CN110099105A - 一种用于人与机器人协作的网络连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于人与机器人协作的网络连接方法，包括步骤：1)终端设备生产阶段；2)终端设备启动阶段；3)设备发现阶段；4)设备工作阶段。本发明能够协助机器人终端与客户端建立连接并尽可能提供高带宽低延迟传输信道，并兼容包含多个网络适配器的终端和使用网络地址和端口转换技术进行网络接入的环境，使用服务器的设备终端均包含由设备制造商预先签发的数字证书，避免未授权的设备终端或假冒的终端设备使用服务器，同时终端设备通过验证服务器证书来避免连接至假冒服务器，采用点对点连接和中转服务器隧道相结合的传输方式，可以有效结合点对点连接的延迟低、带宽高和中转服务器隧道的网络兼容性强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及机器人、网络编程的技术领域，尤其是指一种用于人与机器人协作的网络连接方法。
背景技术
近些年来，随着信息技术革命和互联网技术的快速发展，万物互联的时代离我们越来越近，而机器人也随此潮流不再局限于工厂流水线，而是走进的千家万户。与工业机器人不同的是，进入日常生活的机器人需要更多的与人交互合作。同时，日常生活用的机器人的用户通常对计算机和网络技术均不熟悉。故需要对网络连接、设备初始化等流程进行一定的简化以让用户能轻松完成。
目前，国际互联网经历了迅猛的增长，局面已经与以前有了比较大的变化。网络终端数大幅增长，IPv4地址已经分配完毕，运营商和为企业为了应对地址不足的状况而大量使用网络地址和端口转换技术(NAPT)，这除了破坏了互联网原有的点对点通信模型，使得原来可以单纯地通过地址发现对端和建立连接的方法在大部分日常环境中都无法使用。这种情况下，通常需要通过设立于公用互联网的服务器辅助进行设备发现和连接建立。
日用环境还要面临的一个问题是网络漫游会导致已建立的连接中断。通常情况下对端需要重新执行发现和初始化连接的流程。
发明内容
本发明的目的在于克服现有公用互联网的复杂性，提出了一种用于人与机器人协作的网络连接方法，用于协助机器人终端与客户端建立连接并尽可能提供高带宽低延迟传输信道，并兼容包含多个网络适配器的终端和使用网络地址和端口转换技术进行网络接入的环境。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种用于人与机器人协作的网络连接方法，包括以下步骤：
1)终端设备生产阶段
1.1)设备制造商生成设备证书颁发机构密钥对和数字证书；
1.2)生成注册服务器使用的密钥对和设备证书颁发机构签发的数字证书，将其部署于注册服务器中；在每个终端设备中预置唯一的设备标识符、认证密钥对和设备证书颁发机构签发的数字证书；
2)终端设备启动阶段
2.1)终端设备通过互联网与注册服务器建立连接；
2.2)终端设备尝试通过通用即插即用协议(UPnP)发现路由器并建立端口映射；
2.3)终端设备将自身网络接口信息发送至注册服务器；
2.4)注册服务器收到消息后检查消息，检查通过后返回注册成功的响应；
2.5)终端设备于网络变更或间隔一段时间后向注册服务器发送心跳消息并报告其网络状态；
3)设备发现阶段
3.1)控制客户端启动，若是初次启动，则生成客户端认证密钥对、标识符和数字证书；
3.2)控制客户端连接至注册服务器，发送设备发现请求，请求包含待连接的设备的标识符；
3.3)若待发现设备已在注册服务器上注册且未执行绑定，则向终端设备发送绑定请求，终端在获得用户授权后返回同意绑定回复，同时将客户端标识符记录于终端设备的非易失存储器中，若待发现设备已在注册服务器上注册且绑定的客户端标识符与非易失存储器中记录的一致则通过认证；
3.4)认证通过后注册服务器协助交换双方网络地址、端口号和数字证书及用于建立中转连接的令牌；
