數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中信息家電互聯(lián)中間件技術(shù)解析

彭海琴

【摘要】本文簡述了數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)及實現(xiàn)數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中信息家電互聯(lián)所需要的中間件等有關(guān)概念，重點解析了以UPnP、IGRS和OSGi為代表的中間件技術(shù)的基本原理和特征，期望為后續(xù)學(xué)習和研究數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中信息設(shè)備的互聯(lián)提供服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò);信息家電;中間件技術(shù);UPnP;IGRS;OSGi

由于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的資源不僅有操作系統(tǒng)和硬件體系的設(shè)備，還有存在于網(wǎng)絡(luò)中的軟件等成員，這樣復(fù)雜的構(gòu)成使得對信息家電的開發(fā)造成了很大的困難。如何使開發(fā)人員可以忽略各種不同設(shè)備的底層信息，在設(shè)計家庭網(wǎng)絡(luò)分布式應(yīng)用中使用通用接口，這就必須在家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)中引入中間件技術(shù)。

一、數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)概述

數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是指在集成協(xié)同環(huán)境中把各種計算機、信息家電、照明能源控制設(shè)備和安全報警控制設(shè)備等相連接，形成一個多層次統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)家庭資源的共享和管理，以提高人們的生活質(zhì)量，使家庭能夠變得更舒適、安全和有效。數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)是集計算機、通信和消費電子技術(shù)于一體的3C系統(tǒng)。

數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)包括控制中心、各種信息終端設(shè)備和智能家電設(shè)備及家庭內(nèi)部互連環(huán)境三部分。其中控制中心是數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)的核心，是家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和控制中心，也是外部網(wǎng)絡(luò)進入家庭的橋梁和樞紐。用戶將數(shù)字家庭內(nèi)各類終端互聯(lián)并與家庭網(wǎng)關(guān)相連，通過家庭內(nèi)部有線或無線方式的互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)各信息終端設(shè)備和智能家電設(shè)備的自組織聯(lián)網(wǎng)并提供自動發(fā)現(xiàn)和配置，享受運營商所提供的各種服務(wù)。

二、數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中間件

在數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中，中間件是一種獨立的系統(tǒng)軟件或服務(wù)程序，分布式應(yīng)用軟件借助這種中間件在不同的技術(shù)之間共享資源，它位于客戶機、服務(wù)器的操作系統(tǒng)之上，管理計算資源和網(wǎng)絡(luò)通信。

采用中間件技術(shù)設(shè)計的信息家電不僅可以在家庭網(wǎng)絡(luò)中廣播自身的標識，還可以自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的其他設(shè)備，同時還可以相互描述自身所獨具的功能，提供的服務(wù)，還可以相互查詢、理解所彼此的功能;并且可以使數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)無需人工參與，便可以自動完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。在家庭網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序設(shè)計中采用中間件技術(shù)，可以極大減輕設(shè)計人員的設(shè)計難度。由于中間件技術(shù)獨立于底層操作系統(tǒng)和具體的通信技術(shù)，主要用于解決某一類問題。因此應(yīng)用程序的開發(fā)者，就可以從這些問題的困擾中脫離出來，縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，降低程序開發(fā)的失敗率，降低維護費用，提高應(yīng)用的開發(fā)質(zhì)量，保證應(yīng)用的可升級性，增強應(yīng)用的生命力。

在數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的中間件技術(shù)大體上分成集中控制方式和分布控制方式兩類，其中，分布控制方式中應(yīng)用比較多的有如UPnP，IGRS，Jini等中間件技術(shù)，集中控制方式中應(yīng)用比較多的有OSGi，OpenCable等中間件技術(shù)。

三、數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中典型中間件技術(shù)解析

（1）UPnP中間件技術(shù)

