CN104333496A

CN104333496A - 一种智能家居服务器和智能家居系统

Info

Publication number: CN104333496A
Application number: CN201410503643.8A
Authority: CN
Inventors: 李彬
Original assignee: GUANGZHOU GUANGLIAN DIGITAL HOME INDUSTRY TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE; GUANGDONG GUANGLIAN ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: GUANGZHOU GUANGLIAN DIGITAL HOME INDUSTRY TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE; GUANGDONG GUANGLIAN ELECTRONIC CO Ltd
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2015-02-04

Abstract

本发明提供一种智能家居服务器和智能家居系统，智能家居服务器包括XMPP服务器和STUN服务器，XMPP服务器与客户端和物联网网关通过XMPP协议来实现通信功能；STUN服务器与客户端和物联网网关通过ACE协议来实现P2P通道建立功能，因此，本发明中的智能家居服务器可以为P2P通信提供支持，保证了信息的快速准确传递，并且由于XMPP协议的自定义消息类型可扩展的特性，可以提供自定义的XMPP服务。智能家居系统包括如前所述的智能家居服务器、客户端和物联网网关。

Description

一种智能家居服务器和智能家居系统

技术领域

本发明涉及智能家居领域，具体涉及一种智能家居服务器和智能家居系统。

背景技术

智能家居是物联网很重要的应用组成部分，智能家居系统中的物联网网关与系统中的各类传感器以及客户端通信连接，可以实现家庭的防盗、防劫、防水火、紧急救援等多项信息的感知和信息的实施处置，将技防、物防和人防有机地结合在一起，达到平安家庭的目标，提升了百姓生活的家庭幸福感受。

目前，可以采用中央代理或者重定向服务来实现客户端和物联网网关的通信，但是这些方法容易出现信息的丢失、出错，并且信息的传递速度慢。

发明内容

本发明实施例提供一种智能家居服务器，包括XMPP服务器和STUN服务器，所述XMPP服务器与客户端和物联网网关通过XMPP协议来实现相互通信，所述STUN服务器与所述客户端和所述物联网网关通过ACE协议在所述客户端和所述物联网网关之间建立P2P通道。

本发明实施例还提供一种智能家居系统，包括如前述的智能家居服务器、客户端和物联网网关。

在本发明中，智能家居服务器包括XMPP服务器和STUN服务器，XMPP服务器与客户端和物联网网关通过XMPP协议来实现通信功能；STUN服务器与客户端和物联网网关通过ACE协议来实现P2P通道建立功能，因此，本发明中的智能家居服务器可以为P2P通信提供支持，保证了信息的快速准确传递，并且由于XMPP协议的自定义消息类型可扩展的特性，可以提供自定义的XMPP服务。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种智能家居服务器的结构示意图；

图2为本发明实施例中的TLS握手的流程示意图；

图3为本发明实施例中的SASL握手的流程示意图；

图4为本发明实施例中的一种智能家居服务器的STUN服务器和客户端的通信流程示意图；

图5为本发明实施例中的一种智能家居系统的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例中的智能家居服务器101包括XMPP服务器1011和STUN服务器1012，XMPP服务器1011与客户端和物联网网关通过XMPP协议来实现相互通信，STUN服务器1012与客户端和物联网网关通过ACE协议在客户端和物联网网关之间建立P2P通道。

可扩展消息与出席协议(XMPP，Extensible Messaging and PressenceProtocol)是一种基于可扩展标记语言XML的开放式协议，客户端通过TCP连接直接连到XMPP服务器1011，并通过XMPP协议获得由XMPP服务器1011所提供的全部功能，多个不同资源(比如不同的设备和地点)的客户端可以同时登陆并且并发的连接到XMPP服务器1011上。

在智能家居系统中，物联网网关可以和智能家居系统中的各类传感器以及客户端通信连接，除此之外，在本实施例中，物联网网关还通过XMPP协议和XMPP服务器1011通信，物联网网关可以把XMPP翻译成外部(非XMPP)消息系统，并把返回的消息翻译成XMPP。

