CN1466324A - 家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法 - Google Patents

Abstract

本发明是家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，让家庭中的含处理器和存储器的设备动态组网形成整体，其内各设备协同为用户提供服务。连接在局域网、无线局域网上的家庭主干网设备以组播方式发布本设备信息；设备通过侦听或查找方式获得其它设备的存在消息；服务使用或提供设备通过在一个资源管理设备上注册，与之一起构成一个家庭网络，或一个以上的服务使用或服务提供设备通过对等连接构成一个家庭网络；服务使用设备通过向资源管理设备或向服务提供设备(不存在资源管理设备时)发起服务查找请求获取服务信息，通过向服务提供设备(存在或不存在资源管理设备时)发起服务租用和服务调用请求，获取使用服务的权利和所提供的服务。

Description

家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法

技术领域

本发明涉及计算机网络与分布式计算技术领域，更确切地说是涉及一种在家庭网络环境中，用于支持网络设备间的互联互通，包括动态组网进而实现资源共享的方法。

背景技术

随着计算机技术及网络技术的迅猛发展以及个人对家庭生活数字化、信息化的追求，家庭网络E-Home已发展成为当前的一项热门技术。家庭网络技术是实现家庭设备数字化的关键性技术，有了这种技术，就可以将家庭中的所有电器设备连接成一个整体，实现随时随地的设备互联和信息传递。

家庭网络的需求完全不同于商业网络，如不需要额外布线安装、使用简单、成本低等。现有的适合家庭设备互联的网络技术，如HomePNA，可以利用每个家庭已有的电话线实现数字设备的互连，简单实用，且不影响电话的正常接听。利用电力线组网，在家庭内已铺设的电力线上传输信号和数据，也可以很方便地实现家庭电器自动化控制。

图1示出一种数字家庭的网络体系拓扑结构，包括主干网和控制子网两个层次。家庭主干网在组网形态上包含有线主干网和无线主干网两部分(为了实现一些无线移动设备的互连，让用户能充分享受随时随地的信息访问，无线主干网是家庭主干网中不可或缺的一部分)。在主干网中，通常会有一个家庭服务器101，它是数字家庭的处理中心和存储中心，可以是一台PC设备或专用服务器，主干网中的门户网关102用于实现家庭内部设备104(包括移动设备103)的互联和家庭的宽带接入，使家庭主干网中的设备103、104可以共享来自因特网105的信息。家庭主干网构筑了家庭的信息/多媒体网络，实现信息设备、通讯设备、娱乐设备等的互联。家庭主干网传输的主要数据是文字、图片、音频、视频等。

控制子网用于实现家用电器、自动化设备、保安(监控)装置等设备(108)的互联，其组建是实现家庭自动化的重要前提。控制子网中传输的数据主要是对设备的各种控制指令以及设备的状态数据。控制子网中的控制网关106一方面实现各类家居设备108的互联，另一方面实现控制子网与主干网的互联，同时给远程电话报警和电话远程控制(利用公用电话交换网PSTN107)提供外部接口。

家庭主干网与Internet 105之间的交互分两层含义：一是用户可以在远程通过Internet来调用家庭主干网上的服务；二是用户通过家庭主干网访问Internet上的服务。

家庭主干网与家庭控制子网之间的交互通过控制网关106实现。控制网关106负责进行主干网和控制子网间的协议转换，使控制子网中的服务表现为家庭主干网中的服务。将对控制子网中设备和服务的操作转变为对控制网关106上相关服务的操作。在控制子网协议中，服务的描述都是基于WSDL进行的。控制子网中的服务由控制网关106生成相应的WSDL描述，并作为主干网服务注册在控制网关106上。

为了让家庭用户能随心所欲地得到娱乐享受和安全舒适的家居生活，必须让家庭内的众多纷繁复杂的电器设备能有机互联与协同工作，因而在家庭网络体系主干网中，设计一套合理有效的实现设备间动态组网与资源共享的方法是十分必要的。也即对家庭主干网的要求主要是高速率的传输、高服务质量的保证、动态组网以及有效的资源共享。

