面向Android機頂盒的家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

1 智能家庭網(wǎng)關(guān)

數(shù)字家庭產(chǎn)業(yè)是工業(yè)和信息化部“十二五”期間重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，《中國下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）自主創(chuàng)新戰(zhàn)略研究報告》中也提出了發(fā)展雙向數(shù)字電視、多媒體終端、智慧家庭網(wǎng)絡(luò)和家庭物聯(lián)網(wǎng)、智能化家庭設(shè)備具有重要戰(zhàn)略意義。高清數(shù)字機頂盒（STB）作為家庭核心設(shè)備，升級成為智能家庭網(wǎng)關(guān)[1]對數(shù)據(jù)流進行管理是趨勢使然。

智能家庭網(wǎng)關(guān)作為連接家庭物聯(lián)網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)的樞紐，在支持家庭信息管理業(yè)務的同時也支持數(shù)字電視業(yè)務，這就要求了家庭網(wǎng)關(guān)要具備相當?shù)臄?shù)據(jù)處理能力和網(wǎng)絡(luò)互連能力。現(xiàn)階段廣電運營商的高清雙向機頂盒處理芯片大多采用ARM Crotex架構(gòu)，硬件上對無線、有線網(wǎng)絡(luò)的支持已是標配，而操作系統(tǒng)上開放性不強、應用業(yè)務種類不多，可以借助安卓平臺開放性強、應用業(yè)務多樣化的特點進行改進。本文主要圍繞Android平臺上搭建家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)中安全性問題這兩個方向進行研究實現(xiàn)。

2 家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 家庭網(wǎng)關(guān)功能模型

家庭網(wǎng)絡(luò)是安裝在私人場所的通信系統(tǒng)，對于家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)具有以下需求：1）靈活、便于擴展，能與現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容；2）操作方便，用戶界面交互友好；3）可靠、易維護，具有穩(wěn)健性；4）保證與外部網(wǎng)絡(luò)連接內(nèi)容安全性；5）具有標準的通信協(xié)議[2]。

家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組成主要是多媒體設(shè)備、智能家電、傳感器，在系統(tǒng)體系中，機頂盒作為網(wǎng)關(guān)的控制中心，同時擔任控制子網(wǎng)關(guān)和多媒體子網(wǎng)關(guān)的作用，提供外部網(wǎng)絡(luò)與家庭網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的接口服務，實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與家庭網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備的通信與數(shù)據(jù)交換。如圖1所示，家庭網(wǎng)關(guān)功能歸納為5個方面。

1）以太網(wǎng)接入功能：實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)，符合TCP/IP協(xié)議。

圖1 家庭網(wǎng)關(guān)的功能模型

2）物聯(lián)網(wǎng)接入功能：實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)接入家庭物聯(lián)網(wǎng)，支持ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及ZigBee協(xié)議。

3）數(shù)據(jù)傳輸功能：主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)包交換傳送，同時支持業(yè)務的擴展。

4）核心功能：主要包含遠程管理功能、本地管理功能、安全服務功能。

（1）遠程管理功能：實現(xiàn)用戶對家庭網(wǎng)關(guān)的遠程登錄，對家庭網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備進行管理與控制。家庭網(wǎng)關(guān)應具備服務器的功能，為家庭網(wǎng)絡(luò)中的各種服務提供平臺，遠程用戶可以在外部網(wǎng)絡(luò)通過瀏覽器訪問家庭網(wǎng)關(guān)進行操作。

（2）本地管理功能：實現(xiàn)本地登錄管理與控制，同時具備系統(tǒng)管理維護功能。本地用戶則可以使用遙控器簡單操作機頂盒查看家庭信息并決策控制。

（3）安全功能：防止非法接入對家庭網(wǎng)絡(luò)信息的竊取，具備用戶認證功能。

5）業(yè)務功能：實現(xiàn)具體業(yè)務的處理，如數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換、音視頻編解碼、網(wǎng)絡(luò)電話VoIP信號轉(zhuǎn)換、多媒體格式轉(zhuǎn)換等功能。

2.2 面向廣電運營商的Android系統(tǒng)