由于XMPP协议的自定义消息类型可扩展的特性，XMPP可以创建自定义的扩展，来处理特定的业务逻辑，例如可以通过在IQ(Info/Query)里面定义属性或者自定XSD(XML Schemas Definition)等方式来创建自定义的扩展，从而提供自定义的XMPP服务。

简单的用UDP穿透NAT(STUN，Simple Traversal of UDP Through NATs)是个轻量级的协议，STUN服务器1012可以用于终端设备检查由NAT分配给终端的IP地址和端口号，也用于检查两个终端之间的连接性。STUN服务器1012与客户端和物联网网关通过ACE协议在客户端和物联网网关之间建立P2P通道。

在本发明实施例中，智能家居服务器包括XMPP服务器和STUN服务器，XMPP服务器与客户端和物联网网关通过XMPP协议来实现通信功能；STUN服务器与客户端和物联网网关通过ACE协议来实现P2P通道建立功能，因此，本发明中的智能家居服务器可以为P2P通信提供支持，保证了信息的快速准确传递，并且由于XMPP协议的自定义消息类型可扩展的特性，可以提供自定义的XMPP服务。

尽管XMPP没有指定任何特定的网络结构，但它通常是采用客户-服务器架构进行实现，其中客户端通过TCP方式使用XMPP访问XMPP服务器。XMPP协议中的层的次序必须(MUST)如下堆积:1)TCP；2)TLS；3)SASL；4)XMPP。

一个XML流相当于一个会话期间所有XML节的一个信封，客户端或XMPP服务器发送的所有XML文本连缀在一起，从<stream>到</stream>构成了一个完整的XML文档，其中的stream标签就是XML Stream。在<stream>与</stream>中间的那些<message></message>这样的XML元素就是XML节(XML Stanza)。XMPP协议的核心协议通信的基本模式就是先建立一个流(stream)，通过TCP/IP连接到XMPP服务器，然后XMPP服务器和客户端协商TLS和SASL进行身份验证和安全协商，通信过程就是在网络上分片断发送XML Stanza，一个接一个。XMPP服务器根据客户端发送的信息以及程序的逻辑，发送XML Stanza给客户端。通信的最后阶段是</stream>关闭流，关闭TCP/IP连接。

下面将详细阐述XMPP服务器和客户端协商TLS和SASL进行身份验证和安全协商的流程，

参见图2，首先是TLS的使用，进行TLS握手。在本实施例中，TLS握手在SASL握手之前完成；这个顺序用于帮助保护SASL握手时发送的认证信息的安全，同时可以在必要的时候在TLS握手之前为SASL外部机制提供证书。

201、客户端初始化流给XMPP服务器；

<stream:stream xmlns＝'jabber:client'xmlns:stream＝'http://etherx.jabber.org/streams'to＝'example.com'version＝'1.0'>

202、XMPP服务器发送一个流标签给客户端作为应答；

<stream:stream xmlns＝'jabber:client'xmlns:stream＝'http://etherx.jabber.org/streams'id＝'c2s_123'from＝'example.com'version＝'1.0'>

203、XMPP服务器发送STARTTLS范围给客户端，STARTTLS范围包括验证机制和任何其他流特性；

204、客户端发送STARTTLS命令给XMPP服务器，以通知XMPP服务器，客户端需要开始一个TLS握手来保护流，XMPP服务器处理该STARTTLS命令，根据处理结果，XMPP服务器执行步骤205或者执行步骤206；

205、XMPP服务器通知客户端可以继续进行，执行步骤207以及步骤207的其他后继步骤；

206、XMPP服务器通知客户端TLS握手失败并关闭流和TCP连接：

</stream:stream>

207、在XMPP服务器通知客户端可以继续进行之后，客户端和XMPP服务器尝试通过已有的TCP连接完成TLS握手，根据TLS握手的结果，执行步骤208或者步骤209；

208、如果TLS握手成功，客户端初始化一个新的流给XMPP服务器：

209、如果TLS握手不成功，XMPP服务器关闭TCP连接；

210、在步骤208之后，即TLS握手成功，客户端初始化一个新的流给XMPP服务器之后，XMPP服务器发送一个流头信息应答客户端，其中包括任何可用的流特性：

客户端完成TLS握手之后，客户端继续SASL握手。

参见图3，SASL握手的步骤如下：

301、客户端初始化流给XMPP服务器:

