UPnP家庭网关配置管理的设计

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摘要：提出了数字家庭网关可运营、可管理的应用模式。这种家庭网关打破了现有家用网关业务单一的局限，不仅具有数字家庭网络设备的互操作性，而且能将电信宽带服务直接延展、推送到家庭网络设备上，实现自动配置服务器对家庭网络设备的远程配置管理，促进电信网络与家庭网络的融合与互动。将家庭内外网络多服务的自动配置和终端管理技术，与upnp协议框架相结合，家庭网关不仅可以实现设备“零配置”接入网络、网络“透明性”数据传输，而且能够为电信网络提供可运营管理的服务能力，符合数字家庭的发展趋势。

关键词：数字家庭；家庭网关；UPnP；配置管理

中图分类号：TP393.03

文献标识码：A

0引言

在由多种组网技术、多种家电设备构成的复杂家庭网络中实现设备间的互操作性，需要遵循开放、通用的国际通信标准。UPnP标准作为家庭网络中间件技术，使用TCP/IP、HTTP、SSDP、GENA、SOAP基本协议，可屏蔽设备间底层硬件、通信技术、操作系统的不同，方便地实现设备“零配置”接入、网络“透明性”传输，适用于任何组网技术，兼容多种协议标准，具有良好的设备互操作性。

因此，将UPnP技术应用于现有独立运行的家电设备，可满足家庭网络设备的互操作性，在逻辑上形成由UPnP设备组成的互联共享的家庭网络，从而在中间件层实现集娱乐、通信、数据、控制应用为一体的数字家庭网络架构。

1UPnP设备互操作机制

UPnP标准能够很好地实现家庭网络设备间的互操作性，为用户面向应用层的开发提供通用化网络平台。

UPnP技术支持设备、服务、控制点之间的通信。设备可分为根设备和子设备，可以是物理设备，也可以是逻辑设备。一个UPnP设备可看成是包含服务并嵌套了子设备的“容器”，由XML文档描述设备所包含的全部服务及其子设备的属性信息，提供与控制点之间的互操作能力。服务是UPnP设备中最小的逻辑控制单元，以动作和状态变量描述其设备功能。控制点可以发现、控制多个UPnP设备，获取设备与服务描述文档，调用服务动作，订阅服务事件。控制点可以单独存在，也可集成在UPnP设备上。如图1所示[1]。

UPnP定义了设备寻址、发现、描述、控制、事件、表示六个方面的设备互操作机制，流程如图2所示。下面介绍一下UPnP设备的具体工作过程[1]。

1）设备寻址。

UPnP设备可以动态加入网络，自动获取IP地址。UPnP提供了DHCP、AutoIP两种寻址方式。首先，设备向DHCP服务器发送DHCP DISCOVER消息，如果DHCP服务器可用，则设备获得动态分配的IP地址。如果在指定时间内未收到DHCP OFFERS回应消息，则设备使用AutoIP机制，在169.254/169.16地址范围内获取一个空闲IP地址。使用AutoIP的设备必须周期性检测DHCP服务器是否存在，如果发现可用，设备必须重新向DHCP服务器申请新地址，释放AutoIP分配的地址，并向网络发送新的广告消息。

2）设备发现。

一旦设备分配了IP地址，即向网络发送广告消息，宣告它的存在及服务能力；由控制点寻找网络上感兴趣的设备及服务。设备发现由简单服务发现协议（SSDP）定义，SSDP建立在HTTPU、HTTPMU基础上，保留组播地址和端口号239.255.255.250:1900，用于设备发送上线声明和离开消息、控制点发送可用资源查询消息。SSDP通过定期发送这些声明消息来确定设备的存在与可用性。如果设备存在多个子设备，将会多目传送一系列广告消息ssdp:alive，公开它的子设备及服务。当设备离开网络时，要发送一系列声明消息ssdp:byebye，表示它包含的设备和服务已经失效。

3）设备描述。

控制点发现设备后，仍对设备了解很少，仅从发现消息中知道设备类型、设备UUID和设备描述的URL。因此，控制点必须通过URL取得设备描述文档，获知更多的设备及其服务信息。设备描述文档分为设备描述和服务描述两部分，采用XML格式表达。

4）设备控制。

控制点获取设备及其服务描述后，可以调用服务动作，查询设备状态变量。动作请求实质就是远程过程调用（RPC），控制点向设备发送服务动作请求，设备响应并完成服务动作后，返回执行结果，这是通过修改状态变量值来实现的。控制点通过轮询状态变量，获知设备的当前运行状态。设备控制采用简单对象访问协议（SOAP）实现HTTP上的动作调用。每个UPnP控制请求都是一个SOAP消息，包含调用动作名及一组参数；设备响应也是SOAP消息，包括状态返回值。

5）设备事件。

UPnP设备服务描述了一组实现设备功能的动作和模拟设备运行的状态变量列表。当状态变量被更新时，设备会事件通知消息。控制点通过订阅服务，及时了解设备的状态变化。通用事件通知结构（GENA）定义了通过HTTP over TCP、UDP收发设备状态变更的事件通知机制。控制点可以向设备订阅服务，在订阅到期之前重新续订服务，也可取消服务订阅。设备的状态变化会通过事件消息，通知到所有订阅服务的控制点。