现有的关于办公局域网、工业控制网络的动态组网与资源共享都有比较成熟的实现方法，但由于家庭网络中设备的多样性及网络环境的特殊性，这些实现方法是无法直接应用于家庭网络中的。

本发明所述的在家庭网络范围内，支持家庭各种设备间的动态组网，是指网络中的设备无需事先通过手工方式进行网络参数配置，就可以动态地从网络中选择相关设备组成一个家庭网络，用于实现任一个单一设备无法完成的功能，或提高任一单一设备原功能的性能；资源共享是指网络中的设备能够发布自身所提供的资源，同时也可以方便地检索并利用其它设备所提供的资源，任意两个设备间通过直接通信和资源共享扩展单一设备的功能。

发明内容

本发明的目的是设计一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，使家庭环境中的各种孤立的设备(含有处理器和存储单元)能够动态互联在一起形成网络，网络中的各种设备能够相互访问和利用其它设备上的资源，网络中还可随时加入新的设备，从而提高家庭设备间的互操作性和易用性。

本发明方法所涉及到的家庭主干网成员，包括信息设备、通讯设备和娱乐设备等，通过协议网关的方式，还可以和因特网以及一些家用电器设备，如冰箱、洗衣机、电视机、音响等进行交互，因此本发明方法中的设备是提供服务的载体。

本发明方法所涉及到的服务，是指运行在设备上的满足主干网协议所定义的标准接口的功能实体。

本发明方法所涉及到的资源管理设备是指能够提供网络中的设备进行注册和服务索引功能的设备。

本发明方法所涉及到的服务提供设备，是指为网络中的其它设备提供服务的设备。

本发明方法所涉及到的服务使用设备是指使用网络中其它设备所提供的服务的设备。

本发明方法所涉及到的单播方式是指由一个发送设备给一个指定的接收设备发送信息。

本发明方法所涉及到的组播方式是指由一个发送设备给一组指定的接收设备发送信息。

在实际的家庭网络中，一个设备可以作为服务提供设备向其它设备提供服务，同时也可作为服务使用设备使用其它设备所提供的服务。

本发明所提出的对家庭网络中各种信息设备、通讯设备和娱乐设备等进行互联、动态组网和资源共享的方法，包括网络生成和各设备间的资源共享处理。

实现本发明目的的技术方案是这样的：一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于包括以下步骤：

A.将家庭主干网设备连接在局域网或无线局域网上；

B.设备以组播方式通过发布宣告消息宣告本设备信息；

C.设备通过侦听或查找方式获得其它设备的存在消息；

D.服务使用设备或服务提供设备通过在一个资源管理设备上注册，与资源管理设备一起构成一个家庭网络；或一个以上的服务使用设备或服务提供设备通过对等连接方式构成一个家庭网络；

E.加入家庭网络的服务使用设备通过向资源管理设备发起服务查找请求，获取家庭网络内服务提供设备的服务信息，服务使用设备通过向服务提供设备发起服务租用请求和服务调用请求，获取使用服务的权利和使用服务提供设备所提供的服务；或者服务使用设备通过向与之建立有对等连接关系的服务提供设备发起服务查找请求、服务租用请求和服务调用请求，获取该服务提供设备的服务信息、使用服务的权利和使用服务提供设备所提供的服务。

所述的步骤B，设备是定期地以组播方式宣告本设备信息的；所发布的宣告消息中至少包括设备类型、设备的IP地址和设备所带的服务信息。

所述的步骤C，所述的侦听方式是设备通过侦听其它设备的设备宣告消息，获取其它设备的存在信息；所述的查找方式是设备通过组播方式发送查找设备消息，收到组播查找消息的设备，在自身条件符合查找消息中的查找条件时，以单播方式返回自身的设备宣告信息。

