(tǒng)、開發(fā)語言、物理網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議上具有獨(dú)立性。并且在框架內(nèi)部集成了對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)與管理，不需要上層應(yīng)用程序的開發(fā)人員對(duì)每種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特性進(jìn)行了解，近距離傳輸速度快，組網(wǎng)流程簡單，并且為“握手”模式的安全通信模型提供框架（PasswordManager類）[5]。

3 AllJoyn基本概念[6]

3.1 總線與總線附件

AllJoyn總線是AllJoyn通信框架的基本抽象，是所有通信過程的承載。它的作用類似于工業(yè)上的數(shù)據(jù)總線，為消息在分布式系統(tǒng)上的傳遞提供了一個(gè)精簡高效的消息序列。總線附件（BusAttachment）是應(yīng)用程序進(jìn)程與AllJoyn總線連接的媒介，可分別作為服務(wù)端、客戶端或著作為通信的對(duì)等點(diǎn)。

3.2 總線對(duì)象與總線接口

總線對(duì)象（BusObject）實(shí)現(xiàn)總線接口（Interface）與總線方法（Method），是通信的發(fā)起點(diǎn)與終點(diǎn)，使用時(shí)需要在總線附件中注冊(cè)。總線接口定義了接口規(guī)范（ajn：：InterfaceDescription類），并將總線方法、總線信號(hào)、總線屬性及相關(guān)的類型簽名封裝到一個(gè)消息組（ajn：：MsgArg類）中[7]。

3.3 總線守護(hù)進(jìn)程

總線守護(hù)進(jìn)程（Daemon）是運(yùn)行在操作系統(tǒng)中用來實(shí)現(xiàn)分布式邏輯總線段的進(jìn)程。分布式總線段的連接實(shí)質(zhì)上就是守護(hù)進(jìn)程間通信的建立，除了使用庫文件中的綁定守護(hù)進(jìn)程（BundledDaemon）完成底層網(wǎng)絡(luò)連接的實(shí)現(xiàn)，還可以為瘦客戶端（Thin Client）編程實(shí)現(xiàn)精簡易用的守護(hù)進(jìn)程。

3.4 AllJoyn會(huì)話

會(huì)話的建立由服務(wù)器的半連接（會(huì)話選項(xiàng)、總線名稱、會(huì)話端口）與客戶端的半連接（會(huì)話選項(xiàng)、唯一名稱、會(huì)話ID）的組合實(shí)現(xiàn)[8]，產(chǎn)生唯一的AllJoyn通信路徑。在客戶端搜尋到由服務(wù)器廣播出來的服務(wù)名之后，需要通過加入AllJoyn會(huì)話才能進(jìn)行通信。

3.5 AllJoyn通信原理

圖1所示是總線消息模式示意圖。處于分布式總線段上的兩個(gè)應(yīng)用程序，采用廣播與發(fā)現(xiàn)well-known服務(wù)名（如圖1中的org.alljoyn.sample.service）的方式發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備，并通過連接遠(yuǎn)程AllJoyn守護(hù)進(jìn)程創(chuàng)建的總線建立通信，以加入AllJoyn會(huì)話的方式確定一條信息的傳遞路徑。信息的發(fā)送由總線對(duì)象的成員函數(shù)ajn：：BusObject：：Signal完成，信息的接收由向總線附件注冊(cè)的信息處理函數(shù)來完成（注冊(cè)由庫函數(shù)ajn：：BusAttachment：： RegisterSignalHandler完成）。

4 AllJoyn軟件框架

AllJoyn的軟件框架由上層應(yīng)用程序、基本服務(wù)框架、路由結(jié)點(diǎn)（服務(wù)器）、客戶端與底層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。應(yīng)用層可由開發(fā)者使用不同的開發(fā)語言，通過使用基本服務(wù)框架與調(diào)用AllJoyn庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)，圖2所示是AllJoyn軟件框架示意圖。

5 開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建

Windows 7平臺(tái)：安裝VisualStudio 2010；從官網(wǎng)下載VisualStudio 2010版本的預(yù)編譯SDK（或使用源碼包編譯[9]）；打開samples目錄下的VC2008Win7工程，并按提示自動(dòng)轉(zhuǎn)換（庫與頭文件的路徑在工程中都已經(jīng)添加）；復(fù)制一個(gè)示例工程并刪除其中的示例項(xiàng)目，得到一個(gè)完整的開發(fā)環(huán)境。

Fedora 19平臺(tái)可從官網(wǎng)下載源碼包（或使用git工具克隆一個(gè)鏡像工程：git clone https：//git.allseenalliance.org/gerrit/p/All-Projects.git[10]），并安裝工具與依賴庫：“yum install gcc doxygen graphviz openssl-devel bluez-libs-devel”（根據(jù)錯(cuò)誤提示安裝其他的依賴庫），同時(shí)使用scons工具編譯，編譯選項(xiàng)參考：“scons OS=linux CPU=x86 DOCS=dev BINDINGS=cpp，c WS=offVARIANT=release”，編譯成功后，在源碼目錄下的build目錄中能找到編譯出的release版本的AllJoyn庫文件；在samples中將Makefile的示例復(fù)制出來，并在“LIBS”項(xiàng)后添加“-lalljoyn ../../lib/BundledRouter.o -lajrouter”，使程序運(yùn)行時(shí)使用編譯好的綁定守護(hù)進(jìn)程（BundledDaemon）；再使用make工具編譯源碼得到可執(zhí)行程序。endprint

