基于家庭自动化变量安全操作协议异构网关的研究与设计

何雨　徐　邹济安　关明

摘 要：针对家庭自动化场景中网络结构的不统一，兼容性不足的问题，结合当前智能家居网络市场的需求点，文章设计了一种能够兼容各种不同网络的应用层协议变量安全操作协议VSOP（Variable Security Operation Protocol）。协议的主要应用在于能够移植到不同网络模式中，并基于可插拔的协调器接入网关平台实现异构的功能。同时使用多线程技术实现多客户实时服务，将底层设备的数据发送到所有在线的客户端，实现多终端同步的应用。

关键词：智能家居；应用层协议；互联互通；异构网关

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：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

隨着智能设备产品的更新换代，每种来自不同厂商的智能设备都具有独立的通信控制协议，家庭自动化用户在使用这些智能设备的时候就需要对应安装不同产品的控制软件，对于用户来说是相当不方便的，因此，在厂商的利益角逐面前，家庭自动化通信协议很难推出一款简单便捷的控制协议来实现互联互通的目的。在通信协议方面各大厂商由于利益的问题很难达成统一协议的共识，同时每个厂商运用的通信协议也有着自己独特的优势，因此在底层协议上想要为互联互通做出重大进展就目前而言是不切实际的。因此，本文设计了一种在家庭自动化多网络环境下实现智能家居设备互联互通的基于VSOP（Variable Secure Operable Protocol）变量安全操作协议的异构网关，在应用层实现网络异构，解决不同协议之间的互联互通问题[1]。

1 协议架构介绍

综合不同家庭环境下的自动化网络系统应用层的特点，以及考虑到家庭自动化的一般需求，VSOP将基于国标中建议的报文格式，实现消息处理对等、加密模式可选、具备访问控制、具备异常诊断、资源变量化描述和协议高可嵌入等能力，从而设计符合变量化、信息安全的、互操作技术要求的智能家居自动化设备应用层协议。VSOP可划分为ADU（Application Data Unit，应用数据单元）、PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元），协议实现一个报文最低只需11 字节[2]，且加密区符合最低8字节要求，如图1所示。

VSOP具备如下特点：（1）采用变量操作和二进制报文格式，精简高效，变量地址宽度为8位。（2）可选的安全加密模式和按键双向验证规范。（3）识别码用于识别报文的加密方式（高4位）和报文编号机制（低4位）。（4）具备变量描述规范，可实现设备资源共享和指令生成。（5）规定统一的功能码和对等的操作方式，并允许扩展。（6）通信即满足请求响应模式，又允许设备主动发送数据。（7）时间码是报文流水号，配合加密和校验码可以进行简单的安全检测。

本文所指家庭自动化网络按照五层分层模型划分，VSOP依据常用的混合网络设计方式，规定了与底层无关的应用层信息格式，因此可以任何通讯介质和通讯网络上进行传输。鉴于家庭环境下无线通信距离要求不高，网络层、传输层可以使用具有路由中继能力的6LoWPAN、ZigBee等复杂的WAN网络或Ad hoc网络，也可以使用低复杂度的简单射频或主从串行链路进行传输。应用层统一使用VSOP规定的信息帧格式进行交互，以实现信息在应用层的识别和转换，如图2所示。

VSOP采用典型的以家庭网关为中心的家庭物联网结构，主要改进为设计支持VSOP嵌套的USB协调器用于异构网关的多网络协议扩展。协调器实现VSOP加载和协议转换，通过USB接口接入不同的网关平台构成VSOP网络适配器，相对于网关进行透明的应用层数据交换和简单的异常报文过滤，从而实现灵活的网络异构和低成本的平台兼容。

2 异构网关，协调器的实现

VSOP协议对多协议异构互联提出了基于应用层的异构方案，不同的家庭自动化网络统一使用VSOP作为应用层协议，并基于可插拔的协调器接入网关平台实现异构[3]。在家庭环境中，多客户接入服务是能够显著提高应用体验的功能，使用多线程技术实现多客户实时服务的同时，将底层设备的数据发送到所有在线的客户端，实现多终端同步的应用[4]。

根据需要分别搭建数据监测平台和测试验证平台用于模拟家庭应用环境，验证基于VSOP协议的网络异构、多客户端接入服务的实现情况[5]。本文使用笔记本电脑作为客户端，模拟移动设备使用Wi-Fi接入家庭宽带网络[6]，网络适配器和数据监控平台使用以太网网线与家庭无线路由器连接，平台结构和实物如图3所示。

3 结束语

多种网络通信技术优劣互补但结构相似，因此多协议异构的灵活性、透明性需要VSOP既要满足单平台应用，又要支持设备的模块化组合，且能适应不同的通信网络技术。本文测试数据验证了VSOP协议的可用性和有效性，可以得出设计的协议及相关方案满足精简高效、互联互通和资源共享的设计要求，适用于异构和多客户接入服务的家庭自动化网络的结论。

参考文献：

[1]廉殿斌.物联网时代的技术发展[J].信息与电脑（理论版），2017（16）.

[2]苏晓露.应用于电力线通信的嵌入式软件设计[D].东南大学，2017.

[3]陈美镇，王纪章，李萍萍，等.基于Android系统的温室异构网络环境监测智能网关开发[J].农业工程学报，2015，31（5）：218-225.

[4]刘会.SE-SyncML数据同步模型设计及其在PIM中的应用[D].北京邮电大学，2008.

[5]RogerS.Pressman，普莱斯曼.软件工程：时间者的研究方法[M].机械工业出版社，1999.

[6]陆阳，杨飞，彭震，等.双射频多信道802.15.4传感器网络节点性能研究[J].电子测量与仪器学报，2009，23（12）：14-20.