所述的步骤D，在服务使用或服务提供设备上指定了资源管理设备时，服务使用或服务提供设备向网络中存在的该资源管理设备发起注册过程；在服务使用或服务提供设备上没有指定资源管理设备时，向网络中存在的一个资源管理设备发起注册过程。

所述的步骤D，所述的服务使用或服务提供设备在同一时间内只在一个资源管理设备上进行注册。

所述的步骤D还包括，在资源管理设备上注册成功的服务提供设备，将自身的服务注册到资源管理设备上；资源管理设备维持在其上注册的所有设备及其服务信息。

所述的步骤D，一个以上的设备通过对等连接方式构成一个家庭网络，进一步包括：一个设备通过侦听其它设备的组播宣告消息获取其它设备的存在消息；一个设备向其它设备发起对等连接创建请求，以请求其它设备上的服务。

所述步骤D，进一步设置有安全机制的建立过程，包括：

D1.由资源管理设备向加入家庭网络的设备发出认证信息，其认证密钥由密钥配置管理程序负责配置，认证通过则注册成功；

D2.在两个对等连接的设备间进行连接认证，连接认证密钥由密钥配置管理程序发放，并维持在两个对等连接的设备本地。

本发明方法，可随心所欲地让家庭中的电器设备动态组网形成一个整体，使各种设备能协同为家庭用户提供系统完整的服务，所具有的开放性特点，充分考虑了未来的发展和对现有技术及设备的支持。

本发明的方法同时支持有线网络和无线网络环境。

附图说明

图1是一种数字家庭网络体系拓朴结构示意图；

图2是本发明方法所利用的设备协议栈分层结构；

图3是图2中的传输管理层结构；

图4是图2中的中间协议层结构；

图5是家庭网络体系主干网中设备动态组网与资源共享的实现流程实施例框图。

具体实施方式

已有的TCP/IP协议为网络设备提供了基本的通讯和寻址方法，在家庭主干网中，基于家庭联网的具体需求，为了更好地在家庭范围内实现动态组网和资源共享，本发明基于TCP/IP协议设计家庭主干网协议，在家庭主干网中，实现设备间动态组网与资源共享，包括设备发现、服务发现、设备注册、设备连接、服务注册、服务访问、服务调用等过程，按相应的子协议执行。

设备生产厂家和服务提供者提供设备及服务的相关信息。这些设备以及服务信息是按照主干网协议封装的。经过封装后的信息通过设备发现过程与服务发现过程在网络中进行发布。多个设备之间通过设备注册、服务注册以及设备连接过程动态生成一个家庭网络。该家庭网络中可以具有一个起中心索引作用和服务访问授权的家庭资源管理设备，也可以不具备家庭资源管理设备，此时网络上的各个设备完全对等连接。设备上的服务通过服务调用过程进行资源的共享。

参见图2，图中示出本发明方法所利用的主干网协议栈结构，本协议栈在逻辑上分为3层，由上而下为应用支持层、中间协议层和传输管理层。

其中的传输管理层，是中间协议层进行数据交互的基础，用于设备、服务间的数据交互。其数据交互都基于TCP/IP协议之上。传输管理层基于TCP/IP及HTTP协议，其结构如图3中所示，由上而下为HTTP(HTTP、HTTPMU、HTTPU)协议、安全传输协议、TCP(UDP)和IP。在基于TCP传输时，由安全传输协议负责设备间传输通道的安全。

中间协议层，用于网络设备间实现互联互通、资源共享。由若干个子协议组成，包括设备发现协议、设备注册协议、设备连接协议、服务注册协议、服务发现协议、服务租用协议、服务授权协议、服务调用协议及设备认证和安全传输协议。中间协议层的各子协议间的逻辑关系如图4所示，位于上层的并由上而下的是服务发现协议、服务注册协议；服务租用协议、服务调用协议；服务授权协议，位于下层并由上而下的是设备发现协议、设备连接协议；和设备注册协议。

