基于SIP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關研究.pdf

1、隨著人們生活水平的提高和自身對生活環(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)關是智能家居內外連接通信的核心，是進行遠程控制、視頻監(jiān)控、多媒體通信等的載體，對智能家居家庭網(wǎng)關的研究已經(jīng)成為世界熱點之一。 本文針對現(xiàn)有智能家居家庭網(wǎng)關不能解決不同標準終端混合接入問題，率先提出了家庭網(wǎng)關P2P化的解決方案，解決了混合終端接入問題，同時實現(xiàn)了智能小區(qū)資源共享，優(yōu)化了家庭網(wǎng)關的路由算法，并提出了家庭網(wǎng)關P2P環(huán)境下應該進

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Linux系統(tǒng)、應用軟件進行相應的裁剪和移植，實現(xiàn)了論文設計的家庭網(wǎng)關的軟硬件平臺。 為實現(xiàn)基于SIP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關，本文做了大量的研究工作： （1）在對比H．323協(xié)議基礎上，將3GPP和IETF推崇的SIP協(xié)議引入家庭網(wǎng)關，使得家庭網(wǎng)關能夠更好的接入下一代核心網(wǎng)和3G網(wǎng)絡，并且基于SIP協(xié)議的家庭網(wǎng)關能夠支持豐富的多媒體功能

3、。SIP協(xié)議通過擴展信息包頭可以方便的實現(xiàn)新功能的拓展，極大的提升了家庭網(wǎng)關的擴展性。 （2）為實現(xiàn)非標準SIP終端接入智能家居及實現(xiàn)整個智能小區(qū)的資源共享，本文引入Chord算法，使整個智能小區(qū)的家庭網(wǎng)關構成Chord環(huán)。智能家居終端信息和智能小區(qū)共享信息按照Chord算法均衡的存儲于各個家庭網(wǎng)關的SDRAM中，利用Chord路由算法能夠實現(xiàn)不同標準混合終端之間的定位與會話。 （3）為方便智能家居終端布線，本文采用Zi

4、gbee技術設計了無線收發(fā)模塊，其性能遠優(yōu)越于藍牙技術，使得家庭網(wǎng)關實現(xiàn)了有線終端和無線混合的靈活接入，提升了用戶體驗。 （4）將RADIUS認證軟件和iptables防火墻進行ARM平臺移植，配合SIP協(xié)議本身支持加密傳輸，使得整個智能家居的安全性得到極大的提升。 （5）本文設計的家庭網(wǎng)關中，SIP協(xié)議采用OpenSER協(xié)議棧實現(xiàn)，并且為了進一步實現(xiàn)其與RADIUS認證機制的融合，本文修改了OpenSER協(xié)議棧、RAD

5、IUS認證模塊的相關配置，實現(xiàn)了RADIUS認證軟件、OpenSER協(xié)議棧、Mysql數(shù)據(jù)庫的整合。 （6）家庭網(wǎng)關P2P化方案解決了不同標準混合終端接入及智能小區(qū)資源共享問題，但是同時也使得家庭網(wǎng)關應用于新的、復雜的環(huán)境，為進一步提升整個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)關健壯性研究包括的內容，并研究和設計了相關的健壯性機制。 本文在對家庭網(wǎng)關進行總體設計的基礎上，分別進行硬件平臺架構和軟件平臺

6、架構。其中硬件平臺是在QQ2440V3開發(fā)板基礎上進行二次開發(fā)的，根據(jù)本文設計家庭網(wǎng)關的使用環(huán)境，對Internet接口模塊進行改進，使用DM9000芯片替代CS8900a，使得家庭網(wǎng)關可以接入100Mbits/S的物理連接。Internet接口模塊的改進，滿足家庭網(wǎng)關多媒體通信和數(shù)字電視接入的要求。在硬件平臺中，主要設計開發(fā)了Zigbee無線收發(fā)模塊，使用Freescale的MC13193作為家庭網(wǎng)關的無線射頻芯片，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構成無線收發(fā)模塊直接通過串口與微處理器連接，不用設計和實現(xiàn)Zigbee協(xié)議棧，極大的縮減了家庭網(wǎng)關的研發(fā)成本和研發(fā)周期。家庭網(wǎng)關的軟件平臺架構分為嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)和應用軟件實現(xiàn)，本文中主要研究了應用軟件實現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)的實現(xiàn)分為boot—loader、系統(tǒng)內核、文件系統(tǒng)的裁剪和ARM移植。應用軟件的研究包含Open—SER協(xié)

8、議棧、RADIUS認證、Chord算法，OpenSER協(xié)議棧的ARM移植在家庭網(wǎng)關實現(xiàn)了SIP協(xié)議，為多媒體通信提供了載體；RADIUS認證模塊的ARM移植使得家庭網(wǎng)關更加安全，通過修改配置文件實現(xiàn)了與OpenSER協(xié)議棧、Mysql數(shù)據(jù)庫的融合；Chord算法是本文實現(xiàn)家庭網(wǎng)關P2P化的關鍵，通過SHA-1算法具體來實現(xiàn)Chord算法，設計了Chord算法的功能模塊并研究了模塊間的通信機制。 為解決不同標準混合終端接入問題，家庭

9、網(wǎng)關將運用在P2P環(huán)境下，新的使用環(huán)境使得家庭網(wǎng)關的健壯性具有新的特點。本文對家庭網(wǎng)關的健壯性研究主要分為四個方面：家庭網(wǎng)關外部連接健壯性、家庭網(wǎng)關資源轉移備份、Chord算法三表及時更新、Chord算法路由優(yōu)化。家庭網(wǎng)關外部連接健壯性研究使得終端消息及會話能夠被路由，防止單鏈路的中斷；家庭網(wǎng)關資源轉移備份使得家庭網(wǎng)關保存的非標準SIP終端消息和共享消息能夠在家庭網(wǎng)關重啟時得到有效的保護；Chord算法三表指的是FingerTable、

10、反向FingerTable、后繼備份表，F(xiàn)ingerTable在消息路由時有著至關重要的作用，反向FingerTable和后繼備份表主要在家庭網(wǎng)關資源轉移備份時使用。FingerTable和反向FingerTable在本文設計時采用事件觸發(fā)更新，后繼備份表使用heartbeat參數(shù)來進行實時更新。Chord算法三表的更新反映了Chord網(wǎng)絡的拓撲結構變化，將對家庭網(wǎng)關終端之間的定位、呼叫、會話產(chǎn)生決定作用；家庭網(wǎng)關處理的信息量大，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)關中設計的FingerTable和反向FingerTable將Full Chord路由算法引入，使得路由效率相對于原始Chord算法提高了將近50％。 為驗證基于SIP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關的性能，本文對家庭網(wǎng)關進行了功能測試，并截取了標準SIP終端語音會話、視頻會話及不同標準混合終端三方會議三個典型試驗的運行圖像。測試試驗說明本文設計的家庭網(wǎng)關功能達到論文開題要求，支持多媒體通信，解決

12、了不同標準混合終端接入問題?；赟IP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關還在杭州地區(qū)進行了規(guī)模性實際使用，取得了良好的效果。 基于SIP協(xié)議的嵌入式家庭網(wǎng)關具有以下創(chuàng)新點： （1）提出了家庭網(wǎng)關P2P化的方案，將Chord算法引入到智能小區(qū)以實現(xiàn)家庭網(wǎng)關構建Chord環(huán)，解決了智能家居不同標準混合終端接入問題，實現(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)關健壯性機制新的特點，并且進行了相關健壯性研究。