喬龍飛，鄭建生，，陳鯉文

（1.武漢大學(xué) 衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)研究中心，湖北 武漢430072；2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430072）

0 引 言

傳統(tǒng)路由器只是一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，不具備可擴展能力。與之相比，智能路由器硬件配置更高、計算能力更強，具有統(tǒng)一接入的云平臺，可以與路由器保持通信和連接并進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的交互。硬件上也提供了擴展接口比如USB、SD 卡槽等，可支持接入存儲設(shè)備、視頻設(shè)備、音頻設(shè)備等外設(shè)［1，2］。

另一方面，快速發(fā)展的智能家居技術(shù)開始應(yīng)用于日常生活中，文獻(xiàn) ［3］提出一種基于Android和Arduino平臺的智能家居方案；文獻(xiàn) ［4］提出一種對家庭物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行云端分析的框架；文獻(xiàn) ［5］提出一種將傳感器與智能網(wǎng)關(guān)相結(jié)合用于家庭消防的機制。然而文獻(xiàn) ［3］中Arduino平臺適用范圍窄且系統(tǒng)不具備擴展性，文獻(xiàn) ［4］主要面向數(shù)據(jù)處理，文獻(xiàn) ［5］主要關(guān)注消防，對系統(tǒng)的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)的交互關(guān)注較少。

結(jié)合上述分析，本文設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于智能路由器的遠(yuǎn)程API調(diào)用框架并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了遠(yuǎn)程存儲管理系統(tǒng)。API調(diào)用框架定義了標(biāo)準(zhǔn)的接口數(shù)據(jù)交互格式和基于命名空間的層次劃分體系。提供的存儲管理API可對路由器外接大容量存儲設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和訪問，并可實現(xiàn)離線下載功能。配合智能手機客戶端和瀏覽器web端，可將智能路由器打造為智能家居中的控制中心和數(shù)據(jù)中心，方便個人數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)共享、進(jìn)行離線數(shù)據(jù)下載等，成為構(gòu)建智能家居的重要組成部分。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示，分為4個子模塊。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

（1）基于HTTP協(xié)議的API接口框架?；谥悄苈酚善魈峁┑膹姆?wù)器端cloud－server到路由器端cloud－client的加密消息通道。參考REST 風(fēng)格的API設(shè)計方法［6］，本系統(tǒng)設(shè)計了一種按命名空間進(jìn)行功能劃分的遠(yuǎn)程調(diào)用接口體系，定義了接口的輸入輸出數(shù)據(jù)格式，實現(xiàn)了接口的遠(yuǎn)程調(diào)用邏輯和權(quán)限管理功能。其它子系統(tǒng)的功能API接口基于該體系對外提供。

（2）存儲設(shè)備管理模塊。本系統(tǒng)設(shè)計了一個存儲管理守護(hù)進(jìn)程storaged，實現(xiàn)對外接存儲設(shè)備的自動發(fā)現(xiàn)、管理功能，并對外提供操作和查詢接口。另一方面對Linux文件系統(tǒng)進(jìn)行封裝，屏蔽了硬件和文件系統(tǒng)類型等細(xì)節(jié)，對外提供API接口實現(xiàn)遠(yuǎn)程文件管理，比如文件的查看、重命名、刪除、移動等文件系統(tǒng)管理功能。

（3）離線下載管理模塊。系統(tǒng)設(shè)計了一套完整的遠(yuǎn)程下載接口調(diào)用體系，通過對嵌入式P2SP下載器進(jìn)行封裝，支持遠(yuǎn)程下發(fā)離線下載任務(wù)、查看任務(wù)狀態(tài)、暫停、重啟、刪除任務(wù)等操作，支持HTTP、FTP、BT 等類型資源的下載。

（4）本地數(shù)據(jù)傳輸模塊。為方便的對存儲設(shè)備上的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，結(jié)合 （2）中的文件系統(tǒng)管理接口，系統(tǒng)實現(xiàn)了基于Nginx代理服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸通道。

2 各子模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)基于智能路由器平臺hiwifi os和hiwifi cloud搭建，其最重要的特點之一就是具有統(tǒng)一接入的云平臺，路由器通過一條穩(wěn)定且加密的SSL長連接同云平臺保持連接，通過該雙向消息通道，實現(xiàn)路由器與cloud 平臺的互聯(lián)互通。

