基于家庭自動化變量安全操作協議異構網關的研究與設計

何雨　徐　鄒濟安　關明

摘 要：針對家庭自動化場景中網絡結構的不統一，兼容性不足的問題，結合當前智能家居網絡市場的需求點，文章設計了一種能夠兼容各種不同網絡的應用層協議變量安全操作協議VSOP（Variable Security Operation Protocol）。協議的主要應用在于能夠移植到不同網絡模式中，并基于可插拔的協調器接入網關平臺實現異構的功能。同時使用多線程技術實現多客戶實時服務，將底層設備的數據發送到所有在線的客戶端，實現多終端同步的應用。

關鍵詞：智能家居；應用層協議；互聯互通；異構網關

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0088-02

Abstract： Aiming at the problem of the inconsistency and compatibility of the network structure in the home automation scene， combined with the demand point of the current smart home network market， This paper designs an application-layer protocol variable security operation protocol VSOP （Variable Security Operation Protocol） which can be compatible with different networks. The main application of the protocol is that it can be transplanted to different network modes， and the heterogeneous function can be realized based on the pluggable coordinator access gateway platform. At the same time， multi-client real-time service is realized by using multi-thread technology， and the data of the underlying device is sent to all online clients to realize the application of multi-terminal synchronization.

Keywords： smart home； application layer protocol； interconnection； heterogeneous gateway

隨著智能設備產品的更新換代，每種來自不同廠商的智能設備都具有獨立的通信控制協議，家庭自動化用戶在使用這些智能設備的時候就需要對應安裝不同產品的控制軟件，對于用戶來說是相當不方便的，因此，在廠商的利益角逐面前，家庭自動化通信協議很難推出一款簡單便捷的控制協議來實現互聯互通的目的。在通信協議方面各大廠商由于利益的問題很難達成統一協議的共識，同時每個廠商運用的通信協議也有著自己獨特的優勢，因此在底層協議上想要為互聯互通做出重大進展就目前而言是不切實際的。因此，本文設計了一種在家庭自動化多網絡環境下實現智能家居設備互聯互通的基于VSOP（Variable Secure Operable Protocol）變量安全操作協議的異構網關，在應用層實現網絡異構，解決不同協議之間的互聯互通問題[1]。

1 協議架構介紹

綜合不同家庭環境下的自動化網絡系統應用層的特點，以及考慮到家庭自動化的一般需求，VSOP將基于國標中建議的報文格式，實現消息處理對等、加密模式可選、具備訪問控制、具備異常診斷、資源變量化描述和協議高可嵌入等能力，從而設計符合變量化、信息安全的、互操作技術要求的智能家居自動化設備應用層協議。VSOP可劃分為ADU（Application Data Unit，應用數據單元）、PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元），協議實現一個報文最低只需11 字節[2]，且加密區符合最低8字節要求，如圖1所示。

VSOP具備如下特點：（1）采用變量操作和二進制報文格式，精簡高效，變量地址寬度為8位。（2）可選的安全加密模式和按鍵雙向驗證規范。（3）識別碼用于識別報文的加密方式（高4位）和報文編號機制（低4位）。（4）具備變量描述規范，可實現設備資源共享和指令生成。（5）規定統一的功能碼和對等的操作方式，并允許擴展。（6）通信即滿足請求響應模式，又允許設備主動發送數據。（7）時間碼是報文流水號，配合加密和校驗碼可以進行簡單的安全檢測。

本文所指家庭自動化網絡按照五層分層模型劃分，VSOP依據常用的混合網絡設計方式，規定了與底層無關的應用層信息格式，因此可以任何通訊介質和通訊網絡上進行傳輸。鑒于家庭環境下無線通信距離要求不高，網絡層、傳輸層可以使用具有路由中繼能力的6LoWPAN、ZigBee等復雜的WAN網絡或Ad hoc網絡，也可以使用低復雜度的簡單射頻或主從串行鏈路進行傳輸。應用層統一使用VSOP規定的信息幀格式進行交互，以實現信息在應用層的識別和轉換，如圖2所示。

VSOP采用典型的以家庭網關為中心的家庭物聯網結構，主要改進為設計支持VSOP嵌套的USB協調器用于異構網關的多網絡協議擴展。協調器實現VSOP加載和協議轉換，通過USB接口接入不同的網關平臺構成VSOP網絡適配器，相對于網關進行透明的應用層數據交換和簡單的異常報文過濾，從而實現靈活的網絡異構和低成本的平臺兼容。

2 異構網關，協調器的實現

VSOP協議對多協議異構互聯提出了基于應用層的異構方案，不同的家庭自動化網絡統一使用VSOP作為應用層協議，并基于可插拔的協調器接入網關平臺實現異構[3]。在家庭環境中，多客戶接入服務是能夠顯著提高應用體驗的功能，使用多線程技術實現多客戶實時服務的同時，將底層設備的數據發送到所有在線的客戶端，實現多終端同步的應用[4]。

根據需要分別搭建數據監測平臺和測試驗證平臺用于模擬家庭應用環境，驗證基于VSOP協議的網絡異構、多客戶端接入服務的實現情況[5]。本文使用筆記本電腦作為客戶端，模擬移動設備使用Wi-Fi接入家庭寬帶網絡[6]，網絡適配器和數據監控平臺使用以太網網線與家庭無線路由器連接，平臺結構和實物如圖3所示。

3 結束語

多種網絡通信技術優劣互補但結構相似，因此多協議異構的靈活性、透明性需要VSOP既要滿足單平臺應用，又要支持設備的模塊化組合，且能適應不同的通信網絡技術。本文測試數據驗證了VSOP協議的可用性和有效性，可以得出設計的協議及相關方案滿足精簡高效、互聯互通和資源共享的設計要求，適用于異構和多客戶接入服務的家庭自動化網絡的結論。

參考文獻：

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[6]陸陽，楊飛，彭震，等.雙射頻多信道802.15.4傳感器網絡節點性能研究[J].電子測量與儀器學報，2009，23（12）：14-20.