黃全明+張豐源+楊夫星

摘 要： 在數(shù)字家庭網(wǎng)絡中，UPnP與IGRS都能實現(xiàn)不同設備間無縫聯(lián)接，但這兩種協(xié)議存在差異，無法互聯(lián)互通。針對該問題，從尋址、發(fā)現(xiàn)、描述、控制、事件幾個方面著手，找出兩個協(xié)議間的聯(lián)系和區(qū)別，然后提出了一種新的方法：基于UPnP與IGRS互操作雙協(xié)議框架。圍繞該框架，詳細描述了轉換橋、虛設備管理以及UPnP/IGRS 設備管理三個模塊的實現(xiàn)過程。將基于雙協(xié)議框架開發(fā)的程序運行在PC上，使其與IGRS設備和 UPnP設備交互。通過實驗結果發(fā)現(xiàn)，PC能夠發(fā)現(xiàn)這兩種設備，而且這兩種設備間也能夠互相發(fā)現(xiàn)，共享資源。提出的基于UPnP與IGRS互操作雙協(xié)議框架能夠有效實現(xiàn)這兩種協(xié)議間的互操作。

關鍵字： IGRS； UPnP； 互操作； 雙協(xié)議框架

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）14?0032?04

Research on interoperability technology of UPnP and IGRS protocols in digital home environment

HUANG Quan?ming1， ZHANG Feng?yuan1， YANG Fu?xing2

（1. College of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 2. Hisense Group Co.， Ltd.， Qingdao 266071， China）

Abstract： In the digital home network environment， UPnP and IGRS can achieve the seamless connection among different devices， but these two protocols are different so that they cant interact with each other. Aiming at this problem， proceeding from addressing， discovery， description， control and event， the differences and similarities of these two protocols are found out. A new approach called interoperation dual?protocol architecture based on UPnP and IGRS is proposed in this paper. Three modules of conversion bridge， virtual device management and UPnP/IGRS device management are described in detail according to the architecture. The program developed on the basis of the dual?protocol architecture is run in PC， and interacted with IGRS device and UPnP device. The experimental results show the PC can find these two devices， and these two devices can find each other. The resource sharing is realized finally. Therefore， the proposed interoperability dual?protocol architecture based on UPnP and IGRS protocols can achieve the interoperation between these two protocols.

Keywords： IGRS； UPnP； interoperability； dual?protocol architecture

0 引 言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)以及3C融合技術的快速發(fā)展[1]，智能家電、智能終端等消費類電子產品不斷普及，人們希望家庭設備的能夠無縫互聯(lián)，共享資源、協(xié)同服務。為了實現(xiàn)這個目標，人們研究了許多協(xié)議標準[2?3]，其中UPnP[4]和IGRS[5]已經(jīng)發(fā)展成為了主流協(xié)議標準。它們都采用了許多標準協(xié)議機制，如HTTP，SOAP等，但在服務描述、消息格式上存在很大的差異。因此，基于UPnP 和IGRS協(xié)議的設備之間不能互聯(lián)互通。本文提出了一種UPnP和IGRS互操作雙協(xié)議框架，通過設計轉換橋和虛設備管理模塊，基于這兩種協(xié)議的消息能夠相互轉換，并生成相應的虛設備實現(xiàn)設備間互操作。

1 UPnP和IGRS協(xié)議分析

UPnP和IGRS協(xié)議工作過程包含以下幾步：尋址、發(fā)現(xiàn)、描述、控制和事件[6?9]。以下通過分析各個機制的實現(xiàn)過程，可以發(fā)現(xiàn)兩個協(xié)議互操作的可行性。

1.1 尋址

UPnP協(xié)議基于IP尋址，IGRS協(xié)議沒有限定設備間尋址的方式。所以兩個協(xié)議都支持設備使用靜態(tài) IP、動態(tài)DHCP 和Auto?IP 的尋址方式。

1.2 發(fā)現(xiàn)

UPnP的設備服務發(fā)現(xiàn)機制使用SSDP協(xié)議，以UDP多播為基礎。IGRS基于全局對等組的設備服務發(fā)現(xiàn)機制建立在SSDP協(xié)議基礎上。因此，通過SSDP協(xié)議，IGRS 與UPnP 可以實現(xiàn)設備服務的相互發(fā)現(xiàn)。