UPnP是通用即插即用的英文縮寫，它是以Intcrnet技術(shù)和標準為基礎(chǔ)，為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、軟件以及外設(shè)之間提供一種兼容性的聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。其顯著特色是：通用、即插即用，能夠自動偵測到具有網(wǎng)絡(luò)能力的家用電器，將復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置變?yōu)樽詣釉O(shè)置。最大優(yōu)點是設(shè)備驅(qū)動程序無關(guān)性和零配置聯(lián)網(wǎng)，任何操作系統(tǒng)都可以支持它。

在數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中，UPnP是針對智能家電、無線設(shè)備以及各種個人電腦的普遍對等網(wǎng)絡(luò)連接而設(shè)計的一種架構(gòu)。它旨在為家庭、小型企業(yè)或未管理網(wǎng)絡(luò)提供一種易于使用、靈活且基于標準的連接。UPnP是一個充分利用TCP/IP和Web技術(shù)的分布式開放型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，除了能夠在家中、辦公室和公共場所聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間進行完整控制和數(shù)據(jù)傳輸之外，還可建立無縫緊密的連接網(wǎng)絡(luò)。UPnP繼承了PnP的簡單、方便、有效的特性，同時擴展了其通用性。其“簡單性”主要體現(xiàn)在“零配置”的前提下提供了聯(lián)網(wǎng)設(shè)備間的發(fā)現(xiàn)、接口聲明、信息交換、互操作等功能?！巴ㄓ眯浴敝饕w現(xiàn)在它是建立在TCP/IP和Web技術(shù)之上的一個能夠提供設(shè)備端到端連接的開放的、分布式的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，能無縫地接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。

UPnP組成：

UPnP網(wǎng)絡(luò)通常由設(shè)備（Device）、服務(wù)（Service）、控制點（Control point）這三個基礎(chǔ)要素組成。其中，UPnP設(shè)備模型是UPnP最基本的概念模型。一個UPnP設(shè)備可以看作是一個包含服務(wù)并嵌套了常規(guī)設(shè)備的“容器”。設(shè)備可以是物理設(shè)備，也可以是邏輯設(shè)備，還包括其服務(wù)功能。設(shè)備執(zhí)行用戶請求的控制過程，可劃分成一個個單位，每個單位就稱為一個服務(wù)。每一個服務(wù)，對外都表現(xiàn)為具體的模式和行為，而模式和行為又可以用狀態(tài)和變量值來進行描述。在UPnP設(shè)備中服務(wù)由狀態(tài)表（StateTable）、控制服務(wù)器（Control Server）和事件服務(wù)器（Event Server）組成。在UPnP網(wǎng)絡(luò)中，用戶請求設(shè)備執(zhí)行某個控制是通過控制點實現(xiàn)的，控制點首先是一個有能力控制其他設(shè)備的控制者，還應(yīng)具有在網(wǎng)絡(luò)中“發(fā)現(xiàn)”控制目標的能力。在發(fā)現(xiàn)控制目標之后，控制點應(yīng)當：1）取得設(shè)備的描述信息并得到該設(shè)備關(guān)聯(lián)的服務(wù)列表。2）取得相關(guān)服務(wù)的描述。3）調(diào)用控制服務(wù)。4）確定服務(wù)的事件“源”。

UPnP協(xié)議棧及所用協(xié)議：

采用IP協(xié)議來保證UPnP獨立與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì);采用SOAP協(xié)議來保證UPnP設(shè)備具有互操作能力;采用XML來對設(shè)備和服務(wù)進行統(tǒng)一的描述;采用HTTP協(xié)議來進行UPnP設(shè)備的信息交互。使用這些現(xiàn)存的、廣泛應(yīng)用的協(xié)議能減少開發(fā)UPnP設(shè)備的工作量，使UPnP設(shè)備更好地融入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。

UPnP工作過程：

UPnP定義了設(shè)備之間、設(shè)備和控制點之間以及控制點之間通信的協(xié)議。完整的工作過程由六個步驟組成，即設(shè)備尋址、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備描述、設(shè)備控制、設(shè)備事件、設(shè)備展示。

（2）IGRS中間件技術(shù)

