通用即插即用(UPnP)和住宅网关:推动嵌入式互联网发展

2002年07月28日

互联网接入设备已成为家庭上网的主要组成之一,它从简单的调制解调器发展到多业务功能的RGet="_blank">住宅网关,增强了简单、始终在线互联网接入的功能。此外,现在和将来的创新将使住宅网关在家庭联网中扮演更重要的角色,充当所有家庭联网设备和电器的枢纽,以便实现各种互联网服务和应用。本文将介绍和详细说明通用即插即用(UPnP)的结构和组成。作为一种嵌入式互操作方式,UPnP有助于增强联网设备和住宅网关之间的通信能力。我们还将介绍住宅网关内部的各种组成部分,以便于在家庭内部直接实现联网设备的各种应用。

随着高速上网的日益普及,以及计算功能从桌面转向更小、更普通的设备和电器,互联网的节点数也与日俱增。智能和联网设备的出现引发了更多新式应用和服务,它们在简化我们的生活,让我们享受到更高生活质量的同时,也带来了各种混乱和麻烦。为解决这些问题,每一个联网设备都应易于使用,尽量减少,甚至无需用户配置操作。

我们期望得到什么样的高级服务呢？首先,必须简单易用。比如,通过家庭网关或PC的自动检测,音频流便可直接从网上音乐库传送到家庭音响设备；由家庭安全服务提供商通过互联网远程监控家庭相机和动画传感器；通过办公室PC的浏览器从一个TV列表网站上设置家中的VCR或摄像记录设备。你也许以为只有科幻电影中才有这些场景,但从技术上来说,现在就可实现这些功能。通过简单的操作来改善人们的日常生活,并引发由互联网这个大社区创造的各种新兴增值服务,将赋予连线或联网家庭以新的含义。

一个尚未完全开发和商业化的领域就是家庭内部互联网相关服务和联网设备的应用。家庭高速上网已迅速流行,并已奠定良好的基础,但是,目前还没有消费电子厂商能够充分利用已经铺设到家庭的宽带互联网管线的潜在优势。将家庭网络延伸到PC以外的领域将为消费电子厂商和互联网业务带来巨大的新服务商机,不但可提高消费者的生活水平,而且有可能重新定义现今混乱的互联网商业模式。

要想使这一切成为现实,消费电子、PC和计算机外设,以及家庭保安系统等各种电子产品制造厂商必须采用统一的嵌入式设备互操作标准。PC操作系统和家庭联网设备除包括良好的安全特性外,还必须具有这些互操作能力。在整个服务提供链内,互联网相关服务提供商、电信运营商和宽带接入提供商都必须采用和兼容专为这些新兴服务和联网设备而设计的、新的记费、服务提供、定价和网络管理方法。

因此,在家庭内部必须有一个联网单元来可靠地控制所有内部联网设备,并将他们安全地链接到互联网,以便于新式服务和应用的实施。因为它担负着隔离内部和外部网络结构的重任,所以其性能、可靠性和安全是关键性要求。家庭网络的这一重要组成单元就是住宅网关(RG)。

家庭网络的未来

通过线缆和电话线实现的高速互联网接入的兴起和快速增长为消费者提供了更宽的联网管线,从而使得新兴高带宽服务的提供成为可能,如按使用付费的多媒体服务、多用户游戏和家庭PC间的互联网接入共享,并最终将内容和服务直接传送至家庭内的联网设备。

网络连接设备到底可支持何种类型的服务？没人知晓将来会怎样。然而,事实一再证明,新兴市场的领导者是那些能够利用现有技术来满足消费者即时需要的商家。

联网设备和互操作协议能够支持的服务实例包括:

* 保安和物业安全

* 能源管理和家庭自动化

* 多用户游戏

* 集成的语音和数据

* 保健监测

下一步就是增值ASP(应用服务提供商)型的服务如何直接传送给家庭网络中的设备。从创新的互联网技术的快速散布和采纳的历史记录不难看出,独立的软件供应商、程序开发者和网站设计者将会快速开发采用统一设备互操作和新兴家庭网络标准的应用和网上内容。