1.3 描述

UPnP和IGRS 都采用XML 模板定義了設備描述模板，但兩種模板在格式定義上有所區(qū)別。IGRS 使用 WSDL 作為服務描述模板，而UPnP使用自定義服務描述模板，這兩種模板格式也存在較大差異。由于IGRS設備服務描述模板都是可擴展的，所以可以在IGRS的設備服務描述中加入相應的UPnP 描述擴展，實現(xiàn)設備服務的相互發(fā)現(xiàn)。

1.4 控制

UPnP 服務控制調用機制采用SOAP 協(xié)議機制，IGRS則定義了基于會話的服務控制調用機制，同時支持基于非安全管道的客戶/服務間交互作為擴展接口。IGRS 服務可以在IGRS 設備描述文檔中的服務描述中加入相應的UPnP調用接口描述，從而實現(xiàn)與UPnP客戶間的交互和控制。

1.5 事件

UPnP 采用 GENA 機制，而IGRS采用基于管道（安全/非安全）的機制實現(xiàn)。但通過非安全管道機制，IGRS服務可以向UPnP客戶暴露事件訪問接口，實現(xiàn)服務的事件訂閱和事件通知。

2 UPnP和IGRS互操作框架

為了實現(xiàn)數(shù)字家庭網(wǎng)絡中基于UPnP和IGRS協(xié)議設備間的互聯(lián)互通，本文提出了一種互操作協(xié)議框架，如圖1所示。

圖1 UPnP和IGRS互操作框架

該框架接受UPnP和 IGRS 各種類型的請求和響應消息（例如發(fā)現(xiàn)消息、控制消息、事件消息等），并做出相應處理。通過實現(xiàn)框架中描述的轉換橋和虛設備管理模塊，家庭網(wǎng)絡中的UPnP設備和IGRS 設備就可以相互發(fā)現(xiàn)控制。因為該框架底層主要以UPnP協(xié)議和IGRS 協(xié)議為基礎，所以還可單獨和UPnP設備或者IGRS設備進行交互。所以為了實現(xiàn)該框架，重點在于研究設計轉換橋、虛設備管理模塊和UPnP/IGRS 設備管理模塊。

2.1 轉換橋

轉換橋是具體的UPnP設備或IGRS 設備抽象化虛擬IGRS 設備或UPnP設備的基礎。它的內部結構如圖2所示。轉換橋由各種類型轉換模塊和控制點組成。轉換模塊類型包括宣告、發(fā)現(xiàn)、描述、控制、事件等。轉換模塊的功能是轉換服務描述文檔和翻譯家庭網(wǎng)絡中分發(fā)的UPnP消息和IGRS 消息。控制點主要負責接收底層消息，同時分發(fā)上層傳遞的消息。

圖2 轉換橋內部結構

通過對比分析IGRS 和UPnP各種消息格式，轉換模塊進行消息頭和消息內容的融合和替換，生成相應協(xié)議的消息，然后控制點進行消息轉發(fā)。下面以轉換橋處理上線宣告消息和離線宣告消息過程為例，介紹轉換橋的工作原理。根據(jù)上線宣告消息中Location字段描述的URL地址，控制點可以獲取UPnP設備的描述文檔。轉換模塊再把它轉換成IGRS設備描述文檔，并且保存在本地，同時把UPnP設備的IP地址和端口號以及其他信息提交給虛設備管理模塊。

虛設備管理模塊注冊生成一個針對UPnP設備的虛擬IGRS設備，并生成它的上線宣告消息，然后控制點宣告上線消息。以此實現(xiàn)UPnP/IGRS設備上線廣播消息轉換。對于UPnP設備的離線消息，可以根據(jù)相應的消息格式進行相關信息融合和替換，虛設備管理模塊轉換成IGRS設備的離線消息，同時控制點宣告此離線消息。通過這種方式，其他的IGRS設備就可以感知UPnP設備離線。

由于IGRS通過WSDL描述服務，UPnP則自定義了一套服務描述模板，所以實現(xiàn)兩者的轉化對于各自服務接口的調用十分重要，它們間轉換過程描述如下[10]：

IGRS 的WSDL轉換為UPnP服務描述文檔主要是把操作字段轉化生成動作列表字段，消息字段轉換生成服務狀態(tài)表信息，消息和操作字段轉換生成輸入或輸入?yún)?shù)信息；UPnP服務描述文檔轉換為IGRS的WSDL，主要是把UPnP設備服務描述文檔的動作列表字段轉換成端口類型信息，動作列表信息和服務狀態(tài)表信息生成消息字段。

