基于SIP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)研究.pdf

1、隨著人們生活水平的提高和自身對(duì)生活環(huán)境的不斷追求，智能家居成為未來生活的必然需求之一，而家庭網(wǎng)關(guān)是智能家居內(nèi)外連接通信的核心，是進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、視頻監(jiān)控、多媒體通信等的載體，對(duì)智能家居家庭網(wǎng)關(guān)的研究已經(jīng)成為世界熱點(diǎn)之一。 本文針對(duì)現(xiàn)有智能家居家庭網(wǎng)關(guān)不能解決不同標(biāo)準(zhǔn)終端混合接入問題，率先提出了家庭網(wǎng)關(guān)P2P化的解決方案，解決了混合終端接入問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了智能小區(qū)資源共享，優(yōu)化了家庭網(wǎng)關(guān)的路由算法，并提出了家庭網(wǎng)關(guān)P2P環(huán)境下應(yīng)該進(jìn)

2、行的健壯性研究。本文在總體開發(fā)方案上采用嵌入式開發(fā)流程，以QQ2440V3開發(fā)板為基板，對(duì)Linux系統(tǒng)、應(yīng)用軟件進(jìn)行相應(yīng)的裁剪和移植，實(shí)現(xiàn)了論文設(shè)計(jì)的家庭網(wǎng)關(guān)的軟硬件平臺(tái)。 為實(shí)現(xiàn)基于SIP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)，本文做了大量的研究工作： （1）在對(duì)比H．323協(xié)議基礎(chǔ)上，將3GPP和IETF推崇的SIP協(xié)議引入家庭網(wǎng)關(guān)，使得家庭網(wǎng)關(guān)能夠更好的接入下一代核心網(wǎng)和3G網(wǎng)絡(luò)，并且基于SIP協(xié)議的家庭網(wǎng)關(guān)能夠支持豐富的多媒體功能

3、。SIP協(xié)議通過擴(kuò)展信息包頭可以方便的實(shí)現(xiàn)新功能的拓展，極大的提升了家庭網(wǎng)關(guān)的擴(kuò)展性。 （2）為實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)SIP終端接入智能家居及實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能小區(qū)的資源共享，本文引入Chord算法，使整個(gè)智能小區(qū)的家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)成Chord環(huán)。智能家居終端信息和智能小區(qū)共享信息按照Chord算法均衡的存儲(chǔ)于各個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)的SDRAM中，利用Chord路由算法能夠?qū)崿F(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)混合終端之間的定位與會(huì)話。 （3）為方便智能家居終端布線，本文采用Zi

4、gbee技術(shù)設(shè)計(jì)了無線收發(fā)模塊，其性能遠(yuǎn)優(yōu)越于藍(lán)牙技術(shù)，使得家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了有線終端和無線混合的靈活接入，提升了用戶體驗(yàn)。 （4）將RADIUS認(rèn)證軟件和iptables防火墻進(jìn)行ARM平臺(tái)移植，配合SIP協(xié)議本身支持加密傳輸，使得整個(gè)智能家居的安全性得到極大的提升。 （5）本文設(shè)計(jì)的家庭網(wǎng)關(guān)中，SIP協(xié)議采用OpenSER協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，并且為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)其與RADIUS認(rèn)證機(jī)制的融合，本文修改了OpenSER協(xié)議棧、RAD

5、IUS認(rèn)證模塊的相關(guān)配置，實(shí)現(xiàn)了RADIUS認(rèn)證軟件、OpenSER協(xié)議棧、Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)的整合。 （6）家庭網(wǎng)關(guān)P2P化方案解決了不同標(biāo)準(zhǔn)混合終端接入及智能小區(qū)資源共享問題，但是同時(shí)也使得家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于新的、復(fù)雜的環(huán)境，為進(jìn)一步提升整個(gè)智能家居乃至于智能小區(qū)的健壯性，本文提出了P2P環(huán)境家庭網(wǎng)關(guān)健壯性研究包括的內(nèi)容，并研究和設(shè)計(jì)了相關(guān)的健壯性機(jī)制。 本文在對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行硬件平臺(tái)架構(gòu)和軟件平臺(tái)

6、架構(gòu)。其中硬件平臺(tái)是在QQ2440V3開發(fā)板基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)的，根據(jù)本文設(shè)計(jì)家庭網(wǎng)關(guān)的使用環(huán)境，對(duì)Internet接口模塊進(jìn)行改進(jìn)，使用DM9000芯片替代CS8900a，使得家庭網(wǎng)關(guān)可以接入100Mbits/S的物理連接。Internet接口模塊的改進(jìn)，滿足家庭網(wǎng)關(guān)多媒體通信和數(shù)字電視接入的要求。在硬件平臺(tái)中，主要設(shè)計(jì)開發(fā)了Zigbee無線收發(fā)模塊，使用Freescale的MC13193作為家庭網(wǎng)關(guān)的無線射頻芯片，MC13193和F

