基于家庭自動(dòng)化變量安全操作協(xié)議異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的研究與設(shè)計(jì)

何雨　徐　鄒濟(jì)安　關(guān)明

摘 要：針對(duì)家庭自動(dòng)化場(chǎng)景中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不統(tǒng)一，兼容性不足的問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前智能家居網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的需求點(diǎn)，文章設(shè)計(jì)了一種能夠兼容各種不同網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議變量安全操作協(xié)議VSOP（Variable Security Operation Protocol）。協(xié)議的主要應(yīng)用在于能夠移植到不同網(wǎng)絡(luò)模式中，并基于可插拔的協(xié)調(diào)器接入網(wǎng)關(guān)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)的功能。同時(shí)使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多客戶實(shí)時(shí)服務(wù)，將底層設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送到所有在線的客戶端，實(shí)現(xiàn)多終端同步的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能家居；應(yīng)用層協(xié)議；互聯(lián)互通；異構(gòu)網(wǎng)關(guān)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）15-0088-02

Abstract： Aiming at the problem of the inconsistency and compatibility of the network structure in the home automation scene， combined with the demand point of the current smart home network market， This paper designs an application-layer protocol variable security operation protocol VSOP （Variable Security Operation Protocol） which can be compatible with different networks. The main application of the protocol is that it can be transplanted to different network modes， and the heterogeneous function can be realized based on the pluggable coordinator access gateway platform. At the same time， multi-client real-time service is realized by using multi-thread technology， and the data of the underlying device is sent to all online clients to realize the application of multi-terminal synchronization.

Keywords： smart home； application layer protocol； interconnection； heterogeneous gateway

隨著智能設(shè)備產(chǎn)品的更新?lián)Q代，每種來(lái)自不同廠商的智能設(shè)備都具有獨(dú)立的通信控制協(xié)議，家庭自動(dòng)化用戶在使用這些智能設(shè)備的時(shí)候就需要對(duì)應(yīng)安裝不同產(chǎn)品的控制軟件，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)是相當(dāng)不方便的，因此，在廠商的利益角逐面前，家庭自動(dòng)化通信協(xié)議很難推出一款簡(jiǎn)單便捷的控制協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的目的。在通信協(xié)議方面各大廠商由于利益的問(wèn)題很難達(dá)成統(tǒng)一協(xié)議的共識(shí)，同時(shí)每個(gè)廠商運(yùn)用的通信協(xié)議也有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此在底層協(xié)議上想要為互聯(lián)互通做出重大進(jìn)展就目前而言是不切實(shí)際的。因此，本文設(shè)計(jì)了一種在家庭自動(dòng)化多網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備互聯(lián)互通的基于VSOP（Variable Secure Operable Protocol）變量安全操作協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)，在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)，解決不同協(xié)議之間的互聯(lián)互通問(wèn)題[1]。

1 協(xié)議架構(gòu)介紹

綜合不同家庭環(huán)境下的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用層的特點(diǎn)，以及考慮到家庭自動(dòng)化的一般需求，VSOP將基于國(guó)標(biāo)中建議的報(bào)文格式，實(shí)現(xiàn)消息處理對(duì)等、加密模式可選、具備訪問(wèn)控制、具備異常診斷、資源變量化描述和協(xié)議高可嵌入等能力，從而設(shè)計(jì)符合變量化、信息安全的、互操作技術(shù)要求的智能家居自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用層協(xié)議。VSOP可劃分為ADU（Application Data Unit，應(yīng)用數(shù)據(jù)單元）、PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元），協(xié)議實(shí)現(xiàn)一個(gè)報(bào)文最低只需11 字節(jié)[2]，且加密區(qū)符合最低8字節(jié)要求，如圖1所示。