2.2 虛設備管理模塊

虛設備管理模塊以轉換橋為基礎。它管理IGRS或UPnP虛設備，并支持IGRS和UPnP設備間的互操作。它由設備管理、服務管理、控制管理以及事件管理四個模塊組成，其內部結構如圖3所示。

圖3 虛設備管理模塊內部結構

設備管理模塊主要將具體設備和虛擬設備綁定在一起，在虛擬設備結構中，保存著具體設備的IP地址，端口號，設備ID，類型，名稱等信息。服務管理模塊記錄具體設備和對應虛擬設備的服務信息，同時保存具體設備的服務接口信息。控制管理模塊主要負責IGRS設備和UPnP設備間服務調用和會話管理。事件管理模塊主要負責事件訂閱和事件通知。這些模塊不是孤立存在的，它們之間有著緊密的聯(lián)系。下面描述了這兩種設備間交互過程。

當轉換橋把一個家庭網(wǎng)絡UPnP設備映射成IGRS虛設備，虛擬設備管理模塊會綁定它們的設備服務信息，其他的IGRS設備也會發(fā)現(xiàn)這個虛設備。當這個虛設備收到具體IGRS設備服務請求信息時，它會根據(jù)UPnP服務調用機制生成新的請求消息，并將它發(fā)送給具體的UPnP設備（它的IP和端口信息已經(jīng)保存在設備管理結構中）。然后，UPnP設備發(fā)送相應的響應消息。當IGRS虛設備收到響應消息，它會根據(jù)IGRS服務調用機制生成新的響應消息，并把它發(fā)送給IGRS設備。通過這種方式，IGRS設備可以控制家庭網(wǎng)絡中UPnP設備，反之亦然。

2.3 UPnP/IGRS 設備管理模塊

UPnP/IGRS 設備管理模塊可以作為一個控制點，單獨與UPnP設備或者IGRS設備進行交互。它也包括設備管理、服務管理、控制管理以及事件管理四個模塊。它的內部結構如圖4所示。

設備管理主要保存控制點發(fā)現(xiàn)的設備信息和服務信息。服務管理通過控制點獲取的設備服務的描述文檔，得到設備的服務功能調用接口。根據(jù)服務管理保存的不同服務的功能調用接口，控制管理模塊可以管理會話，處理服務調用請求和響應消息。事件管理主要負責事件訂閱和事件通知。

圖4 UPnP/IGRS設備管理模塊

3 UPnP和IGRS互操作框架應用場景

圖5描述了數(shù)字家庭網(wǎng)絡中基于UPnP和IGRS互操作框架下設備間交互應用場景。安裝有UPnP和IGRS互操作協(xié)議框架的設備翻譯轉換IGRS設備和UPnP設備間不同類型的消息，UPnP控制點和IGRS控制點可以發(fā)現(xiàn)瀏覽彼此的多媒體資源和共享服務內容，同時它們可以通過建立在設備和媒體服務器之間帶外連接實現(xiàn)音頻視頻資源的播控。這樣，用戶便可以方便共享基于不同協(xié)議設備間資源。

圖5 UPnP和IGRS互操作框架應用場景

4 實驗分析

4.1 實驗環(huán)境

實驗測試的PC的CPU主頻是2.8 GHz，擁有4 GB 內存，搭載的操作系統(tǒng)是Ubuntu，內核版本是2.6.32。在此平臺上開發(fā)了基于UPnP和IGRS互操作框架應用程序。除此之外，實驗設備還包括裝有IGRS協(xié)議海信平板電腦，和裝有UPnP協(xié)議三星手機。通過局域網(wǎng)，PC、平板、手機實現(xiàn)交互。