IGRS是信息設(shè)備資源共享協(xié)同服務(wù)標準的簡稱，目標是在企業(yè)、公共場所以及家庭所涉及的設(shè)備互連時，通過遵循共同資源描述及功能服務(wù)接口標準，使這些設(shè)備能夠有效實現(xiàn)資源共享及協(xié)同服務(wù)，提高設(shè)備間功能的互操作性。信息設(shè)備資源共享協(xié)同服務(wù)（IGRS）旨在借助媒介將位于一定范圍內(nèi)并遵循共同資源描述及功能服務(wù)接口標準的家用電器、智能設(shè)備等連接起來組成有限范圍的網(wǎng)絡(luò)，使不同設(shè)備自動發(fā)現(xiàn)、動態(tài)組網(wǎng)，實現(xiàn)協(xié)同服務(wù)。

IGRS支持各種設(shè)備通過有線局域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)或藍牙等進行網(wǎng)絡(luò)連接。傳輸與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議，設(shè)備交互消息框架基于HTTP/1.1，設(shè)備發(fā)現(xiàn)與資源共享基于IGRS基礎(chǔ)協(xié)議，設(shè)備協(xié)同服務(wù)基于IGRS應(yīng)用框架。

設(shè)備連接、傳輸與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及設(shè)備交互消息框架采用的是現(xiàn)有的并被廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，IGRS基礎(chǔ)協(xié)議、IGRS應(yīng)用框架及IGRS基礎(chǔ)及擴展應(yīng)用構(gòu)成了IGRS標準的主要內(nèi)容，其中IGRS基礎(chǔ)協(xié)議定義了IGRS設(shè)備問的組網(wǎng)和客戶與服務(wù)聞的交互機制，在基礎(chǔ)協(xié)議的基礎(chǔ)上，IGRS應(yīng)用框架為各種IGRS應(yīng)用抽象并定義出相應(yīng)的標準服務(wù)和交互邏輯，而各種IGRS應(yīng)用可以基于對應(yīng)的IGRS應(yīng)用框架進行標準化實現(xiàn)，從而達到互操作。

IGRS基礎(chǔ)協(xié)議：

IGRS基礎(chǔ)協(xié)議規(guī)定了IGRS設(shè)備間相互發(fā)現(xiàn)及資源共享的機制，包括設(shè)備相互發(fā)現(xiàn)機制、設(shè)備間管道創(chuàng)建機制、服務(wù)發(fā)現(xiàn)機制、設(shè)備組管理機制、會話管理機制和服務(wù)訪問機制。其中，設(shè)備發(fā)現(xiàn)機制定義了IGRS設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中宣告自身及發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備的機制，設(shè)備管道創(chuàng)建機制定義了兩個IGRS設(shè)備間建立可靠的或非可靠交互管道的機制，設(shè)備組管理機制定義了多個IGRS設(shè)備組建設(shè)備組的機制，服務(wù)發(fā)現(xiàn)機制定義了IGRS客戶發(fā)現(xiàn)IGRS服務(wù)的機制，會話管理機制定義了IGRS客戶調(diào)用IGRS服務(wù)時的會話創(chuàng)建和維護的機制，服務(wù)訪問機制定義了IGRS客戶與調(diào)用IGRS服務(wù)的交互機制。