302、XMPP服务器向客户端发送流标签作为应答:

<stream:stream xmlns＝'jabber:client'xmlns:stream＝'http://etherx.jabber.org/streams'id＝'c2s_234'from＝'example.com'version＝'1.0'>

303、XMPP服务器通知客户端可用的验证机制:

304、客户端选择一个验证机制:

305、XMPP服务器发送一个[BASE64]编码一的挑战给客户端:

<challenge xmlns＝'urn:ietf:params:xml:ns:xmpp-sasl'>cmVhbG09InNvbWVyZWFsbSIsbm9uY2U9Ik9BNk1HOXRFUUdtMmhoIixxb3A9ImF1dGgi

LGNoYXJzZXQ9dXRmLTgsYWxnb3JpdGhtPW1kNS1zZXNzCg＝＝

</challenge>

解码后的挑战信息是:

realm＝"somerealm"，nonce＝"OA6MG9tEQGm2hh"，\

qop＝"auth"，charset＝utf-8，algorithm＝md5-sess

可选的，在步骤304之后，可以不执行步骤305，而是选用另一种方式，具体如下：XMPP服务器返回一个错误给客户端:

306、客户端发送一个[BASE64]编码二的回应这个挑战:

dXNlcm5hbWU9InNvbWVub2RlIixyZWFsbT0ic29tZXJlYWxtIixub25jZT0i

T0E2TUc5dEVRR20yaGgiLGNub25jZT0iT0E2TUhYaDZWcVRyUmsiLG5jPTAw

MDAwMDAxLHFvcD1hdXRoLGRpZ2VzdC11cmk9InhtcHAvZXhhbXBsZS5jb20i

LHJlc3BvbnNlPWQzODhkYWQ5MGQ0YmJkNzYwYTE1MjMyMWYyMTQzYWY3LGNoYXJzZXQ9dXRmLTgK

</response>

解码后的回应信息是:

username＝"somenode"，realm＝"somerealm"，\

nonce＝"OA6MG9tEQGm2hh"，cnonce＝"OA6MHXh6VqTrRk"，\

nc＝00000001，qop＝auth，digest-uri＝"xmpp/example.com"，\

response＝d388dad90d4bbd760a152321f2143af7，charset＝utf-8

307、XMPP服务器发送另一个[BASE64]编码三的挑战给客户端:

cnNwYXV0aD1lYTQwZjYwMzM1YzQyN2I1NTI3Yjg0ZGJhYmNkZmZmZAo＝

</challenge>

解码后的挑战信息是:

rspauth＝ea40f60335c427b5527b84dbabcdfffd

可选的，在步骤306之后，可以不执行步骤307，而是选用另一种方式，具体如下：XMPP服务器返回一个错误给客户端:

编码一、编码二、编码三是按照编码在该实施例中出现的次序来排序。

308、客户端应答这个挑战，根据客户端的应答结果，执行步骤309或者步骤310：

309、XMPP服务器通知客户端验证成功，接着执行步骤311及其后继后继步骤:

310、XMPP服务器通知客户端验证失败:

311、当XMPP服务器通知客户端验证成功之后，客户端发起一个新的流给XMPP服务器:

312、XMPP服务器发送一个流头信息回应客户端，并附上任何可用的特性或空的features元素:

如前所述，本实施例中的智能家居服务器除了包括XMPP服务器还包括STUN服务器，STUN服务器与客户端和物联网网关通过ACE协议在客户端和物联网网关之间建立P2P通道。在现实Internet网络环境中，大多数计算机主机都位于NAT之后，只有少部分主机能够直接接入Internet。很多时候，用户希望网络中的两台主机能够直接进行通信(即P2P通信)，而不需要其它公共服务器的中转。由于主机可能位于NAT之后，在进行P2P通信之前，我们需要进行检测以确认它们之间能否进行P2P通信以及如何通信。因此，参照图4，STUN服务器与客户端和物联网网关通过ACE协议在客户端和物联网网关之间建立P2P通道的步骤，包括：