3.5)控制客户端和终端设备尝试直接使用交换得到的对方网络地址建立连接，同时双方均使用由注册服务器提供的服务令牌于中转服务器建立连接，若在限时内成功建立连接，则双方向中转服务器发送消息，若在限时内没有建立连接，则放弃直接连接，由中转服务器转发双方的所有信息；
4)设备工作阶段
当点对点连接中断或连接质量下降时，将会切换使用中转服务器建立的中继连接进行通信，同时尝试重新建立点对点连接。若在限制时间内未能与中转服务器和对方重新建立连接且没有从注册服务器收到对方的新的网络接口信息，则放弃重建连接，终端设备重新按照终端设备启动阶段的流程进行注册，客户端按照设备发现阶段的流程重新发现终端设备。
在步骤2.3)中，收集的信息包括：网络适配器类型、网络适配器所使用的IPv4地址、IPv6地址、监听的端口号及设备通过通用即插即用协议建立的映射端口号和网关网络地址、适配器所在的网络是否能连通国际互联网。
在步骤4)中，终端设备与注册服务器建立连接所采用的协议为安全WebSocket协议，其中终端设备采用步骤1.2)认证数字证书及密钥对进行客户端身份认证，服务器采用步骤1.2)生成的服务器数字证书及密钥对进行服务器身份认证。
在步骤2.3)、3.2)、3.4)中，终端设备和控制客户端与注册服务器传递信息用的消息体为文本格式，只包含ASCII字符；其中，步骤2.3)的消息包含终端设备标识符、网络适配器信息及网络适配器选择顺序，步骤3.2)的消息包含控制客户端身份信息、网络适配器信息及目标终端设备信息，步骤3.4)的消息包含对端的网络适配器信息、对端的网络适配器选择顺序及对端的数字证书；每个消息包含若干个节，每个节包含若干个属性和值，一个属性一行，属性名在前，属性值在后，中间以“＝”分隔，对于包含多个值的属性，用逗号分隔，对于没有值的属性，属性值处留空。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、使用服务器的终端设备均包含由设备制造商预先签发的数字证书，避免未授权的终端设备或假冒的终端使用服务器，同时终端设备通过验证服务器证书来避免连接至假冒服务器。
2、简化机器人终端在异构网络下建立连接的步骤，便于对网络技术和计算机技术不熟悉的用户使用设备。
3、采用点对点连接和中转服务器隧道相结合的传输方式，可以有效结合点对点连接的延迟低、带宽高和中转服务器隧道的网络兼容性强的优点。
4、可以较好地穿透运行网络地址和端口转换的网关设备。
5、在网络切换后可以自动恢复连接。
附图说明
图1为终端设备及控制客户端建立连接流程，包含设备发现阶段和设备工作阶段。
图2为本发明方法所涉及的终端、客户端及服务器的网络拓扑及建立的连接。
图3为终端设备生产阶段步骤流程图。
图4为设备启动阶段流程图。
图5为注册消息格式。
图6为客户端连接请求格式。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，本实施例所提供的基用于人与机器人协作的网络连接方法，包括以下步骤：
1)终端设备生产阶段
1.1)设备厂商自行生成设备证书颁发机构密钥对和对应的自签名数字证书。密钥对由公钥和私钥组成，公钥包含在数字证书中。数字证书格式为国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)制定的X.509DER二进制格式。其中私钥应保密存储以防止泄露。该数字证书同时置于注册服务器和控制客户端中以用于进行身份验证。
1.2)终端设备生产时由设备制造商为其分配一个唯一的标识符，该标识应保证唯一不重复。认证密钥对同样包含公钥和私钥，包含其公钥和标识符的数字证书由设备证书颁发机构的私钥签署。密钥对和数字证书存储于终端设备的只读存储器中。
2)终端设备启动阶段