设备发现协议、设备注册协议和设备连接协议是中间协议层其它子协议的执行基础。在它们执行的基础上，可以通过服务注册、服务发现、服务租用、服务调用和服务授权等协议对服务进行操作。

应用支持层，为上层应用程序提供软件API访问接口。在中间协议层提供了互联互通和资源共享的核心协议基础上，应用支持层协议为具体的应用开发提供相应的软件接口。另外，设计统一的应用支持层协议，可保证不同厂商同类设备之间可进行相互操作。

家庭主干网上的设备通过局域网(LAN)或无线局域网(WLAN)连接。实现动态组网与资源共享的首要步骤是设备发现。支持本发明方法的每个设备，定期地以组播的形式向网络宣告本设备的相关信息，在宣告消息中包含设备类型，设备IP地址，设备所带的服务信息。设备可以通过侦听其它设备的设备宣告消息的方式来获取其它设备的存在信息；也可以通过组播方式发送查找设备请求信息，该查找设备请求信息中应包含查找条件，收到组播查找请求信息的设备，如果符合设备查找请求中的查找条件，则应以单播的方式返回自身的设备宣告信息。

当存在家庭资源管理设备(通常人为指定)时，由一个家庭资源管理设备及在其上注册的设备构成一个家庭网络。该家庭网络生成的过程是：

如果在服务使用或服务提供设备中已经指定了资源管理设备，该等服务使用或服务提供设备，在网络中存在有该资源管理设备时，应向该资源管理设备发起设备注册过程；

如果在服务使用或服务提供设备中没有指定资源管理设备，当网络中存在资源管理设备时，这些服务使用或服务提供设备应向该资源管理设备发起设备注册过程，如果同时存在两个或两个以上的资源管理设备，则按程序执行顺序以首先对之发起设备注册过程的资源管理设备作为构建家庭网络的资源管理设备。

服务使用或服务提供设备在一个时间内，只能在一个资源管理设备上进行注册。

当服务提供设备在资源管理设备上注册成功后，应将自身的服务注册到资源管理设备上。资源管理设备应该维持所有在其上注册的设备信息及相关的服务信息。服务使用设备或服务提供设备通过向资源管理设备发出设备注销请求，就可随时退出家庭网络，此时资源管理设备将删除其上这些设备的注册信息及注册的服务信息。

当不存在家庭资源管理设备时，由所有的家庭设备以对等连接的方式进行通信、动态组网和资源共享，构成一个家庭网络。该家庭网络生成的过程是：

一个家庭设备可以通过侦听其它设备的组播宣告消息获取其它设备的信息，进而可以向其它设备发起对等连接创建请求，以便对其它设备上的服务进行相应的请求。服务使用设备或服务提供设备可意外退出家庭网络，如掉电，也可由服务使用设备向服务提供设备发出解除连接关系请求宣告，退出家庭网络。

完成动态组网后的家庭网络，实现资源共享的过程是：

对于存在有家庭资源管理设备的家庭网络，加入到一个家庭网络中的一个服务使用设备，通过向家庭网络的资源管理设备发起服务查找请求，可以获取家庭网络内其他设备的服务信息；通过向相应的服务提供设备提供的服务发起服务租用请求，可以获取使用服务的权利；通过向相应的服务提供设备上提供的服务发起服务调用请求，可以使用该服务。

对于不存在有家庭资源管理设备的家庭网络，当一个服务使用设备和一个服务提供设备建立起对等连接关系后，服务使用设备通过向服务提供设备发起服务查找请求，可以获取服务提供设备的服务信息；通过向服务提供设备发起服务租用请求，可以获取使用服务的权利；通过向服务提供设备发起服务调用请求，可以使用服务提供设备所提供的服务。

参见图5，图中示出一个动态组网的全过程，包括设备宣告、设备注册、服务注册、服务查找、服务租用、服务调用和设备注销。

图中，设备1、设备2、设备3和设备4连接在局域网或无线局域网(LAN/WLAN)上，假设：设备1是家庭网络的资源管理设备；设备2是服务使用设备；设备3和设备4是服务提供设备，设备1、2、3、4上都有自己的服务实体。