VSOP具備如下特點(diǎn)：（1）采用變量操作和二進(jìn)制報(bào)文格式，精簡(jiǎn)高效，變量地址寬度為8位。（2）可選的安全加密模式和按鍵雙向驗(yàn)證規(guī)范。（3）識(shí)別碼用于識(shí)別報(bào)文的加密方式（高4位）和報(bào)文編號(hào)機(jī)制（低4位）。（4）具備變量描述規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源共享和指令生成。（5）規(guī)定統(tǒng)一的功能碼和對(duì)等的操作方式，并允許擴(kuò)展。（6）通信即滿足請(qǐng)求響應(yīng)模式，又允許設(shè)備主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。（7）時(shí)間碼是報(bào)文流水號(hào)，配合加密和校驗(yàn)碼可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的安全檢測(cè)。

本文所指家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)按照五層分層模型劃分，VSOP依據(jù)常用的混合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方式，規(guī)定了與底層無(wú)關(guān)的應(yīng)用層信息格式，因此可以任何通訊介質(zhì)和通訊網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸。鑒于家庭環(huán)境下無(wú)線通信距離要求不高，網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層可以使用具有路由中繼能力的6LoWPAN、ZigBee等復(fù)雜的WAN網(wǎng)絡(luò)或Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，也可以使用低復(fù)雜度的簡(jiǎn)單射頻或主從串行鏈路進(jìn)行傳輸。應(yīng)用層統(tǒng)一使用VSOP規(guī)定的信息幀格式進(jìn)行交互，以實(shí)現(xiàn)信息在應(yīng)用層的識(shí)別和轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

VSOP采用典型的以家庭網(wǎng)關(guān)為中心的家庭物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要改進(jìn)為設(shè)計(jì)支持VSOP嵌套的USB協(xié)調(diào)器用于異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議擴(kuò)展。協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)VSOP加載和協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過(guò)USB接口接入不同的網(wǎng)關(guān)平臺(tái)構(gòu)成VSOP網(wǎng)絡(luò)適配器，相對(duì)于網(wǎng)關(guān)進(jìn)行透明的應(yīng)用層數(shù)據(jù)交換和簡(jiǎn)單的異常報(bào)文過(guò)濾，從而實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)和低成本的平臺(tái)兼容。

2 異構(gòu)網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)器的實(shí)現(xiàn)

VSOP協(xié)議對(duì)多協(xié)議異構(gòu)互聯(lián)提出了基于應(yīng)用層的異構(gòu)方案，不同的家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一使用VSOP作為應(yīng)用層協(xié)議，并基于可插拔的協(xié)調(diào)器接入網(wǎng)關(guān)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)[3]。在家庭環(huán)境中，多客戶接入服務(wù)是能夠顯著提高應(yīng)用體驗(yàn)的功能，使用多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)多客戶實(shí)時(shí)服務(wù)的同時(shí)，將底層設(shè)備的數(shù)據(jù)發(fā)送到所有在線的客戶端，實(shí)現(xiàn)多終端同步的應(yīng)用[4]。

根據(jù)需要分別搭建數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)用于模擬家庭應(yīng)用環(huán)境，驗(yàn)證基于VSOP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、多客戶端接入服務(wù)的實(shí)現(xiàn)情況[5]。本文使用筆記本電腦作為客戶端，模擬移動(dòng)設(shè)備使用Wi-Fi接入家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)[6]，網(wǎng)絡(luò)適配器和數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)使用以太網(wǎng)網(wǎng)線與家庭無(wú)線路由器連接，平臺(tái)結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖3所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

多種網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)優(yōu)劣互補(bǔ)但結(jié)構(gòu)相似，因此多協(xié)議異構(gòu)的靈活性、透明性需要VSOP既要滿足單平臺(tái)應(yīng)用，又要支持設(shè)備的模塊化組合，且能適應(yīng)不同的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了VSOP協(xié)議的可用性和有效性，可以得出設(shè)計(jì)的協(xié)議及相關(guān)方案滿足精簡(jiǎn)高效、互聯(lián)互通和資源共享的設(shè)計(jì)要求，適用于異構(gòu)和多客戶接入服務(wù)的家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的結(jié)論。

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