2.1)终端设备所连接的服务器地址置于设备固件中，与服务器的连接采用安全WebSocket协议，连接采用双向认证，终端设备采用步骤1.2)中生成的证书作为客户端认证证书，服务器使用同样由设备证书颁发机构签署的数字证书作为服务器认证证书。终端设备通过检查服务器证书的签名、域名和时间戳避免连接至仿冒的服务器，服务器通过检查证书的签名及名称得知设备的身份。后续步骤的信息交换均在建立好的安全WebSocket连接中进行。
2.2)终端设备通过通用即插即用协议(UPnP)发现运行NAT的网关路由器。若NAT网关支持UPnP端口映射，则通过该协议在NAT网关建立TCP端口映射。若成功建立映射，则收集得到网关报告的映射端口号及网关WAN地址。若网关路由器不支持UPnP端口映射或没有成功建立映射，则跳过此步。
2.3)终端设备需要收集信息：设备使用的网络适配器类型、设备自身的IPv4地址和IPv6地址(如果有)、设备监听的通信端口号、设备通过UPnP协议建立的映射端口号和网关WAN地址(如果有)、适配器所在的网络是否能连通国际互联网。
如果设备包含多个处于工作状态的网络适配器，则每个网络适配器的信息均要收集，最终通过其中一个适配器建立的安全WebSocket连接将这些信息发送至注册服务器。
消息体采用图5所示格式，设备应一次性上传所有网络适配器的信息。下图是终端设备发送的注册消息的样例。消息体包含一个Device节和若干个AdapterXX(XX为网络适配器编号)节。节标题包含于中括号内。Device节包含设备标识符和网络适配器选择顺序；AdapterXX节其中一个网络适配器的信息。
2.4)服务器检查消息的合法性后记录下有效的网络接口信息供客户端连接时使用，在数据库中将该终端设备标记为在线，同时向终端设备回复下次报告时间。若终端设备在预期的报告时间1分钟之后未能收到报告则认为该终端设备已下线。
2.5)终端设备在等待连接时，除了按照注册服务器的回复定期发送心跳消息外，当接口状态出现变化(例如接口下线、动态主机配置协议要求的IP地址变更、UPnP端口映射过期等)，也应尽快重新按照步骤2.3)的说明重新执行信息上报流程。
3)设备发现阶段
3.1)控制客户端启动，若是初次启动，则生成客户端认证密钥对、标识符和数字证书。
3.2)控制客户端通过手工输入、扫描二维码等方式获得待连接设备的标识符。如果控制客户端以前完成过连接流程，可以直接使用存储器中记录的设备标识符。与注册服务器的连接同样采用安全WebSocket协议，连接建立时客户端采用步骤3.1)中生成的密钥对和数字证书作为客户端身份认证凭据，同时客户端应检查服务器使用的证书是否是设备证书颁发机构签署的有效证书以避免连接至假冒的服务器。所有后续消息均使用该连接传输。
客户端连接请求采用图6所示格式，其中AdapterXX(XX为数字序号)表示客户端所使用的网络适配器。
3.3)终端设备在收到注册服务器发来的绑定请求后，通过显示屏、语音播报等方式向用户提示授权绑定，用户可以通过点击屏幕按钮、语音应答或按下硬件开关等方式授权。
3.4)注册服务器将终端设备的网络接口信息、数字证书下发至控制客户端，将控制客户端的网络接口信息和数字证书下发至终端设备。同时，注册服务器会提供中转服务器的地址及访问令牌给双方。
3.5)双方同时尝试向对方地址发起连接，如有多个连接成功建立，则通过延迟测试和带宽测试后选择，优先选择低延迟高带宽的连接。若同一对网络地址建立了两个连接，则优先保留客户端发起的连接。若连接需要加密，则使用前文提及的客户端数字证书和设备认证数字证书完成。
4)设备工作阶段
当点对点连接中断或连接质量下降时，将会切换使用中转服务器建立的中继连接进行通信，同时尝试重新建立点对点连接。若在限制时间内未能与中转服务器和对方重新建立连接且没有从注册服务器收到对方的新的网络接口信息，则放弃重建连接，终端设备重新按照终端设备启动阶段的流程进行注册，客户端按照设备发现阶段的流程重新发现终端设备。即使点对点连接成功建立，双方依然需要维持与中转服务器的连接以供备用。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种用于人与机器人协作的网络连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)终端设备生产阶段