6 組網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn)

6.1 WiFi-Direct傳輸文件實(shí)驗(yàn)

在兩臺(tái)搭載Windows系統(tǒng)的終端上進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，利用Windows 7自帶的WiFi-Direct進(jìn)行連接，其中一臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)與共享中心里設(shè)置新的無線網(wǎng)絡(luò)連接，另一臺(tái)搜索相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)并連接，并分別使用ipconfig與ping來測(cè)試連接。

完成無線網(wǎng)絡(luò)的連接后，在作服務(wù)器的終端上運(yùn)行cpp/bin/samples/FileTransferService.exe，該進(jìn)程將文件以二進(jìn)制的格式讀入128 KB的緩沖區(qū)，并通過與本地總線守護(hù)進(jìn)程的連接將進(jìn)程連接到本地AllJoyn總線段上（QStatus status = s_msgBus->Connect（）；），接著廣播服務(wù)名并等待客戶端的連接。在客戶端運(yùn)行FileTransferClient.exe，該進(jìn)程同樣也將進(jìn)程與本地總線相連（在早期版本中則使用顯式的遠(yuǎn)程連接方法，如：QStatus status = s_msgBus->Connect（“tcp：addr=169.254.227.124，port=9955”）；在TCP協(xié)議下的通信端口為9955，UDP協(xié)議的端口為9956），守護(hù)進(jìn)程會(huì)根據(jù)總線附件的成員函數(shù)ajn：：BusAttachment：：FindAdvertisedName自動(dòng)的尋找可及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的被廣播出來的服務(wù)名并加入由服務(wù)器創(chuàng)建的AllJoyn會(huì)話，并通過信號(hào)在服務(wù)端的發(fā)射與客戶端接收來實(shí)現(xiàn)文件的傳遞。AllJoyn信號(hào)中帶有描述信息MsgArg類，可存儲(chǔ)128 KB的描述信息，在該實(shí)驗(yàn)中文件就是被存儲(chǔ)在MsgArg類中通過庫函數(shù)ajn：：BusObject：：Signal傳遞的。其文件傳輸流程如圖3所示。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，可得到表1所列的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果說明，在同等距離下，單次傳輸大文件的平均速度慢于傳輸小文件的速度；小文件的傳輸速度存在著一定的不穩(wěn)定性；傳輸?shù)钠骄俣入S距離的增大而減小。

實(shí)驗(yàn)說明：示例文件中的FileTransferService.exe在傳輸文件時(shí)可能會(huì)崩潰，原因在于在源代碼移植過程中沒有處理好Windows平臺(tái)下的數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，在FileTransfer（）函數(shù)中將變量bufferLength的從std：：streamsize類型強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為unsigned int就能解決崩潰的問題，在目前最新的14.02.00版本中該問題仍然存在。

6.2 跨平臺(tái)通信實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)使用示例文件chat.exe測(cè)試Windows與Linux平臺(tái)間的通信。實(shí)驗(yàn)的流程與圖3類似，所不同的是chat程序集成了服務(wù)器與客戶端，并使用main函數(shù)參數(shù)對(duì)功能進(jìn)行選擇。經(jīng)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在Linux平臺(tái)下編譯所使用的chat.cc源碼與Windows下的完全一致，體現(xiàn)出AllJoyn框架下源碼的可移植性強(qiáng)。

由于Fedora 19平臺(tái)被搭建在VMware虛擬機(jī)中，所以使用NAT的網(wǎng)絡(luò)連接方式就能實(shí)現(xiàn)Windows主機(jī)與Linux虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接（通過VMware虛擬以太網(wǎng)配適器Vment8連接）[11]。在Windows終端中輸入chat.exe -s ROOM創(chuàng)建名為ROOM的服務(wù)名，Linux終端中輸入./chat -j ROOM &搜索名為ROOM服務(wù)名，并加入相應(yīng)AllJoyn會(huì)話中，從而建立起Windows與Linux間的通信。

實(shí)驗(yàn)說明：運(yùn)行時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)找不到動(dòng)態(tài)庫liballjoyn.so的錯(cuò)誤提示，可將$PWD../../lib/中的liballjoyn.so拷貝至$PWD，并在Makefile的LIBS后添加-Wl，-rpath=”./”來修正錯(cuò)誤。

7 結(jié) 語

AllJoyn的獨(dú)立性通信場(chǎng)景可以經(jīng)過移植并推廣到通過Bluetooth、Zigbee等不同的通信協(xié)議進(jìn)行通信，同時(shí)也可以推廣到搭載Android、iOS、ARM-Linux等主流操作系統(tǒng)上，或以瘦客戶端（Thin Client）的方式推廣到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）移動(dòng)終端的通信上，對(duì)構(gòu)建局域無線通信網(wǎng)絡(luò)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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