三網(wǎng)融合的促進下，廣電網(wǎng)絡(luò)運營商需要向通用開放性發(fā)展以便支持多種應用業(yè)務，機頂盒的智能化正是發(fā)展的趨勢。Android系統(tǒng)開放性強，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合能力強，具有友好的人機交互界面和豐富的應用，可以靈活擴展來適應不同業(yè)務的要求。Android系統(tǒng)框架相似于標準中間件，可以使用JDK、NDK工具進行JAVA、C、C++語言開發(fā)，這使得面向電視屏幕的應用開發(fā)更為便捷且具有良好的平臺移植性[3]。

Android系統(tǒng)是基于Linux核心，對于廣電原有Linux操作系統(tǒng)大多數(shù)的外接設(shè)備和通用接口不存在驅(qū)動上的障礙，軟件上將廣電數(shù)字電視（DVB）系統(tǒng)如高清電視（HDTV）、電子節(jié)目菜單（EPG）、準視頻點播（NVOD）和用戶認證CA子系統(tǒng)移植到Android系統(tǒng)是可行的。Android機頂盒支持DVB業(yè)務的同時，將Web服務器子系統(tǒng)移植到Android系統(tǒng)上，并在應用框架中加入對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的支持，使Android機頂盒升級為家庭網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)連接，以便適應開發(fā)性平臺下多業(yè)務發(fā)展的趨勢。

如圖2所示，Android家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)主要分為系統(tǒng)空間和用戶空間，系統(tǒng)空間主要為Linux內(nèi)核驅(qū)動層，用戶空間主要為本地運行時庫、應用程序框架和應用程序?qū)印?/p>

圖2 Android家庭網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)

最底層為Linux驅(qū)動層，屬于內(nèi)核空間，為上層提供驅(qū)動的支持；第二層為本地方法框架層，為上層提供系統(tǒng)運行時支撐庫，網(wǎng)關(guān)的本地方法庫都集中在這層；第三層屬于Android應用框架層，對用戶界面和系統(tǒng)資源管理提供一般抽象，網(wǎng)關(guān)管理器完成ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換；第四層是應用層，調(diào)用應用程序框架的接口實現(xiàn)界面設(shè)計。

3 家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

3.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換模型

家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)協(xié)議模型上主要處理Zig?Bee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換（見圖3），主要包括3個方面：

1）無線通信協(xié)議：家庭物聯(lián)網(wǎng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成，網(wǎng)絡(luò)通信采用了載波監(jiān)聽多點接入/沖突避免（CSMA/CA）接入方式，保證了ZigBee數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目煽啃?。MAC與PHY由IEEE802.15.4工作小組制定，網(wǎng)絡(luò)層（NWK）與應用支持層（APS）則由ZigBee聯(lián)盟制定[4]，開發(fā)只需針對應用層、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）、ZigBee應用對象（ZAO），再根據(jù)具體需求對ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點進行設(shè)計。

圖3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)協(xié)議模型

2）以太網(wǎng)協(xié)議：主要負責網(wǎng)關(guān)入網(wǎng)功能，以太網(wǎng)物理層和鏈路層采用IEEE802.3 PHY和IEEE802.3 MAC標準，網(wǎng)絡(luò)層的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀與IP接口傳輸采用IEEE802.3 LLC標準，傳輸層則采用面向連接的可靠TCP協(xié)議。

3）網(wǎng)關(guān)應用層：負責數(shù)據(jù)封包拆包轉(zhuǎn)換，遠程用戶需要操作瀏覽器發(fā)送請求，通過Internet發(fā)送到服務器，在服務器內(nèi)部解析請求信息中包含的節(jié)點信息，加上請求操作的類型信息，組裝成數(shù)據(jù)幀格式向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)報文之后，對報文數(shù)據(jù)進行解析得到命令與地址，根據(jù)地址表找到終端節(jié)點，從而根據(jù)命令類型操作終端節(jié)點。

3.2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)詳細設(shè)計

在家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)通過串口連接協(xié)調(diào)器進行通信，進一步的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換則達到協(xié)議轉(zhuǎn)換的目的，機頂盒和協(xié)調(diào)器采用“主機—從機”方式，主機發(fā)送請求后監(jiān)聽從機回饋消息。