图中各个步骤的含义如下：

步骤1，资源管理设备1对外发出设备宣告消息；

步骤2、3和4，作为服务使用或服务提供设备的设备2、设备3和设备4，根据资源管理设备1的宣告消息，进行设备注册，经过设备注册后的设备2、3、4将它们已经过本地注册的服务实体再注册在资源管理设备1上；

步骤5，设备2上的服务向资源管理设备1查询(查找)网络中存在的其它服务信息；

步骤6，资源管理设备1向设备2上的发起查找的服务返回相关的其它服务信息；

步骤7，设备2上的服务向设备3上的服务发起租用请求信息；

步骤8，设备3上的服务向设备2上的发起租用请求的服务返回租用响应信息；

步骤9，设备2上的服务向设备3上获得租用成功的服务发调用信息；

步骤10，设备4向资源管理设备1发出设备注销，退出网络；

在实现本发明方法中，必须建立家庭网络中设备之间交互的安全机制，包括存在家庭资源管理设备时安全机制的建立和不存在家庭资源管理设备时安全机制的建立两方面。

在存在家庭网络资源管理设备时，如有设备想加入该家庭网络，就必须向资源管理设备注册。注册时资源管理设备向该设备发起认证，认证通过则该设备注册成功。认证密钥由专门的密钥配置管理程序负责，该程序可以设在资源管理设备上，也可以设在其它任何有人机交互能力的设备上。密钥配置管理程序不仅负责设备与资源管理设备之间的认证密钥的配置，同时也负责配置设备之间的连接认证密钥。设备间连接安全基于私钥，也就是说设备间的连接认证密钥是由具体的两个设备之间协商的。设备间的连接认证密钥的另一用途是以该密钥为基础，建立两设备之间的传输密钥，以便进行安全传输。

不存在家庭网络资源管理设备时，如有设备想加入该家庭网络，其安全机制与存在家庭资源管理设备时的情况类似，只是设备与资源管理设备之间的认证过程变为设备之间的连接认证过程，设备间的连接认证密钥由密钥配置管理程序发放，并维持在设备本地。

密钥配置由专门的密钥配置管理程序负责，配置是用户手动进行的。密钥配置管理程序需要有人机交互的支持，如果设备无法提供人机交互界面那么该配置程序就无法运行，此时这个设备只能借助于其它能运行密钥配置管理程序的设备来异地配置它的设备连接认证密钥。密钥配置管理程序可以配置在任一有人机交互能力的设备上，如当家庭网络中存在有资源管理设备时，密钥配置管理程序可以配置在资源管理设备上，当家庭网络中不存在有资源管理设备时，密钥配置管理程序可以配置在有人机交互能力的设备上。

其设备认证密钥配置方法是：由密钥配置管理程序以组播方式发出认证配置信息，各设备接到该消息后，如果判断自己处于未设定密钥状态，则响应该消息，发出密钥配置请求，由配置管理程序对这些请求进行响应，设置相应密钥。实施时的一种做法可以是在设备出厂时，设置缺省密钥，密钥配置管理程序在进行密钥配置时，则需要知道缺省密钥。

本发明的方法，在家庭网络范围内支持家庭主干网设备动态组网与资源共享，从而提高了家庭设备的互操作性和易用性。家庭网络中的任一个支持主干网协议的设备可以向网络中发布自身的资源信息，发现其它设备所提供的资源信息，设备之间按照主干网协议进行资源共享。

Claims (14)

1.一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于包括以下步骤：

A.将家庭主干网设备连接在局域网或无线局域网上；

B.设备以组播方式通过发布宣告消息宣告本设备信息；

C.设备通过侦听或查找方式获得其它设备的存在消息；

D.服务使用设备或服务提供设备通过在一个资源管理设备上注册，与资源管理设备一起构成一个家庭网络；或一个以上的服务使用设备或服务提供设备通过对等连接方式构成一个家庭网络；