IGRS應(yīng)用框架：

IGRS應(yīng)用框架是基于基礎(chǔ)協(xié)議、面向最終應(yīng)用而定義的一系列應(yīng)用交互規(guī)則。

IGRS設(shè)備：

IGRS設(shè)備是對現(xiàn)實中各種信息終端設(shè)備的一種抽象。在IGRS網(wǎng)絡(luò)中，IGRS設(shè)備是資源與服務(wù)的提供者。一個IGRS設(shè)備通過設(shè)備在線宣告，可使網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備感知自身的存在，通過發(fā)布設(shè)備描述文件以及服務(wù)描述文件，其他設(shè)備可以了解該設(shè)備的詳細信息以及該設(shè)備所提供的服務(wù)以及如何調(diào)用這些服務(wù)。IGRS設(shè)備組由IGRS設(shè)備構(gòu)成，是一組遵循共同的資源共享規(guī)則的設(shè)備集合。IGRS標準定義了兩種設(shè)備組模式：特定對等模式和主從模式。特定對等模式設(shè)備組中的各個設(shè)備為對等關(guān)系，由各設(shè)備管理自身所擁有的資源，設(shè)備間的資源共享規(guī)則由用戶實現(xiàn)協(xié)商確定。所有IGRS設(shè)備缺省情況下都屬于同一個全局對等設(shè)備組。該全局對等設(shè)備組不存在實際的共同交互規(guī)則。主從模式設(shè)備組中的各個設(shè)備為主從關(guān)系，由主控設(shè)備負責設(shè)備組的創(chuàng)建和維護，各設(shè)備和主控設(shè)備一起實現(xiàn)對設(shè)備組內(nèi)資源共享的管理。

IGRS服務(wù)和IGRS客戶：

IGRS服務(wù)是IGRS標準對IGRS設(shè)備上可共享資源的一種抽象，IGRS服務(wù)通過IGRS服務(wù)描述文檔在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布。IGRS服務(wù)描述文檔符合WSDL1.1標準。一個IGRS設(shè)備上的不同服務(wù)對象通過服務(wù)ID進行標識。網(wǎng)絡(luò)上的任何一個IGRS服務(wù)可以通過提供該服務(wù)的設(shè)備ID及服務(wù)ID進行唯一標識。IGRS客戶是IGRS服務(wù)的調(diào)用者，IGRS客戶通過IGRS標準中所定義的服務(wù)發(fā)現(xiàn)機制發(fā)現(xiàn)其它IGRS設(shè)備所提供的服務(wù)，并通過服務(wù)描述文檔中的接口聲明調(diào)用該服務(wù)。一個IGRS設(shè)備上的不同客戶對象之間通過客戶ID進行標識。網(wǎng)絡(luò)上的任何一個IGRS客戶通過該客戶的設(shè)備ID及客戶ID即可唯一標識。一個IGRS服務(wù)對象本身也可以作為其它IGRS服務(wù)對象的客戶。兩個IGRS服務(wù)對象之間可以同時互為服務(wù)提供者和服務(wù)使用者。

IGRS客戶和IGRS服務(wù)之間通過IGRS標準所定義的會話機制建立和管理IGRS客戶和服務(wù)之間的交互。IGRS會話是客戶與服務(wù)之間的交互、服務(wù)在線狀態(tài)檢測等的基礎(chǔ)。

（3）OSGi中間件技術(shù)

OSGi（Open Service Gateway Initiative）有雙重含義。一方面它指OSGi Alliance組織;另一方面指該組織制定的一個基于Java語言的服務(wù)（業(yè)務(wù)）規(guī)范——OSGi服務(wù)平臺（Service Platform）。OSGi標準制定的主要目的在于提供一個開放性平臺，使得在遠程軟件服務(wù)提供商所提供的各種應(yīng)用程序及增值服務(wù)軟件，能根據(jù)使用者的需求隨時下載至用戶的網(wǎng)關(guān)上，然后自動安裝執(zhí)行。為了達到這個目的，軟件服務(wù)供貨商必須要根據(jù)OSGi所制定的規(guī)范去開發(fā)服務(wù)軟件，而靠近客戶端的網(wǎng)關(guān)也必須要將OSGi的功能整合至其中。

