An Approach to Multi-Protocol Integration
　　of Home Network
　　SONG Wei-jia1, CHEN Ping1, Yang jia1, Zhang bei1
　　(Computer Center, Peking University, Beijing 100871, China)
　　Abstract: The competition of a number of home network protocols emerge as obstacle to development of home network. This paper introduces an approach to multi-protocol integration, and discusses its reasonable trade-off between interoperability and viability. This approach adopts UPnP as core network protocol, and wraps other home network protocols into UPnP devices respectively. Based on such an approach, a reference home gateway design, which connects SJ/T 11314-2005 wireless protocol to the UPnP core network, is also presented in this paper.
　　Key words: home network, home gateway, interoperability, UPnP

　　1  引言

　　家庭网络的出现，为人类生活创造了新的可能：主人在办公室监控家里的情况；医院远程实时了解病人在日常生活中的生理状况；用一个遥控器控制家里所有的电器。虽然应用前景广阔，家庭网络标准之间的竞争(DLNA、ITopHome、IGRS、Zigbee、Z-Wave、CEBus、Echonet等)导致家庭网关和家电厂商难以选择一种协议作为自己产品的标准。这反而阻碍了家庭网络的发展。这个问题引起了不少研究者的注意，他们在不同协议之间的互操作性上展开了研究并取得了成果。总的研究思路倾向于试图引入一种新协议，以涵盖其他所有协议。这种思路面临两方面问题：一方面协议的实现难度较大，另一方面新协议容易受到已有协议挑战。针对这个问题，本文采取对互操作性和可行性进行折中的思路，提出了一种多协议家庭网络融合方法，以实现多种家庭网络协议的接入和互操作。

　　本文的结构如下：第2节总结前人在协议融合方面的经验；第3节对互操作性进行分析，然后提出一种以UPnP为核心主网协议的多协议融合方法；第4节基于这种多协议融合方法，介绍一种多协议家庭网关的参考设计，将国标SJ/T 11314-2005无线网络接入UPnP主网；第5节小结。

　　2  协议融合简介

　　协议融合指通过各种手段实现不同协议的设备互联互操作(interoperability)。比如，用UPnP的控制点控制Zigbee网络的终端设备。
　　为了让不同家庭网络协议的设备实现互操作，从2002年起，国际ISO/IEC JTC 1的家庭电子系统工作组SC25开始产品互操作性方面的标准化准备工作，2003年11月通过了ISO/IEC FDIS 18012-1，即“Information technology-Home Electronic System-Guidelines for product interoperability-Part1: introduction”。目前，18012标准的part 2: Taxonomy and lexicon目前正在讨论之中。2005年9月，在北京召开的SC25工作会议文档中，该互操作框架涵盖的家庭网络协议包括：欧洲的Konnex、中国的IGRS和iTopHome、日本的Echonet、韩国的CCP，以及LonTalk等。BACnet 是由ASHRAE协会赞助的项目，早在1995年就已经启动；其目的在于设计一个通用的数据通信协议来构建楼宇自动化/控制网络(Building Automation and Controls network)。BACnet设计者认为，与其在不同的协议标准中进行选择，还不如设计一种通用的协议，在这种协议的基础之上，为每个协议实现一个协议转换网关，以实现诸如EIB、LonTalk、BatiBus等协议之间的互联互操作。国标SJ/T11316-2005家庭网络体系结构及参考模型[1]建议采用子网关的形式，实现国标SJ/T11314-2005控制子网[2]和IP主网之间的互通互联，但标准中仅涉及这两种网络。

　　3  协议融合方法

　　3.1 互操作性分析

　　在不同的家庭网络协议中，实体概念不同、分工差异显著：例如UPnP[3]中的主要实体是设备(Device)和控制点(Control Point)。而Zigbee[4]网络中的实体有三类：路由器(Router)、协调器(Coordinator)和终端设备(End Device)。因此，实现设备的互操作性是一件较困难的事情。

　　想像未来一个家庭的情况：有线和无线的以太网覆盖整个家庭，将电视机(客厅电脑)、个人电脑、音响设备、DVD视盘机、游戏机、手机等设备连接起来，上面运行着IP协议之上再是UPnP协议，构成数据通信网络的基础设施；Zigbee将照明设备、墙壁开关、新风换气、电动门窗互联起来，国标SJ/T11314-2005无线网络将空调、洗衣机、微波炉等控制类设备连接起来，形成控制网络的基础构架。家庭成员可能在电视机上去操控电灯或者用统一遥控器控制空调；却不太可能用某个墙壁上的电灯开关来调节电视机频道或者控制网络游戏中的某个角色射击目标。因此，在家庭网络中，我们并不需要做到完全的互操作(任何不同协议的设备之间相互控制)。

　　一种可行的思路是仅实现部分的互操作性，从而降低难度，但不失一般性和可操作性。

　　3.2 多协议融合方法

　　UPnP协议设计灵活，控制点和设备可以随时加入和离开，只要拥有一个IP地址，不需要任何配置；UPnP用XML描述一个设备及其功能，可扩展性强；UPnP节点需要支持TCP/IP协议栈和XML解析器，节点的计算能力一般较强，适合作为用户交互设备；UPnP协议在TCP/IP网络上运行，而TCP/IP可支持的网络应用很丰富。基于以上几个原因，本方法选择UPnP协议作为家庭网络的核心网络，称之为“主网”，其他的网络协议(称为“子网”)则利用适配器接入。适配器是一个逻辑概念，可以设计为运行在家庭网关上的软件模块(在下面将会看到)，或者运行在子网的某控制设备上的软件模块，或者设计为一个单独的物理设备运行；适配器一方面作为一个UPnP设备接入UPnP网络，另一方面作为子网上的控制设备对子网进行管理；构成了主网和子网之间的桥梁。
　　如图1所示，图中展示了将国标SJ/T11314-2005网络和Zigbee网络接入UPnP主网的示例。以Zigbee网络为例，Zigbee网络中的一个Coordinator被实现为UPnP设备，成为Zigbee适配器。Zigbee适配器维护一个在Zigbee网络上的在线设备列表(对应着当前Zigbee网络上的在线设备，并记录着它们的功能)，把它广播到UPnP网络上去。UPnP的控制点就发现这些设备，并刷新用户界面通知用户。如果用户使用UPnP控制点(如统一遥控器)对某Zigbee设备(如窗帘)进行操作(拉开窗帘)，Zigbee适配器收到UPnP的控制请求后，察看设备列表，并将控制请求转换为Zigbee请求，发送给对应的Zigbee设备(窗帘)以产生动作(拉开窗帘)；Zigbee适配器收到动作完成的确认后，将成功的结果返回给UPnP控制点(统一遥控器)，同时用UPnP的eventing机制通知其他控制点关于子设备窗帘的状态变化。国标SJ/T11314-2005适配器以及其他它协议的情况类推。

　　4  多协议网关设计

　　4.1 多协议家庭网关构架

　　基于第3节所述的协议融合方法，我们提出了一种家庭网关软件体系结构来实现多协议融合，如图2所示。
　　网关软件系统由如下一系列功能组件搭建而成。
　　操作系统/IPv6协议栈构成了家庭网关软件的运行平台。平台可选：嵌入式(实时)Linux、VxWorks、QNX、Windows CE等。

　　用户接口组件向用户提供管理和使用网关的接口，有语音电话和Web两种界面方式；该组件的另一个功能是设备控制界面生成[5]。

　　设备管理组件管理设备命名、情景模式、告警设置等配置信息。