4.2 實驗結果

首先運行將基于雙協(xié)議框架開發(fā)的程序在PC上運行，然后將裝有UPnP協(xié)議三星手機加入網(wǎng)絡。這時PC可以發(fā)現(xiàn)三星手機上提供的共享資源。再將裝有IGRS協(xié)議海信平板電腦加入網(wǎng)絡，PC上顯示海信平板電腦上提供的共享資源，同時海信平板電腦顯示三星手機上提供的共享資源，三星手機發(fā)現(xiàn)海信平板電腦提供的共享資源。在海信平板電腦上，IGRS播放器可以正常播控三星手機提供的視頻。同樣，在三星手機上，UPnP播放器可以正常播控海信平板電腦提供的視頻。這說明UPnP和IGRS互操作框架能夠實現(xiàn)UPnP設備和IGRS設備互聯(lián)互通，可以單獨和UPnP設備或IGRS設備進行交互。為了測試雙協(xié)議框架的性能，做了60次上述實驗，以每10次為增量統(tǒng)計了UPnP設備和IGRS設備互相發(fā)現(xiàn)的平均時間，如表1所示。由于網(wǎng)絡的負載不確定時地增加，有時統(tǒng)計的平均時間會出現(xiàn)較大波動，但會控制在1 s以內，這表明該協(xié)議框架能夠有效實現(xiàn)這兩種協(xié)議間的互操作。

表1 UPnP設備和IGRS設備互相發(fā)現(xiàn)的平均時間 s

5 結 語

本文針對家庭網(wǎng)絡中大量IGRS 和UPnP設備不能互操作的問題，提出一種新方法：基于UPnP與IGRS互操作雙協(xié)議框架，并且通過實驗驗證了該協(xié)議框架的可行性。今后將在該協(xié)議框架基礎上進行擴展，使之解決更多基于不同協(xié)議設備間的互操作問題。

參考文獻

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[10] 胡艷萍，朱珍民，陳援非，等.IGRS 和UPnP 協(xié)議轉換引擎的設計實現(xiàn)[J].計算機工程，2011，37（19）：1?4.

設備管理主要保存控制點發(fā)現(xiàn)的設備信息和服務信息。服務管理通過控制點獲取的設備服務的描述文檔，得到設備的服務功能調用接口。根據(jù)服務管理保存的不同服務的功能調用接口，控制管理模塊可以管理會話，處理服務調用請求和響應消息。事件管理主要負責事件訂閱和事件通知。

圖4 UPnP/IGRS設備管理模塊

3 UPnP和IGRS互操作框架應用場景

圖5描述了數(shù)字家庭網(wǎng)絡中基于UPnP和IGRS互操作框架下設備間交互應用場景。安裝有UPnP和IGRS互操作協(xié)議框架的設備翻譯轉換IGRS設備和UPnP設備間不同類型的消息，UPnP控制點和IGRS控制點可以發(fā)現(xiàn)瀏覽彼此的多媒體資源和共享服務內容，同時它們可以通過建立在設備和媒體服務器之間帶外連接實現(xiàn)音頻視頻資源的播控。這樣，用戶便可以方便共享基于不同協(xié)議設備間資源。

圖5 UPnP和IGRS互操作框架應用場景

4 實驗分析

4.1 實驗環(huán)境

實驗測試的PC的CPU主頻是2.8 GHz，擁有4 GB 內存，搭載的操作系統(tǒng)是Ubuntu，內核版本是2.6.32。在此平臺上開發(fā)了基于UPnP和IGRS互操作框架應用程序。除此之外，實驗設備還包括裝有IGRS協(xié)議海信平板電腦，和裝有UPnP協(xié)議三星手機。通過局域網(wǎng)，PC、平板、手機實現(xiàn)交互。

4.2 實驗結果

首先運行將基于雙協(xié)議框架開發(fā)的程序在PC上運行，然后將裝有UPnP協(xié)議三星手機加入網(wǎng)絡。這時PC可以發(fā)現(xiàn)三星手機上提供的共享資源。再將裝有IGRS協(xié)議海信平板電腦加入網(wǎng)絡，PC上顯示海信平板電腦上提供的共享資源，同時海信平板電腦顯示三星手機上提供的共享資源，三星手機發(fā)現(xiàn)海信平板電腦提供的共享資源。在海信平板電腦上，IGRS播放器可以正常播控三星手機提供的視頻。同樣，在三星手機上，UPnP播放器可以正常播控海信平板電腦提供的視頻。這說明UPnP和IGRS互操作框架能夠實現(xiàn)UPnP設備和IGRS設備互聯(lián)互通，可以單獨和UPnP設備或IGRS設備進行交互。為了測試雙協(xié)議框架的性能，做了60次上述實驗，以每10次為增量統(tǒng)計了UPnP設備和IGRS設備互相發(fā)現(xiàn)的平均時間，如表1所示。由于網(wǎng)絡的負載不確定時地增加，有時統(tǒng)計的平均時間會出現(xiàn)較大波動，但會控制在1 s以內，這表明該協(xié)議框架能夠有效實現(xiàn)這兩種協(xié)議間的互操作。