OSGi服務(wù)包和服務(wù)網(wǎng)關(guān)：

根據(jù)OSGi規(guī)范開發(fā)出的服務(wù)或軟件稱為服務(wù)包（bundle），而具有OSGi功能的網(wǎng)關(guān)稱為服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Service Gateway）。服務(wù)包要在服務(wù)網(wǎng)關(guān)上執(zhí)行，服務(wù)網(wǎng)關(guān)可以透過廣域網(wǎng)從軟件服務(wù)供貨商處下載不同的服務(wù)包。服務(wù)包是由許多獨立且功能互異的軟件模塊所組成，在OSGi標準中將這些獨立的軟件模塊稱為基本服務(wù)。相同的基本服務(wù)可以出現(xiàn)在不同的服務(wù)包中，也就是說基本服務(wù)是可以被重復(fù)使用的，一個具有殊服務(wù)功能的服務(wù)包通常是由許多基本服務(wù)所組成。服務(wù)網(wǎng)關(guān)只是一個抽象的觀念，任何設(shè)備只要將OSGi整合于其中，它就是一個服務(wù)網(wǎng)關(guān)。服務(wù)網(wǎng)關(guān)連結(jié)的是家庭網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)絡(luò)，它除了提供家庭網(wǎng)絡(luò)對外聯(lián)網(wǎng)的功能，也可讓使用者從不同地方透過它去控制家庭網(wǎng)絡(luò)中的一些設(shè)備。和傳統(tǒng)家用路由器最大不同是，當數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中增加了新的設(shè)備時，服務(wù)網(wǎng)關(guān)要能自動偵測到，并且將這個設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序服務(wù)包（Device Driver bundle）下載安裝至其中。

OSGi包含了Sevrice Framework、bundle、service三個重要的組件。

服務(wù)框架：

服務(wù)框架（Service Framework）是OSGi Service Platform規(guī)范的核心組成部分。它提供了一個通用的、安全的、可管理的Java framework。在一個動態(tài)擴展的OSGi環(huán)境中，F(xiàn)ramework管理bundles的安裝和更新。同時也管理bundles和Services間的依賴關(guān)系。服務(wù)框架給bundle開發(fā)者提供必須的資源，為開發(fā)的bundles提供了代碼動態(tài)加載的功能，這也使得開發(fā)者開發(fā)、部署大規(guī)模的Services變得容易。其次，服務(wù)框架為Java bundle開發(fā)者提供了簡明一致的編程模型，簡化了開發(fā)部署的復(fù)雜性。這個編程模型允許開發(fā)者將自己的接口規(guī)范綁定到OSGi環(huán)境中的Service。服務(wù)框架還提供了類加載（Class Lodaing）、生命周期（Life Cycle）、服務(wù)注冊（Service Registry）、安全（Security）等方面的功能。

Bundle：

在OSGi服務(wù)平臺中，bundle是部署的Java應(yīng)用的唯一實體。一個bundle由Java類和其它資源組成，它提供功能給終端用戶，提供服務(wù)給其它的bundle。bundle是作為JAR文件被部署的。因此可以說一個bundle就是一個JAR文件，它容納了實現(xiàn)零個或多個服務(wù)的資源。這些資源可以是Java類文件，也可以是其它數(shù)據(jù)文件如圖標文件，HTML文件等;容納了一個manifest文件。該文件描述了JAR文件的內(nèi)容以及與bundle相關(guān)的配置信息，陳述了對其他資源如Java中的包（package）的依賴關(guān)系，同時還指明bundle中的一個Java類作為bundle Activator接口的實現(xiàn)類。OSGi框架必須實例化該類并調(diào)用start和stop方法來啟動和停止bundle。

服務(wù)：

在OSGi平臺下，OSGi組織已定義了很多標準服務(wù)（Sevrice）。這些服務(wù)通過Java接口來定義。bundles可以操作這些接口，并將服務(wù)注冊到服務(wù)注冊器上。服務(wù)的使用者可以通過注冊器查找到相應(yīng)的服務(wù)，或者當服務(wù)出現(xiàn)或者消失時候?qū)λ鞒龌貞?yīng)。

四、總結(jié)

本文簡述了數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)及實現(xiàn)數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中信息家電互聯(lián)所需要的中間件等有關(guān)概念，重點解析了以UPnP、IGRS和OSGi為代表的中間件技術(shù)的基本原理和特征，期望為后續(xù)學(xué)習和研究數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中信息設(shè)備的互聯(lián)提供服務(wù)。

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