6）设备表示。

UPnP设备描述中提供了HTML表示页面的URL，控制点可通过presentation URL浏览设备网页，根据Web页面的操作选项对设备进行查询与控制，此页面可完全由设备制造商提供。

2UPnP家庭网关的功能分析

UPnP家庭网关是家庭网络的核心设备，提供家庭内部不同设备类型、子网结构的桥接能力，满足家庭网络设备的互操作性；同时连接Internet，支持广域网服务器对家庭终端的配置管理，为宽带服务的自动部署提供统一透明的安全通道。

围绕远程配置管理这一设计目标，UPnP家庭网关涉及的功能需求主要包括网络接口、网络协议和配置管理，其总体结构框架如图3所示。

家庭网关的网络接口分为WAN接口和LAN接口两个部分，通过路由或桥接方式连接家庭内外网络。在本文设计中，WAN接口支持ADSL，用于电信网络与家庭网络的连接，为家庭终端的远程配置管理提供通路。LAN接口支持Ethernet和WLAN。为屏蔽不同网络接口的异构性，采用UPnP技术，可以实现家庭网络设备的互联共享。

3配置管理

在电信网络的运营管理中，服务管理有赖于接入管理的网络支撑，分别有各自的管理域。接入管理域位于宽带接入服务器（BRAS）和家庭网关（HGW）之间的宽带接入网，提供点对点逻辑连接。服务管理域扩大到自动配置服务器（ACS）以外的网络范围，甚至延伸到家庭网络，如图4所示。因此，家庭网关的配置管理由用户和电信运营商共同协商完成，以增强家庭网关的可配置管理性。用户可以控制运营商管理网关的程度，如对配置参数的修改；运营商也可限制用户管理网关的能力，如设置用户对网关配置的只读权限。家庭网关的配置管理采用“服务”驱动，网关以“pull”模式获取来自ACS的配置数据，ACS以“push”模式完成对网关的配置活动。通过服务需求，触发对网关逐级分层的自动配置，类似于协议栈，上层服务依赖下层连接和配置的支持。自动配置涉及一系列管理域，每个管理域对应到一个网络层的配置。跨域的服务配置使不同管理域信息既相互独立又相互关联，为网络管理带来了很大的灵活性[2]。

3.1WAN侧的配置管理

一旦家庭网关建立了PPP/IP连接，分配了IP地址，就会发送DHCP INFORM消息，此消息包含网关设备标识、IP地址；BRAS返回携带配置信息的DHCP ACK应答，包含ACS服务器URL、服务分类信息。这样，家庭网关就可以与ACS连接通信了，并且允许双方在需要时都能主动发起连接。

TCP/IP层之上的配置管理，支持家庭网关在ACS的远程管理配合下完成宽带服务的自动发放，是面向应用层的管理。用户通过家庭网关向ACS请求服务，ACS的北向接口与各服务运营网相连，提供语音、视频、数据等宽带服务，ACS通过服务配置管理器获取控制策略，实现对家庭网关的自动配置，为家庭网关获取不服务类型、级别的宽带服务提供支持和保障[3]。

3.2LAN侧的配置管理

家庭网关在LAN侧的配置管理基于UPnP技术，由家庭网络内部具有控制点功能的设备完成，如PC等。这种配置方法是对家庭网关远程管理的一种补充与完善，家庭网络控制点对网关的配置变化，应能被ACS识别、控制，使电信运营商与用户共同具有管理家庭网关的能力。运营商为用户提供网关设备、账户、服务等关联信息、配置文件、管理程序，供用户安装使用。用户可以在PC机上运行安装盘，通过家庭网络，连接到家庭网关，经身份识别后，实现对家庭网关的配置管理[4]。

3.3WAN侧到LAN侧的配置管理

为了使电信宽带服务能够直接延伸、推送到家庭网络内部，而不是终结在家庭网关上，家庭网关支持ACS对家庭终端的远程管理。此时，家庭网关和家庭终端统一由ACS管理。ACS通过家庭网关获知家庭终端与网关的连接关系；家庭终端通过网关获得ACS的URL及服务信息，就能透过UPnP网关的NAT Traversal主动发起与ACS的连接了。借助家庭网关的桥接与路由，ACS可以了解家庭网络的拓扑信息，直接管理到每个终端设备上，如IP电话、机顶盒等，而不是把家庭网关作为网管，从而简化了家庭网关的功能，增强了网络设备的互操作性，体现了家庭网关可运营、可管理的服务特性。

ACS通过查看家庭网关上报的终端设备信息，获得具体设备ID及其私网IP地址，打成SOAP报文后，通过家庭网关请求连接；此时，网关做中继，解析出其中的私网IP地址，作为目的地址再转发到指定的家庭终端上；终端将会对报文中的设备ID做比较，并对ACS进行身份认证，若鉴权成功，即可触发家庭终端主动发起与ACS的连接请求与交互事务。这种远程管理方式要求家庭终端还要支持CWMP终端管理协议。