云消息通道工作模式如圖2所示。路由器啟動之后會運行cloud－client守護(hù)進(jìn)程，cloud－client先向服務(wù)器發(fā)起TLS （transport layer security）加密連接，連接通過之后與云服務(wù)器之間進(jìn)行信息同步，并通過心跳包同服務(wù)器保持連接，并報告自身ID 等基本情況。遠(yuǎn)程調(diào)用指令會首先緩存在云服務(wù)器的消息隊列中，云服務(wù)器通過客戶端ID 取出消息隊列中的消息發(fā)送給對應(yīng)的終端，終端收到消息之后調(diào)用信息處理程序進(jìn)行處理并返回處理結(jié)果。

圖2 智能路由器云平臺消息系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 API接口框架設(shè)計與實現(xiàn)

API框架系統(tǒng)在圖2所述加密消息通道的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。路由器端API入口作為一個消息接收者同cloud－client對接，服務(wù)器端則作為一個業(yè)務(wù)系統(tǒng)同cloud－server通信。為簡化接口調(diào)用模型，服務(wù)器端采用同步調(diào)用接口同服務(wù)器進(jìn)行通信。

API框架基于HTTP協(xié)議，通過域名openapi.hiwifi.com提供一組API用于對路由器的綁定、解綁、授權(quán)、查詢路由器的工作狀態(tài)，以及直接調(diào)用路由接口。

為防止接口被惡意調(diào)用造成安全隱患，框架實現(xiàn)了安全認(rèn)證機制。調(diào)用者需要在平臺上申請簽名參數(shù)app＿key和app＿secret。調(diào)用時需要app＿key和app＿secret來對請求簽名。app＿key作為一個明文參數(shù)，對應(yīng)唯一的app＿secret，發(fā)起請求時使用app＿secret對數(shù)據(jù)進(jìn)行運算并得出密文，服務(wù)器端使用同樣的方式對密文進(jìn)行校驗。

該框架同時支持服務(wù)器和客戶端調(diào)用。因服務(wù)器相對固定，可直接通過openapi.hiwifi.com 調(diào)用相關(guān)接口。而客戶端往往有多個，并且可能有變化，故客戶端需要先通過openapi.hiwifi.com 和特定路由器綁定，成功以后openapi.hiwifi.com 返回一個客戶端密匙client＿secret?？蛻舳送ㄟ^請求域名client.openapi.hiwifi.com 來調(diào)用被綁定路由器中的接口，此調(diào)用需要用client＿secret簽名。

路由器的局域網(wǎng)內(nèi)，client.openapi.hiwifi.com 這個域名會被攔截到路由器本身，因此客戶端只要訪問client.openapi.hiwifi.com就可以直接訪問到路由器而不經(jīng)過外網(wǎng)，這樣可以提高接口調(diào)用速度，接口調(diào)用路徑如圖3所示。

2.1.1 API數(shù)據(jù)交互格式設(shè)計

API框架接口調(diào)用格式如下：

圖3 openapi調(diào)用路徑

https：／／openapi.hiwifi.com／｛action｝？sign＝ ｛sign｝

使用POST 方式提交json 格式的請求數(shù)據(jù)，HTTP header中的Content－Type需要設(shè)為application／json，action包含bind （綁定）、unbind （解除綁定）、call（調(diào)用api）、status（獲取狀態(tài)）。

加密認(rèn)證通過對POST 的數(shù)據(jù)算出一個校驗碼sign并作為一個參數(shù)，算法如下：

如上文所述，app＿id是每個外部調(diào)用者的編號，app＿secret是每個外部調(diào)用者的密匙。

為方便接口的管理和數(shù)據(jù)交互，框架設(shè)計了一個統(tǒng)一的輸入輸出數(shù)據(jù)格式。其中輸入?yún)?shù)格式如下：

2.1.2API命名空間設(shè)計

路由器對外提供的API方法由嵌入式動態(tài)語言lua編寫。為了更合理的分配和管理接口，方法以namespace命名空間來組織， 各級空間以點號分割， 如system.os.restart。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

接口通過lua的module模塊來進(jìn)行組織，相關(guān)的接口封裝在同一個module中，比如上述restart接口屬于opena－pi.system.os這個module。