住宅网关的作用

住宅网关(RG)是整个服务传送链的核心,它介于内部联网设备和外部服务层之间,在家庭网络中起着不可替代的作用。

嵌入式设备制造商发现,将互操作协议与由用户或服务提供商制定的服务功能和策略数据库融合,是下一代RG的主要组成部分。除互联网连接之外,它还将为消费者带来更多其它功能。消费者将体验到简便及自动化的网关设置,以及增值服务直接提供给自动检测到的设备的乐趣。

RG不但能与UPnP、JINI和HAVi等新式互操作方式相互通信,而且可与各种现有产品集成在一起,包括数字和模拟消费电子产品、机顶盒等。因此,它还必须拥有可充当新型联网设备和传统音/视频及计算设备之桥梁的能力。

此外,RG还是内部设备和外部服务之间的中介,位于家庭网络和运营网络之间,可以访问由ASP提供的互联网服务。如果用户想通过某个联网设备访问互联网上的应用,他应能够通过RG来创建一个通道实现该设备和互联网服务之间的IP连接。为了做到这一步,家庭内的设备必须具备可检测性,因此应该分配给每个设备一个内部IP地址。此外,要实现不用用户干预及可相互通信,还必须有一种方法来自动路由正确的数据流量,以便通过RG直接传送给所期望的设备。

一种可能的方案是,RG应保持一个所有可用内部设备及其IP地址的动态表,并拥有可将适当的互联网信息传送给请求设备的功能。然而,要想无需用户配置即可做到这一点,RG必须能够自动发现家庭联网设备、存储它们的特性及响应的功能,以及它们的内部网络地址。

另外,用户请求的某些服务可能需要安全的IP通道。例如,将来自家庭摄像头的视频流传送到远端一个安全设备的家庭安全服务,就需要一个安全的专用IP连接通道。因此,RG还必须拥有动态设置虚拟专网的能力。

嵌入式网络和互操作性

家庭中就有许多可简化和改善生活的电子设备和电器,为这些设备增加网络连接功能对很多人来说有点多余,很多情况下简直是荒谬。谁会需要一个带有联网功能的烤面包机呢？而另一方面,也有许多现在即可获得的应用可大大简化和改善我们的生活,比如将一个新的音频单元连接到家庭音响系统并通过电脑对其进行配置、预置音乐频道、改变VCR上的日期和时间、设定TV频道名,或从网站直接播放音乐到家庭立体声系统等。

要让这一切梦想成真,就必须首先解决两大技术难题,而且业界必须制定统一的标准,设备制造商、软件供应商和服务提供商都必须采纳这些标准。第一个难题是设备内部TCP/IP接口的集成,无论通过无线、电话线,还是有线以太网媒质,以便传输通用的互联网和网络协议。第二个挑战是将互操作标准嵌入到联网设备内部、PC操作系统,以及用于实现检测、通信和不同联网设备间数据交换的应用。

为解决这些问题,业界已开发出许多技术。在无线数据传输和连接方面有蓝牙和802.11,而HomePNA可在现有的家庭电话线上传输数据。一些公司也在开发通过家庭电力线传输数据的技术。但是,至今尚未有一个成为业界公认的标准,尽管HomePNA和无线已明显占据主导优势。除嵌入式TCP/IP堆栈外,许多设备制造商还想在其设备或电器上添加一个或多个网络接口。

至于设备互操作标准,业界主导厂商已发明一种方法,现正齐心协力对其进一步完善。这一设备互操作和通信方法就是通用即插即用(UPnP)结构,它定义了设备相互通信的方式,具有简单、无缝且可伸缩的设备互操作性。

UPnP现已得到广泛的业界支持,原因如下:与网络和互联网标准兼容；嵌入式系统存储器和资源要求最小。包括微软在内的300多家业界处于领先地位的厂商都大力支持UPnP,这些厂商来自消费电子、家电、家庭安全和计算机网络等领域。事实上,微软就是UPnP论坛的发起成员之一。

UPnP这种可检测和控制网络设备的结构与操作系统、编程语言和物理网络连接无关。它是基于TCP/IP、HTTP和XML等通用互联网标准和规范。

广泛的业界支持

UPnP论坛创立于1999年6月,其目的是推广UPnP的应用,并通过合作为设备分类设计XML方案模版。

该论坛由微软创立,现有拥有300多个公司成员,其中包括:

=========================

* 佳能公司

* 思科系统

* 康柏电脑公司

* D-Link系统公司* 爱立信移动通信公司

* 惠普公司

* 霍尼维尔公司

* IBM公司

* 英特尔公司

* 菲利浦电子公司

* 西门子公司

* 索尼公司

* 汤姆逊多媒体集团

* Virata公司

============================

通用即插即用(UPnP)是一种针对各种PC、智能设备和无线装置的端对端网络连接结构。除了在家庭、办公室及其它任何地方的联网设备之间进行数据传输和控制外,这种分布式、开放网络结构还可通过TCP/IP和互联网来实现无缝的网络连接(摘自)。

微软Windows Me (千年版)是第一个实现和支持UPnP网络标准的操作系统。UPnP定义了一系列通用技术标准,UPnP论坛成员公司可利用这些标准来开发可快速且简便地添加进家庭网络的新产品。

在Windows Me操作系统中,UPnP支持提供了如下功能:

=================================

*连接和断开网络上的任何UPnP设备,如扫描仪、打印机和摄像机等,而无须配置或重新启动计算机。

*充分利用网络资源的自动探测和识别优势,简化了计算机、家用电器及其它网络设备的互连。

* 随时向家庭网络添加新的智能电器、附件和计算机,而无须替换家庭内已有的技术。

========================

UPnP规范说明

UPnP包括一系列由UPnP论坛制定和发起的标准和相关推广项目。UPnP结构可用两个角色来说明:控制设备(CD)和控制点(CP)。任何设备都可担当一个或两个角色。

UPnP控制设备(CD)功能

UPnP CD结构定义了一系列可支持联网设备通信的操作。一个UPnP CD一旦连接到网络,就通过网络发送消息以表明它可以为客户端提供服务。网络上的其它设备是CP,充当控制器以接收有关设备可用性的消息,或通过网络发送查询以定位UPnP设备。一旦CP查到一个设备(无论通过接收消息,还是通过其自己的查询),它就可获得该设备及其服务的具体描述。CP也可搜寻代表该设备的网页。然后,CP就可利用这些描述和网页(如果有的话)向该设备发送必要的动作以调用它。CD对消息做出反应,执行动作及发送消息给CP,以提供有关设备状态的信息。

CD和CP都参与一系列UPnP网络操作,包括:

==================

* 寻址

* 发现

* 描述

* 控制

* 事件

* 陈述

=================

图1是这些UPnP网络操作期间CP和CD之间的通信示意图。尽管图中所示的只是一个CP与一个CD间的通信,其结构同样适用于包含多个CP和CD的环境。

寻址(1)

在寻址期间,CD获得网络地址。配置联网设备的第一个问题就是确定一个设备的地址不会与网络中任何其它设备的地址冲突。在传统的(非UPnP)IP网络中,可通过手工为每个设备直接分配一个地址(采用一些非网络机制),或利用动态主机配置协议(DHCP)来解决这一问题。DHCP要求服务器倾听新的系统地址请求,并在一个固定的时间内分配给它们使用(此后设备还可请求延长使用所分配的地址)。这并不是真正的自配置,因为某些系统必须是确定的地址源,而且某些必须经过配置,它才能知道哪些地址是可用的。

UPnP特别强调,如果DHCP可用的话,CD应尽量使用DHCP(出于控制网络的兼容性考虑)。对于完全非控制网络,UPnP指定了一种称为AutoIP的算法。每个CD都可利用该算法在本地网络上选择一个地址,并测试该地址是否已被使用。如果必要的话,可以重试,直到找到一个可用的地址为止。

发现(2a, 2b)

CD和CP都可起动发现功能。CD可发送一则广告以表明其在网络上的可用性,CP也可执行搜索操作以找到网络上的CD。

一旦CD有了自己的网络地址,它就可与其它CD和CP相互通信。然而,每个设备(无论CP还是CD)还必须自己发现网络上欲与之通信的其它设备是什么(以及哪个是自己“感兴趣的”)。例如,一个照相机可能想知道哪些设备可以显示图象,但不必知道可以播放音乐的设备。