4总体设计思想

家庭网关是连接家庭网络与电信网络的通信设备，首先应立足家庭，满足家庭网络设备的互操作性。UPnP技术使用TCP/IP、HTTP、SSDP、GENA、SOAP等多种基本协议，能够屏蔽硬件设备、网络技术、系统平台的异构性，为用户面向应用层的开发提供通用化的网络平台；另一方面，基于家庭网关面向运营的特性，采用TR069技术（CWMP）实现ACS对家庭网关及终端设备的配置管理，帮助电信运营商将宽带服务引入家庭。

如何将广域网的TR069技术和家庭网络的UPnP协议框架相结合？

现存问题:现有的网关设备，不一定都支持UPnP网络功能，即使支持，通常的做法是把UPnP作为一个独立的功能模块来实现，在主控模块中设置UPnP标识，用来启用、禁止UPnP功能。这种开发方法使UPnP与网关的其他功能相互无关，无法向在线网络设备公布网关的服务能力，并未在真正意义上实现家庭网络设备的互操作性。

改进方法:UPnP标准不仅定义了设备间的互操作机制，还提供了统一的软件设计模板，具有可复用的应用开发框架。在UPnP框架基础上，将网关设备的功能逐一定义为服务，是开发UPnP设备的良策，并且符合数字家庭网络的发展趋势。

因此，本文在UPnP网关设备之上增加配置管理服务。因为UPnP标准允许用户自定义扩展服务，且服务动作的调用均采用RPC方法；而在TR069中规定，ACS和CPE之间的通信同样采用RPC方法，因此，两者在实现技术上正好吻合。只要将CPE提供给ACS调用的RPC方法，作为服务动作定义在UPnP网关新增的管理服务中，即可在符合UPnP协议框架基础上，实现家庭网关的配置管理功能。

5管理协议栈

UPnP家庭网关管理协议栈是一个多层次协议框架，相邻层之间互相依托，符合UPnP的标准。除了特有的SSDP、GENA、SOAP等协议外，与UPnP的唯一区别就是在TCP与HTTP协议之间加了安全套接层SSL协议，为远程管理提供数

据传输的安全机制。在UPnP基础协议之上，定义了Internet网关设备，最上层实现了配置管理的应用。

6总体设计结构

家庭网关的设计完全基于UPnP标准架构，包括UPnP设备和控制点两部分功能，其中，控制点主要完成与ACS之间的通信。总体设计结构如图7所示。

UPnP标准库，提供了一组UPnP标准的应用编程接口，用以实现面向应用层的UPnP设备开发。

初始化模块，完成设备寻址、设备发现的网关上线过程。

设备主控模块，等待控制点的请求消息，包括：设备控制、服务订阅、网关Web页面的访问。

设备描述文档，以XML格式描述网关设备及其服务信息，供控制点了解设备的服务能力。

设备控制，定位控制点所访问的设备服务，处理控制点对服务动作的调用请求。

事件通知，定位控制点所访问的设备服务，完成服务订阅，并将状态变量以事件通知给控制点。

设备表示，以HTML页面表示网关设备信息，为控制点的访问提供一种基于Web的管理。

设备服务和管理服务，网关设备定义了十二个服务，每个服务对应一个独立的功能模块，由一组服务动作（方法）实现。

控制点主控模块，完成发现、控制家庭网络设备的互操作功能。

SSL Server模块，接收来自远程ACS的连接请求消息，对网关的连接请求，转调SSL Client模块；对家庭终端的连接请求，网关做中继，转发至对应终端。

SSL Client模块，主动建立与ACS连接，ACS调用UPnP设备服务动作，并将网关状态变化信息及时通知给ACS，实现ACS对家庭网关的配置管理。

7结语

在对UPnP家庭网关配置管理方法的设计中，本文始终围绕家庭网关立足家庭、面向运营的特性，这种家庭网关不仅满足家庭网络设备的互操作性，同时具有可运营、可管理的应用模式。在具体技术实现上，将电信网络的TR069终端管理技术与家庭网络的UPnP协议框架相结合。这在家庭网关乃至家庭终端的实现方法上是一种创新的尝试，为数字家庭产品研发者建立真正具有互操作性的家庭网络提供借鉴。

在家庭网关上实现配置管理功能，旨在为家庭网络引入并开展宽带服务，使大规模服务的自动部署成为可能。本文提供多种配置方法，可分别从家庭网关的LAN侧接口和WAN侧接口进行配置管理；也可通过家庭网关的NAT透传与地址解析，将远程管理扩展到家庭网络内部设备上，从而实

现ACS与家庭终端的直接关联与配置管理，在技术上为电信运营商将宽带服务延伸到家庭网络内部提供了理论依据，更好地体现了家庭网关可运营、可管理的特性。

致谢：

本文的设计工作是在深圳风华比特通讯技术有限公司的家庭网关开发实验室进行的，工作中得到了企业领导的大力支持。在此向他们表达衷心的感谢！