表1 UPnP設備和IGRS設備互相發(fā)現(xiàn)的平均時間 s

5 結 語

本文針對家庭網(wǎng)絡中大量IGRS 和UPnP設備不能互操作的問題，提出一種新方法：基于UPnP與IGRS互操作雙協(xié)議框架，并且通過實驗驗證了該協(xié)議框架的可行性。今后將在該協(xié)議框架基礎上進行擴展，使之解決更多基于不同協(xié)議設備間的互操作問題。

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[10] 胡艷萍，朱珍民，陳援非，等.IGRS 和UPnP 協(xié)議轉換引擎的設計實現(xiàn)[J].計算機工程，2011，37（19）：1?4.

設備管理主要保存控制點發(fā)現(xiàn)的設備信息和服務信息。服務管理通過控制點獲取的設備服務的描述文檔，得到設備的服務功能調用接口。根據(jù)服務管理保存的不同服務的功能調用接口，控制管理模塊可以管理會話，處理服務調用請求和響應消息。事件管理主要負責事件訂閱和事件通知。

圖4 UPnP/IGRS設備管理模塊

3 UPnP和IGRS互操作框架應用場景

圖5描述了數(shù)字家庭網(wǎng)絡中基于UPnP和IGRS互操作框架下設備間交互應用場景。安裝有UPnP和IGRS互操作協(xié)議框架的設備翻譯轉換IGRS設備和UPnP設備間不同類型的消息，UPnP控制點和IGRS控制點可以發(fā)現(xiàn)瀏覽彼此的多媒體資源和共享服務內容，同時它們可以通過建立在設備和媒體服務器之間帶外連接實現(xiàn)音頻視頻資源的播控。這樣，用戶便可以方便共享基于不同協(xié)議設備間資源。

圖5 UPnP和IGRS互操作框架應用場景

4 實驗分析

4.1 實驗環(huán)境

實驗測試的PC的CPU主頻是2.8 GHz，擁有4 GB 內存，搭載的操作系統(tǒng)是Ubuntu，內核版本是2.6.32。在此平臺上開發(fā)了基于UPnP和IGRS互操作框架應用程序。除此之外，實驗設備還包括裝有IGRS協(xié)議海信平板電腦，和裝有UPnP協(xié)議三星手機。通過局域網(wǎng)，PC、平板、手機實現(xiàn)交互。

4.2 實驗結果

首先運行將基于雙協(xié)議框架開發(fā)的程序在PC上運行，然后將裝有UPnP協(xié)議三星手機加入網(wǎng)絡。這時PC可以發(fā)現(xiàn)三星手機上提供的共享資源。再將裝有IGRS協(xié)議海信平板電腦加入網(wǎng)絡，PC上顯示海信平板電腦上提供的共享資源，同時海信平板電腦顯示三星手機上提供的共享資源，三星手機發(fā)現(xiàn)海信平板電腦提供的共享資源。在海信平板電腦上，IGRS播放器可以正常播控三星手機提供的視頻。同樣，在三星手機上，UPnP播放器可以正常播控海信平板電腦提供的視頻。這說明UPnP和IGRS互操作框架能夠實現(xiàn)UPnP設備和IGRS設備互聯(lián)互通，可以單獨和UPnP設備或IGRS設備進行交互。為了測試雙協(xié)議框架的性能，做了60次上述實驗，以每10次為增量統(tǒng)計了UPnP設備和IGRS設備互相發(fā)現(xiàn)的平均時間，如表1所示。由于網(wǎng)絡的負載不確定時地增加，有時統(tǒng)計的平均時間會出現(xiàn)較大波動，但會控制在1 s以內，這表明該協(xié)議框架能夠有效實現(xiàn)這兩種協(xié)議間的互操作。

表1 UPnP設備和IGRS設備互相發(fā)現(xiàn)的平均時間 s

5 結 語

本文針對家庭網(wǎng)絡中大量IGRS 和UPnP設備不能互操作的問題，提出一種新方法：基于UPnP與IGRS互操作雙協(xié)議框架，并且通過實驗驗證了該協(xié)議框架的可行性。今后將在該協(xié)議框架基礎上進行擴展，使之解決更多基于不同協(xié)議設備間的互操作問題。

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