401、建立客户端和STUN服务器之间的连接；

STUN(Simple Traversal of User Datagram Protocol Through NetworkAddress Translators)，即简单的用UDP穿透NAT，是个轻量级的协议，是基于UDP的完整的穿透NAT的解决方案。一般情况下，客户会配置STUN服务器提供者的域名，该域名被解析为IP地址和SRV过程的端口号。服务器名是“stun”，STUN协议的缺省端口号为3478。

客户端通过带外方式获得STUN服务器的信息，所述信息包括TCP连接的IP地址和端口号。

根据STUN服务器的信息，客户端打开对应的地址和端口的连接，并开始与STUN服务器进行TLS协商。

402、客户端向STUN服务器发送共享私密请求；

客户端打开了连接之后，客户端就通过TCP协议向STUN服务器发送共享私密请求，该共享私密请求没有属性，只有头。客户端会在该连接上生成多个共享私密请求，但在获得用户名和密码后关闭该连接。

403、STUN服务器处理共享私密请求，根据处理结果，执行步骤404或者步骤405；

STUN服务器收到共享私密请求，验证从TLS连接上到达的该共享私密请求请求；如果不是通过TLS收到的共享私密请求，则生成共享私密错误响应，并设置ERROR-CODE属性为响应号433；这里区分两种情况：若通过TCP收到请求，则错误响应通过收到请求的相同连接发送；若通过UDP收到请求，则错误响应发送回请求送出的源IP和端口。

STUN服务器检查共享私密请求中的任何属性，当其中有不理解的小于或等于0x7fff的值，则生成共享私密错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号420，并包括UNKNOWN-ATTRIBUTE属性，列出它不理解的小于或等于0x7fff的属性的值。该共享私密错误响应通过TLS连接发送。

若共享私密请求正确，STUN服务器创建共享私密响应，包含与共享私密请求中相同的事务ID，并包含USERNAME和PASSWORD属性。用户名在10分钟内有效。

共享私密响应通过与收到请求的相同的TLS连接发送，STUN服务器保持连接打开状态，由客户端关闭它。

404、STUN服务器向客户端发送共享私密错误响应；

405、STUN服务器向客户端发送共享私密响应，然后执行步骤406及其后继步骤；

406、客户端发送捆绑请求；

在STUN服务器向客户端发送共享私密响应之后，客户端使用UDP协议向STUN服务器发送捆绑请求。客户端发送捆绑请求，携带的属性包括：

可选属性：RESPONSE-ADDRESS属性和CHANGE-REQUEST属性；

强制属性：MESSAGE-INTEGRITY属性和USERNAME属性。

客户端发送捆绑请求，通过客户端重传来提供可靠性。客户端开始用100ms的间隔重传，每次重传间隔加倍，直至1.6秒。之间间隔1.6秒的重传继续，直到收到响应或总共已经发送了9次。因此，若9500ms后，还未收到响应，客户端认为传输已经失败。

407、STUN服务器处理捆绑请求，根据处理结果，执行步骤408或者步骤409；

STUN服务器检查捆绑请求的MESSAGE-INTEGRITY属性，不存在则生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号401；若存在，计算请求的HMACKey值。

STUN服务器检查USERNAME属性，不存在则生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号432；若存在，但不认识该USERNAME的共享私密(例如，它超时了)，生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号430。

若STUN服务器知道该共享私密，但所计算的HMAC与请求的不同，生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号431。

假设消息完整性检查通过了，STUN服务器检查捆绑请求中的任何属性的值，若遇到不理解的小于或等于0x7fff的值，生成捆绑错误响应，设置ERROR-CODE属性为响应号420，该响应包含UNKNOWN-ATTRIBUTE属性，并列出不理解的小于或等于0x7fff的属性。

若捆绑请求正确，STUN服务器生成单个捆绑响应消息，包含与捆绑请求相同的事务ID。STUN服务器在捆绑响应消息中加入MAPPED-ADDRESS属性，该属性的IP地址和端口号为捆绑请求的源IP地址和端口号。