如圖4所示，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)管理器（Gateway System Manager）由網(wǎng)關(guān)應用接口（Interface）、消息緩沖區(qū)（Message Queue）、串口服務進程（Uart Server）組成。

圖4 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)管理器設(shè)計

網(wǎng)關(guān)應用接口處于系統(tǒng)框架層，主要負責對上層請求命令進行解析，封裝成消息通過管道傳給串口服務進程，并監(jiān)聽消息緩沖區(qū)的回饋消息，返回請求的結(jié)果。

消息緩沖區(qū)主要由消息隊列、信號量以及管道構(gòu)成，其中管道完成進程間的請求應答機制，消息隊列采用“生產(chǎn)者—消費者”模型設(shè)計，串口服務進程作為生產(chǎn)者將回饋消息分發(fā)到消息隊列，客戶端管道則作為消費者讀取消息隊列的消息。

串口服務進程負責與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，將消息內(nèi)容轉(zhuǎn)換成ZigBee模塊識別的數(shù)據(jù)幀格式，數(shù)據(jù)幀為“幀頭+消息+校驗字”的格式。寫操作向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀，再由監(jiān)聽子線程讀取協(xié)調(diào)器回饋的數(shù)據(jù)幀，校驗數(shù)據(jù)幀后轉(zhuǎn)換成消息再分發(fā)到消息緩沖區(qū)。

網(wǎng)關(guān)應用管理器為上層應用中的本地管理和遠程管理提供兩種方式的接口：遠程管理屬于瀏覽器/服務器（B/S）架構(gòu)，管理器為網(wǎng)頁服務器提供C語言接口；本地家庭信息系統(tǒng)則由Android應用開發(fā)，管理器使用JNI（Java Native Interface）標準向上層應用提供Java語言接口。

4 家庭網(wǎng)關(guān)的安全性設(shè)計

4.1 網(wǎng)關(guān)服務器設(shè)計

家庭網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)服務器來接入以太網(wǎng)，考慮到服務器安全性和穩(wěn)定性，網(wǎng)關(guān)服務器采用Embedthis公司為嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）量身定制的Goahead服務器。Goahead運行時所需內(nèi)存小，支持安全套接字SSLv3協(xié)議、HTTP/1.1協(xié)議、AJAX技術(shù)，是一款安全、可靠、擴展性強的服務器，服務器以守護進程的形式運行在系統(tǒng)后臺。

Goahead服務器支持SSL功能，需在編譯的時候加入密碼學安全程序包OpenSSL，完成sslOpen，sslClose，sslUpgrade，sslRead，sslWrite，sslSetCertFile，sslSetKey?File等基本接口。

遠程監(jiān)控的動態(tài)網(wǎng)頁主要是使用AJAX技術(shù)，瀏覽器通過Javascript發(fā)送請求（XMLHttpRequest），服務器解析請求后使用CGI調(diào)用網(wǎng)關(guān)管理接口向ZigBee模塊發(fā)送消息，獲得回饋消息后再向瀏覽器推送內(nèi)容（Response），最終在瀏覽器與服務器之間建立異步數(shù)據(jù)傳輸。

4.2 安全套接字協(xié)議

安全套接層（Secure Socket Layer，SSL）協(xié)議介于傳輸層和應用層之間，家庭網(wǎng)關(guān)采用SSL協(xié)議來保證消息的保密性、完整性、不可抵賴以及真實性。SSL協(xié)議提供數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名、數(shù)字證書等安全服務。SSL協(xié)議的數(shù)據(jù)加密算法用于消息保密性，確保明文消息不會被第三方竊??；數(shù)字簽名用于消息完整性，確保消息在傳輸過程中不會被篡改；數(shù)字證書用于身份認證，確保通信的雙方具有真實性和不可抵賴性[5]。

SSL協(xié)議的應用主要為雙方握手建立安全信道和數(shù)據(jù)流在安全信道上傳輸，關(guān)鍵的安全措施體現(xiàn)在SSL握手協(xié)議上，服務器和客戶端握手過程主要完成：1）協(xié)商出用于安全信道加密的對稱密鑰；2）通過數(shù)字證書簽名來驗證通信雙方的身份。