圖4 API namespace結(jié)構(gòu)設(shè)計

接口的調(diào)用通過在lua語言中模擬反射機制來實現(xiàn)。反射機制是指程序可以訪問、檢測和修改它本身狀態(tài)或行為的一種能力［7］。API接口名為調(diào)用參數(shù)之一，通過字符串的方式輸入，框架動態(tài)載入相關(guān)程序模塊，調(diào)用對應(yīng)的函數(shù)獲得結(jié)果并返回給調(diào)用者。

2.2 存儲設(shè)備抽象層設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 自動化存儲管理子系統(tǒng)

普通家用路由器并無數(shù)據(jù)存儲能力，智能路由器為嵌入式系統(tǒng)，通過擴展USB 口、SD 卡槽或SATA 硬盤接口支持?jǐn)U展存儲設(shè)備。不像PC 系統(tǒng)有穩(wěn)定的硬盤等存儲設(shè)備，路由器擴展存儲設(shè)備可能經(jīng)常被使用者拔插，且分區(qū)、文件系統(tǒng)等各異，所以對存儲設(shè)備的使用需要特殊處理。本系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了一個存儲設(shè)備管理守護(hù)進(jìn)程storaged，該模塊在系統(tǒng)后臺運行，對存儲設(shè)備進(jìn)行管理。storaged進(jìn)程維護(hù)一個存儲設(shè)備鏈表，每個節(jié)點代表一個設(shè)備，每個設(shè)備節(jié)點包含設(shè)備詳細(xì)信息以及設(shè)備所處的不同狀態(tài)。

系統(tǒng)利用Linux udev［8］體系和openwrt hotplug熱插拔機制對存儲設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)存儲設(shè)備接入或者移除系統(tǒng)時，驅(qū)動程序初始化并觸發(fā)內(nèi)核的hotplug事件，內(nèi)核通過netlink socket與用戶態(tài)hotplugd 程序進(jìn)行通信，storaged會在hotplugd設(shè)置回調(diào)鉤子程序，每當(dāng)有塊設(shè)備事件發(fā)生就會通知storaged，storaged收到消息開始自動對設(shè)備進(jìn)行管理，根據(jù)圖5所述狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖對設(shè)備進(jìn)行各種操作，最終到穩(wěn)定狀態(tài)mountd時會將設(shè)備統(tǒng)一掛載到文件系統(tǒng)的目錄／tmp／storage下，并新建一些基本目錄和文件。這些操作執(zhí)行過程中也會更新設(shè)備鏈表中的狀態(tài)信息。storaged會定期對設(shè)備進(jìn)行掃描以保持和系統(tǒng)狀態(tài)一致。

storaged同時對外提供基于unixsocket的設(shè)備信息的查詢和操作接口。數(shù)據(jù)以json 格式輸出，方便解析和處理。用戶可以通過storaged對存儲設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行查詢，也可以對storaged下發(fā)指令完成對存儲設(shè)備的卸載、彈出、格式化等操作，避免直接操作存儲設(shè)備造成的不可預(yù)知的后果。

2.2.2 存儲管理接口體系

圖5 storaged中存儲設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移

對存儲設(shè)備的文件系統(tǒng)進(jìn)行操作一般只能在系統(tǒng)本地，為了能夠遠(yuǎn)程操作數(shù)據(jù)，按照CDMI（cloud data management interface）的規(guī)范［9］，利用構(gòu)建的API體系在存儲設(shè)備文件系統(tǒng)上層封裝了一層文件系統(tǒng)API接口層，其接口屬于openapi.system.fs 命名空間，包括list、rm、link、dirname、stat、 move、rename、 mkdir、touch、access、chmod、chown等所有常用文件系統(tǒng)操作接口。提供了文件系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理能力，所有數(shù)據(jù)的交互通過openapi的json格式進(jìn)行，基于HTTP協(xié)議。

2.3 離線下載模塊設(shè)計和實現(xiàn)