7、reescale的無線控制器芯片MC9S08GT60 一起組成無線收發(fā)模塊。采用MC13193和MC9S08GT60構(gòu)成無線收發(fā)模塊直接通過串口與微處理器連接，不用設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)Zigbee協(xié)議棧，極大的縮減了家庭網(wǎng)關(guān)的研發(fā)成本和研發(fā)周期。家庭網(wǎng)關(guān)的軟件平臺(tái)架構(gòu)分為嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)，本文中主要研究了應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)分為boot—loader、系統(tǒng)內(nèi)核、文件系統(tǒng)的裁剪和ARM移植。應(yīng)用軟件的研究包含Open—SER協(xié)

8、議棧、RADIUS認(rèn)證、Chord算法，OpenSER協(xié)議棧的ARM移植在家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了SIP協(xié)議，為多媒體通信提供了載體；RADIUS認(rèn)證模塊的ARM移植使得家庭網(wǎng)關(guān)更加安全，通過修改配置文件實(shí)現(xiàn)了與OpenSER協(xié)議棧、Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)的融合；Chord算法是本文實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)P2P化的關(guān)鍵，通過SHA-1算法具體來實(shí)現(xiàn)Chord算法，設(shè)計(jì)了Chord算法的功能模塊并研究了模塊間的通信機(jī)制。 為解決不同標(biāo)準(zhǔn)混合終端接入問題，家庭

9、網(wǎng)關(guān)將運(yùn)用在P2P環(huán)境下，新的使用環(huán)境使得家庭網(wǎng)關(guān)的健壯性具有新的特點(diǎn)。本文對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的健壯性研究主要分為四個(gè)方面：家庭網(wǎng)關(guān)外部連接健壯性、家庭網(wǎng)關(guān)資源轉(zhuǎn)移備份、Chord算法三表及時(shí)更新、Chord算法路由優(yōu)化。家庭網(wǎng)關(guān)外部連接健壯性研究使得終端消息及會(huì)話能夠被路由，防止單鏈路的中斷；家庭網(wǎng)關(guān)資源轉(zhuǎn)移備份使得家庭網(wǎng)關(guān)保存的非標(biāo)準(zhǔn)SIP終端消息和共享消息能夠在家庭網(wǎng)關(guān)重啟時(shí)得到有效的保護(hù)；Chord算法三表指的是FingerTable、

10、反向FingerTable、后繼備份表，F(xiàn)ingerTable在消息路由時(shí)有著至關(guān)重要的作用，反向FingerTable和后繼備份表主要在家庭網(wǎng)關(guān)資源轉(zhuǎn)移備份時(shí)使用。FingerTable和反向FingerTable在本文設(shè)計(jì)時(shí)采用事件觸發(fā)更新，后繼備份表使用heartbeat參數(shù)來進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。Chord算法三表的更新反映了Chord網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，將對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)終端之間的定位、呼叫、會(huì)話產(chǎn)生決定作用；家庭網(wǎng)關(guān)處理的信息量大，信息路

11、由速度是其健壯性的直接體現(xiàn)，本文中根據(jù)家庭網(wǎng)關(guān)中設(shè)計(jì)的FingerTable和反向FingerTable將Full Chord路由算法引入，使得路由效率相對(duì)于原始Chord算法提高了將近50％。 為驗(yàn)證基于SIP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)的性能，本文對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了功能測(cè)試，并截取了標(biāo)準(zhǔn)SIP終端語音會(huì)話、視頻會(huì)話及不同標(biāo)準(zhǔn)混合終端三方會(huì)議三個(gè)典型試驗(yàn)的運(yùn)行圖像。測(cè)試試驗(yàn)說明本文設(shè)計(jì)的家庭網(wǎng)關(guān)功能達(dá)到論文開題要求，支持多媒體通信，解決

12、了不同標(biāo)準(zhǔn)混合終端接入問題?；赟IP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)還在杭州地區(qū)進(jìn)行了規(guī)模性實(shí)際使用，取得了良好的效果。 基于SIP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)： （1）提出了家庭網(wǎng)關(guān)P2P化的方案，將Chord算法引入到智能小區(qū)以實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)建Chord環(huán)，解決了智能家居不同標(biāo)準(zhǔn)混合終端接入問題，實(shí)現(xiàn)了智能小區(qū)資源的共享。 （2）提出了在P2P環(huán)境下家庭網(wǎng)關(guān)健壯性機(jī)制新的特點(diǎn)，并且進(jìn)行了相關(guān)健壯性研究。