SSL雙向認證握手流程主要分為4個階段：

1）建立安全能力：首先是客戶端向服務器發(fā)送Client Hello消息，包含了客戶端所支持的安全能力：SSL版本（Version）、密碼套件（Cipher suite）、壓縮算法（Compression method）、會話號（Session id）；服務器選擇適合的安全能力，向客戶端發(fā)送Server Hello消息來告知客戶端，同時雙方通過消息交換一個初始的隨機數(shù)用于會話主密鑰。2）驗證服務器與密鑰交換：服務器向客戶端發(fā)送數(shù)字證書與公鑰用于驗證，同時向客戶端發(fā)送驗證請求，并結(jié)束Hello消息階段。3）驗證客戶端與密鑰交換：客戶端向服務器發(fā)送自己的數(shù)字證書用于驗證，同時發(fā)送證書認證確認消息，里面包含客戶端的數(shù)字簽名，保證不可抵賴性。4）完成：客戶端和服務器改變加密規(guī)范（Change Cipher Specs），生成客戶端和服務器使用的對稱密鑰，完成握手。握手協(xié)議工作過程如圖5所示。

圖5 雙向認證SSL握手流程

瀏覽器使用目前流行的火狐瀏覽器（FireFox），在設(shè)置中將SSLv3.0與TLS1.0選項開啟，并在安全設(shè)備選項中開啟美國聯(lián)邦信息處理標準（FIPS），完成配置之后在網(wǎng)頁地址欄中輸入https：//服務器IP：端口號即可使用SSL協(xié)議進行安全訪問。

4.3 用戶管理系統(tǒng)

用戶管理系統(tǒng)包括用戶口令認證和權(quán)限管理，用于保證家庭網(wǎng)關(guān)不被非法登錄竊取信息。用戶管理文件以XML文件形式保存在文件系統(tǒng)上，包含了用戶信息和權(quán)限信息：用戶屬性記錄包括用戶名（User name）、散列密碼（Password）、所屬用戶組（Roles）；群組屬性記錄包括組名（Roles）、權(quán)限（Abilities）。

新用戶注冊流程：1）家庭網(wǎng)關(guān)識別插入CA智能卡，在本地應用中以預置的管理員登陸用戶管理系統(tǒng)；2）添加新用戶，填寫新注冊用戶名、密碼口令，根據(jù)不同權(quán)限選擇所在用戶組；3）管理文件中不保存明文密碼來防止破解，而是以“用戶名：智能卡號：密碼”形式計算MD5散列值再保存。

遠程用戶網(wǎng)頁登錄：1）用戶名和密碼以表單形式發(fā)送POST請求；2）服務器使用通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）程序解析表單請求；3）服務器根據(jù)“用戶名：智能卡號：密碼”計算得出MD5散列值，與用戶管理文件中散列密碼進行比較，一致則登錄成功，推送監(jiān)控信息頁面。

本地用戶登錄：1）在Android應用上，使用文本輸入框（EditText）控件輸入用戶名和密碼；2）以同樣的規(guī)則計算MD5散列值，與管理文件中散列密碼記錄對比，一致則允許登錄監(jiān)控系統(tǒng)。

5 小結(jié)

Android系統(tǒng)框架運行于Linux內(nèi)核之上，作用類似于標準中間件，為廣電運營商統(tǒng)一軟硬件平臺提供了無限可能。本文提出的家庭網(wǎng)關(guān)解決方案適用于Android高清機頂盒，在支持DVB業(yè)務的基礎(chǔ)上，解決家庭網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)的關(guān)鍵問題。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中異步數(shù)據(jù)通道可以有效解決多端登錄沖突問題，SSL安全協(xié)議使用通信雙方協(xié)商的加密算法和密鑰，可以根據(jù)需要定義不同的安全級別，用戶認證登錄則結(jié)合CA智能卡進行散列驗證，安全性高于靜態(tài)密碼。機頂盒作為電視屏幕內(nèi)容的載體，連接互聯(lián)網(wǎng)后的內(nèi)容管控措施是必要的，如何在內(nèi)容管控和平臺開發(fā)性上尋求一個平衡點，這也是解決安全性問題之后需要面對的問題。

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