408、STUN服务器向客户端发送捆绑响应消息；

当客户端接收到捆绑响应消息之后，可以根据捆绑响应消息判断客户端是否位于NAT之后，从而完成基于UDP的完整的穿透NAT的解决方案。

409、STUN服务器向客户端发送捆绑错误响应。

如图5所示，本发明实施例还提供一种智能家居系统，该智能家居系统包括智能家居服务器501、客户端502和物联网网关503。本实施例中的智能家居服务器501可以采用图1、图2、图3以及图4中所述的任一种智能家居服务器。

以上对本发明实施例所提供的一种智能家居服务器和智能家居系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种智能家居服务器，其特征在于，包括XMPP服务器和STUN服务器，所述XMPP服务器与客户端和物联网网关通过XMPP协议来实现相互通信，所述STUN服务器与所述客户端和所述物联网网关通过ACE协议在所述客户端和所述物联网网关之间建立P2P通道。

2.根据权利要求1所述的智能家居服务器，其特征在于，所述XMPP服务器与客户端和物联网网关通过XMPP协议来实现相互通信，具体为：

所述客户端建立一个流，通过TCP/IP连接到所述XMPP服务器；

所述XMPP服务器和所述客户端协商TLS和SASL进行身份验证和安全协商；

当通过身份验证和安全协商之后，所述XMPP服务器向所述客户端发送XML节。

3.根据权利要求1或2所述的智能家居服务器，其特征在于，所述XMPP服务器和所述客户端协商TLS和SASL进行身份验证和安全协商的步骤，具体为：

所述客户端初始化流给所述XMPP服务器，所述XMPP服务器发送一个流标签给所述客户端作为应答；

所述XMPP服务器发送STARTTLS范围给所述客户端，所述客户端发送STARTTLS命令给所述XMPP服务器，所述XMPP服务器处理该STARTTLS命令；

根据所述XMPP服务器处理该STARTTLS命令的处理结果，所述XMPP服务器通知所述客户端可以继续进行，或者所述XMPP服务器通知所述客户端TLS握手失败并关闭流和TCP连接；

在所述XMPP服务器通知所述客户端可以继续进行之后，所述客户端和所述XMPP服务器尝试通过已有的TCP连接完成TLS握手；

如果TLS握手成功，所述客户端初始化一个新的流给所述XMPP服务器，所述XMPP服务器发送一个流头信息应答所述客户端；

如果TLS握手不成功，所述XMPP服务器关闭TCP连接；

所述客户端初始化流给所述XMPP服务器，所述XMPP服务器向所述客户端发送流标签作为应答；

所述XMPP服务器通知所述客户端可用的验证机制，所述客户端选择一个验证机制；

所述XMPP服务器发送一个[BASE64]编码一的挑战给所述客户端，所述客户端发送一个[BASE64]编码二的回应，用于回应所述编码一的挑战；

所述XMPP服务器发送另一个[BASE64]编码三的挑战给所述客户端，所述客户端应答所述编码三的挑战；

根据所述客户端的应答结果，所述XMPP服务器通知所述客户端验证成功或者所述XMPP服务器通知所述客户端验证失败；

当所述XMPP服务器通知所述客户端验证成功之后，所述客户端发起一个新的流给所述XMPP服务器，所述XMPP服务器发送一个流头信息回应所述客户端，并附上任何可用的特性或空的features元素。

4.根据权利要求3所述的智能家居服务器，其特征在于，所述STUN服务器与所述客户端和所述物联网网关通过ACE协议在所述客户端和所述物联网网关之间建立P2P通道的步骤，包括：

建立客户端和STUN服务器之间的连接；

客户端向STUN服务器发送共享私密请求；

STUN服务器处理共享私密请求，根据处理结果，STUN服务器向客户端发送共享私密错误响应或者共享私密响应；

客户端发送捆绑请求；

STUN服务器处理捆绑请求，根据处理结果，STUN服务器向客户端发送捆绑响应消息或者捆绑错误响应。

5.一种智能家居系统，其特征在于，包括如权利要求1至4所示的任一种智能家居服务器、客户端和物联网网关。