UPnP结构描述了CD可将一些行为(例如打开和关闭、播放音乐和探测入侵者等)表示为服务的特征。一个CD可能包含许多不同的服务(设备也可以无服务,但这样的设备就没什么意义了)。

CD及其服务被CP认知所用的协议称为简单服务发现协议(SSDP)。SSDP提供了两种发现机制:CD可通过多点广播发布其服务,CP可通过多点广播搜索服务请求(也有一个CD搜索请求)。SSDP详见下面。

描述(3)

在描述期间,一个控制点可获得有关CD及其服务的信息。

为了提供有关CD及其服务的具体信息,每个CD都必须能通过对设备描述文件(DDD)的HTTP GET请求做出响应,来提供一个自我描述。DDD是一种XML文档,可正式识别和描述CD及其服务。CP可通过发现流程得到用于请求该描述的URL,DDD或其涉及的服务可提供CP所了解的有关CD的一切信息。

DDD方案在UPnP结构中有详细说明。UPnP论坛也参与了创建标准服务模版的工作。为了参与UPnP标识宣传活动,特定类型的设备必须支持这些模版。

控制(4)

在控制期间,CP向CD发送执行动作的请求,而且CP可调查CD以获得状态信息。

一些早期CD可实现以上所述的部分---自动寻址、发现和DDD。例如,这样可让用户方便地在其家庭网络中添加新的UPnP CD。当一个CD连接到网络上后,代表该CD的一个图标就自动出现在Windows Me系统上“我的网络位置”文件夹。如果该CD有自己的Web GUI(CD内部需有嵌入式网络Web服务器),打开该图标就可登录。到目前为止,UPnP事件中的演示主要由这种类型的功能组成。虽然这已足够,即它在用户和CD之间提供了简便和直接的交互操作,但它并没有在CD和应用之间提供交互(编写一个可使用另一个程序的HTML界面的程序特别困难)。

DDD涉及CD所提供的每个服务的正式描述文档,称为服务描述文档(SDD)。SSD(也采用XML)定义了可提供有关服务当前状态信息的变量,以及CD可以请求的动作。状态变量和动作合起来构成服务的界面。CP可利用简单目标访问协议(SOAP)来调用服务的动作和/或查询状态变量。

Windows Me中的一个组件和潜在的其它CP实现可根据设备的DDD来自动创建程序化界面。此外,标准类型的CD与UPnP论坛的服务定义是一样的,这意味着软件作者可快速创建与CD交互的程序。有些将是单独的程序,而其它程序则可能是脚本,可作为CD的Web界面的一部分。

事件(5a, 5b)

事件可为CD提供向CP发送状态信息的机制。一个CP订阅事件,CD则通过向该CP发送通告(事件消息)来支持订阅。

UPnP结构允许任意数目的CP与同一个CD交互。这是可能的,因为CD的服务状态只正式存储在CD内。多个CP与同一CD联系意味着每一个CP都必须被告知CD内的状态变化。例如,一个控制加热和空气调节的程序必须显示当前的温度调节设置,即便温度调节已被其它CP或手工改变了。

为了让所有感兴趣的CP维持几乎一致的服务状态图,SDD须声明,当状态变量值改变时,其状态变量将生成事件通知。CP可利用通用事件通告结构(GENA)协议来订阅某一CD上特定服务的事件。

陈述(6)

如果CD有网页界面,CP就可获得网页陈述,以显示在CP上。

DDD的一个可选部分是陈述URL。如果有,它就为CP提供一个URL,指向直接由设备提供的网页用户界面,并由CD的嵌入式HTTP服务器提供服务。虽然这是可选的,但由于缺乏真正通用的UPnP CP实现,意味着几乎所有的UPnP设备都应实现某些web界面,以确保用户可与其联系。

本文小结

新标准和新技术的出现,以及新式在线服务的诞生将驱动着互联网世界不断变革,这必将为消费者带来极大的便利,同时也将为服务提供商和消费电子制造商们提供新的商机。

随着设备间互操作标准的出台,可访问这些设备的网上增值服务也将层出不穷。其中,住宅网关将在整个服务传送链中扮演重要的角色。为便于新式应用的传送,以及与现有和新型设备和电器的通信,住宅网关必须拥有一系列新的功能和特性。