為充分利用路由器的網(wǎng)絡(luò)接入能力和數(shù)據(jù)存儲能力，系統(tǒng)在智能路由器中內(nèi)置了P2SP下載器并對其進(jìn)行封裝，設(shè)計了一套文件遠(yuǎn)程推送API框架，可以實現(xiàn)下載任務(wù)的新建，查看，暫停，刪除等功能。離線下載體系結(jié)構(gòu)如圖6所示，整個體系分為3個抽象層次，對外接口層提供完整和通用的API給調(diào)用者，見表1。中間的下載器和數(shù)據(jù)庫抽象層負(fù)責(zé)處理不同下載器的接口調(diào)用、數(shù)據(jù)封裝和相關(guān)的任務(wù)數(shù)據(jù)存儲和查詢，下載器封裝接口針對不同下載器提供的RPC接口同下載器進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的交互。目前該系統(tǒng)可支持HTTP／HTTPS／FTP／BitTorrent及Metalink磁力鏈等不同類型的資源的下載。

圖6 下載器體系結(jié)構(gòu)

2.4 本地數(shù)據(jù)傳輸模塊

為提供對保存于路由器存儲設(shè)備上的文件的訪問和管理能力 （比如視頻不放、文檔瀏覽等），本系統(tǒng)通過Nginx建立本地文件服務(wù)器，提供基于HTTP 的文件訪問服務(wù)［10］，數(shù)據(jù)訪問流程如圖7所示，當(dāng)終端設(shè)備同路由器直接連通時，可通過局域網(wǎng)直接讀取存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)和文件。調(diào)用者通過查詢數(shù)據(jù)庫，獲得真實存儲路徑中的存儲接口查詢和瀏覽存儲設(shè)備上的文件等資源信息，每個資源的數(shù)據(jù)中包含一個文件訪問路徑access＿path和文件名file，然后客戶端向http：／／dl.hiwifi.com／＄access＿path／＄file發(fā)起GET 請求，Nginx收到請求之后，通過內(nèi)嵌的Nginx lua取出url中的參數(shù)，通過這些參數(shù)信息到文件Metadata數(shù)據(jù)庫中查詢資源的真實存儲路徑，然后通過內(nèi)部跳轉(zhuǎn)，直接從路由器的存儲設(shè)備上取出數(shù)據(jù)并返回給客戶端。客戶端通過這種方式，可以以局域網(wǎng)的速度直接打開路由器中的視頻、音頻、文檔等各種類型的文件，而不必下載到本地。且不同客戶端可同時讀取，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享訪問。

表1 離線下載相關(guān)接口

圖7 Nginx 文件服務(wù)器架構(gòu)

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及性能測試

該系統(tǒng)目前已開始為hiwifi手機客戶端提供服務(wù)，客戶端可以通過網(wǎng)絡(luò)隨時隨地查看和獲取信息，對自己所屬路由器的存儲設(shè)備進(jìn)行管理，以及直接通過網(wǎng)絡(luò)讀取路由器中的數(shù)據(jù)文件。

3.1 API調(diào)用速度分析及測試

該遠(yuǎn)程調(diào)用體系基于HTTP 協(xié)議，需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如式 （1）所示，接口調(diào)用平均時長T 為傳輸數(shù)據(jù)量d 除以平均網(wǎng)絡(luò)傳輸速率v

手機客戶端接口調(diào)用有兩條數(shù)據(jù)通道：

（1）局域網(wǎng)：客戶端－－＞路由器；

（2）公網(wǎng)：客戶端－－＞openapi服務(wù)器－－＞cloud服務(wù)器－－＞路由器。

第一種情況，當(dāng)客戶端在局域網(wǎng)內(nèi)直接連接路由器時，接口調(diào)用總時長

式中：Ttr——內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸時間，路由器內(nèi)網(wǎng)速率為300 Mbps，假設(shè)平均每個接口調(diào)用傳輸數(shù)據(jù)量為200Byte，那么內(nèi)網(wǎng)調(diào)用平均時長為5.33ms。API自身執(zhí)行時間Ta取決于API的實現(xiàn)及其業(yè)務(wù)邏輯。表2所示為內(nèi)網(wǎng)接口調(diào)用測試結(jié)果，平均每個接口調(diào)用10次，從結(jié)果可見內(nèi)網(wǎng)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)傳輸速度較短，調(diào)用時長主要受API自身實現(xiàn)所影響，但整體速度較快。