E.加入家庭网络的服务使用设备通过向资源管理设备发起服务查找请求，获取家庭网络内服务提供设备的服务信息，服务使用设备通过向服务提供设备发起服务租用请求和服务调用请求，获取使用服务的权利和使用服务提供设备所提供的服务；或者服务使用设备通过向与之建立有对等连接关系的服务提供设备发起服务查找请求、服务租用请求和服务调用请求，获取该服务提供设备的服务信息、使用服务的权利和使用服务提供设备所提供的服务。

2.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述的步骤A，所述的家庭主干网设备包括信息类设备、通讯类设备和娱乐类设备，设备及其服务信息按主干网协议对设备及其服务描述规范进行封装并发布。

3.根据权利要求2所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述的主干网协议，其主干网协议栈包括用于设备、服务间数据交互的传输管理层，用于实现家庭网络中设备间互联互通、资源共享的中间协议层，和为上层应用程序提供API访问接口的应用支持层。

4.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述的步骤B，设备是定期地以组播方式宣告本设备信息的；所发布的宣告消息中至少包括设备类型、设备的IP地址和设备所带的服务信息。

5.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述的步骤C，所述的侦听方式是设备通过侦听其它设备的设备宣告消息，获取其它设备的存在信息；所述的查找方式是设备通过组播方式发送查找设备消息，收到组播查找消息的设备，在自身条件符合查找消息中的查找条件时，以单播方式返回自身的设备宣告信息。

6.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述的步骤D，在服务使用或服务提供设备上指定了资源管理设备时，服务使用或服务提供设备向网络中存在的该资源管理设备发起注册过程；在服务使用或服务提供设备上没有指定资源管理设备时，向网络中存在的一个资源管理设备发起注册过程。

7.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述的步骤D，所述的服务使用或服务提供设备在同一时间内只在一个资源管理设备上进行注册。

8.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述的步骤D还包括，在资源管理设备上注册成功的服务提供设备，将自身的服务注册到资源管理设备上；资源管理设备维持在其上注册的所有设备及其服务信息。

9.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述的步骤D，一个以上的设备通过对等连接方式构成一个家庭网络，进一步包括：一个设备通过侦听其它设备的组播宣告消息获取其它设备的存在消息；一个设备向其它设备发起对等连接创建请求，以请求其它设备上的服务。

10.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述步骤D，进一步设置有安全机制的建立过程，包括：

D1.由资源管理设备向加入家庭网络的设备发出认证信息，其认证密钥由密钥配置管理程序负责配置，认证通过则注册成功；

D2.在两个对等连接的设备间进行连接认证，连接认证密钥由密钥配置管理程序发放，并维持在两个对等连接的设备本地。

11.根据权利要求10所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于：所述步骤D1中，家庭网络中的设备通过协商的私钥，由密钥配置管理程序负责配置连接认证密钥，并以该连接认证密钥为基础，建立两设备间的传输密钥，进行安全传输。

12.根据权利要求10或11所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于所述的密钥配置管理程序对密钥的配置包括：由密钥配置管理程序以组播方式发出认证配置消息；收到该认证配置消息的设备，在未设定密钥的状态下，对该消息作出响应发出密钥配置请求；由密钥配置管理程序对配置请求进行响应，设置密钥。

13.根据权利要求10所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于所述的密钥配置管理程序设置在资源管理设备上，或者设置在家庭网络中具有人机交互能力的设备上。

14.根据权利要求1所述的一种家庭主干网中实现设备间动态组网与资源共享的方法，其特征在于还包括：服务使用设备或服务提供设备通过向资源管理设备发出设备注销请求，退出家庭网络，资源管理设备删除其上该设备的注册信息及注册的服务信息；或者由服务使用设备向服务提供设备发出解除连接关系请求宣告，退出家庭网络。

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