1.1)设备制造商生成设备证书颁发机构密钥对和数字证书；
1.2)生成注册服务器使用的密钥对和设备证书颁发机构签发的数字证书，将其部署于注册服务器中；在每个终端设备中预置唯一的设备标识符、认证密钥对和设备证书颁发机构签发的数字证书；
2)终端设备启动阶段
2.1)终端设备通过互联网与注册服务器建立连接；
2.2)终端设备尝试通过通用即插即用协议发现路由器并建立端口映射；
2.3)终端设备将自身网络接口信息发送至注册服务器；
2.4)注册服务器收到消息后检查消息，检查通过后返回注册成功的响应；
2.5)终端设备于网络变更或间隔一段时间后向注册服务器发送心跳消息并报告其网络状态；
3)设备发现阶段
3.1)控制客户端启动，若是初次启动，则生成客户端认证密钥对、标识符和数字证书；
3.2)控制客户端连接至注册服务器，发送设备发现请求，请求包含待连接的设备的标识符；
3.3)若待发现设备已在注册服务器上注册且未执行绑定，则向终端设备发送绑定请求，终端在获得用户授权后返回同意绑定回复，同时将客户端标识符记录于终端设备的非易失存储器中，若待发现设备已在注册服务器上注册且绑定的客户端标识符与非易失存储器中记录的一致则通过认证；
3.4)认证通过后注册服务器协助交换双方网络地址、端口号和数字证书及用于建立中转连接的令牌；
3.5)控制客户端和终端设备尝试直接使用交换得到的对方网络地址建立连接，同时双方均使用由注册服务器提供的服务令牌于中转服务器建立连接，若在限时内成功建立连接，则双方向中转服务器发送消息，若在限时内没有建立连接，则放弃直接连接，由中转服务器转发双方的所有信息；
4)设备工作阶段
当点对点连接中断或连接质量下降时，将会切换使用中转服务器建立的中继连接进行通信，同时尝试重新建立点对点连接。若在限制时间内未能与中转服务器和对方重新建立连接且没有从注册服务器收到对方的新的网络接口信息，则放弃重建连接，终端设备重新按照终端设备启动阶段的流程进行注册，客户端按照设备发现阶段的流程重新发现终端设备。
2.根据权利要求1所述的一种用于人与机器人协作的网络连接方法，其特征在于：在步骤2.3)中，收集的信息包括：网络适配器类型、网络适配器所使用的IPv4地址和IPv6地址、监听的用于建立连接的端口号、设备通过通用即插即用协议获得的映射端口号和网关网络地址、网络适配器所在的网络是否能连通国际互联网。
3.根据权利要求1所述的一种用于人与机器人协作的网络连接方法，其特征在于：在步骤4)中，终端设备与注册服务器建立连接所采用的协议为安全WebSocket协议，其中终端设备采用步骤1.2)认证数字证书及密钥对进行客户端身份认证，服务器采用步骤1.2)生成的服务器数字证书及密钥对进行服务器身份认证。
4.根据权利要求1所述的一种用于人与机器人协作的网络连接方法，其特征在于：在步骤2.3)、3.2)、3.4)中，终端设备和控制客户端与注册服务器传递信息用的消息体为文本格式，只包含ASCII字符；其中，步骤2.3)的消息包含终端设备标识符、网络适配器信息及网络适配器选择顺序，步骤3.2)的消息包含控制客户端身份信息、网络适配器信息及目标终端设备信息，步骤3.4)的消息包含对端的网络适配器信息、对端的网络适配器选择顺序及对端的数字证书；每个消息包含若干个节，每个节包含若干个属性和值，一个属性一行，属性名在前，属性值在后，中间以“＝”分隔，对于包含多个值的属性，用逗号分隔，对于没有值的属性，属性值处留空。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200522 |
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