表2 內(nèi)網(wǎng)API調(diào)用時長／ms

第二種情況，客戶端不在路由器局域網(wǎng)，接口調(diào)用總時間

式中：Tto——終端設(shè)備到openapi平臺來回時間，Toc——openapi到cloud－server 服務(wù)器來回時間，Tcr——cloudserver到路由器cloud－client的來回時間，這種情況下數(shù)據(jù)傳輸路徑遠(yuǎn)比第一種復(fù)雜，易受到網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的因素影響。其中手機客戶端易受當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)連接狀況影響，最不可控，其它幾個環(huán)節(jié)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境相對穩(wěn)定，可以通過優(yōu)化盡量保證。在線上服務(wù)器抓取用戶訪問記錄得到結(jié)果見表3，可見API平均調(diào)用時間在秒級，足以滿足遠(yuǎn)程調(diào)用需求。

表3 外網(wǎng)API調(diào)用時長

3.2 磁盤管理和文件訪問接口測試

測試設(shè)備上包含一個SD 卡槽和USB 接口，在卡槽中插入一張帶有一個獨立分區(qū)的SD 卡，通過一個USB hub接入兩個U 盤。如圖8所示，客戶端通過調(diào)用磁盤列表接口system.storage.list可正確獲取并返回存儲設(shè)備詳細(xì)信息，通過調(diào)用system.storage.list＿file接口獲取存儲設(shè)備中所存儲的文件夾與文件等數(shù)據(jù)信息。通過接口也可正常完成存儲設(shè)備格式化、彈出、文件的瀏覽、重命名、刪除等功能。

圖8 磁盤和文件管理接口測試

3.3 離線下載接口測試

通過手機客戶端遠(yuǎn)程下發(fā)下載任務(wù)，路由器端接收到任務(wù)之后，下發(fā)到下載器中執(zhí)行，客戶端可以通過接口實時查詢下載任務(wù)的狀態(tài)。如圖9所示，系統(tǒng)可以正確實現(xiàn)下載任務(wù)的添加、暫停等功能，獲取任務(wù)下載的狀態(tài)，下載完成之后可以通過手機客戶端直接查看相關(guān)文件。

圖9 離線下載管理接口測試

3.4 文件數(shù)據(jù)傳輸測試

通過手機調(diào)用接口直接讀取設(shè)備中的數(shù)據(jù)，并直接播放視頻、音頻、瀏覽文檔，同時也可將文件批量轉(zhuǎn)存到本地保存。內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度受限于內(nèi)網(wǎng)帶寬、路由器CPU處理能力和存儲設(shè)備IO 速度，針對不同大小的文件，每個文件下載10 次，統(tǒng)計文件傳輸?shù)钠骄俾剩玫揭韵陆Y(jié)論。

數(shù)據(jù)下載速度測試見表4。

表4 數(shù)據(jù)下載速度測試

從上述測試結(jié)果可見，客戶端本地通過HTTP 協(xié)議直接讀取路由器存儲設(shè)備中的文件平均速度能達(dá)到4.2 MB／s左右，足以滿足查看文檔，播放音樂和普通視頻的需求。

4 結(jié)束語

本文提出并實現(xiàn)了一種基于智能路由器的遠(yuǎn)程存儲管理系統(tǒng)，利用智能路由器提供的路由器到云端的加密消息通道構(gòu)建了一套基于HTTP協(xié)議的API框架。在此框架的基礎(chǔ)上，分別提供了存儲設(shè)備和文件管理、遠(yuǎn)程下載管理及數(shù)據(jù)訪問的相關(guān)接口。

該系統(tǒng)和手機app結(jié)合實現(xiàn)了對路由器存儲設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和數(shù)據(jù)的訪問功能，可以使路由器成為智能家居的數(shù)據(jù)中心，方便個人數(shù)據(jù)備份，家庭成員之間共享照片、視頻等文件，并可以充分利用網(wǎng)絡(luò)和存儲資源進(jìn)行離線下載。

該API框架實現(xiàn)了一種標(biāo)準(zhǔn)的路由器遠(yuǎn)程調(diào)用方式，具備很強的可擴展性，可方便的對各種接入設(shè)備提供遠(yuǎn)程管理接口，為智能路由器作為智能家居中心的地位打下了基礎(chǔ)。

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