基于Atinav SDK的UPnP设计-优快云博客

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1、引言

UPnP是针对智能家电、无线设备以及各种个人电脑的普遍对等（peer-to-peer）网络连接而设计的一种架构。它主要用来简化家庭或商业网络中智能家电、无线设备以及PC间的网络连接。UPnP 是一个充分利用TCP/IP 和Web 技术的分布式开放型网络体系结构，能够实现异构网络的无缝连接以及网络设备间的控制和数据传输。

UPnP 不仅仅只是即插即用外设模式的简单扩展。它设计用于支持零配置、“不可见”联网，以及对众多厂商的广泛设备类型的自动发现。这就意味着，一台设备能够动态加入一个网络，获取一个IP 地址，通报其功能，以及了解其它设备的存在和功能。最后，设备能够顺利地自动离线，而不会造成任何不期望的影响。

2、UPnP技术描述

(1)UPnP网络的基本组成

UPnP网络通常由设备(Device)、服务(Service)、控制点(Control Point)三个基础部分组成。

一个UPnP设备可以看成一个包含服务并嵌套了常规设备的“容器”。设备可以是物理的设备，比如数码相机，也可以是逻辑的设备，比如运行于计算机上的软件模拟设备。即UPnP之下的设备不能仅仅理解为硬件意义上的设备，而应当包括服务功能。另外，设备也可以包括其他子设备形成嵌套。一个设备由用XML写的设备描述文档来表示，其内容包括一个或多个服务和设备的属性(如设备名、设备图标)。

设备执行用户请求的控制过程，可划分成一个个很小的阶段或单位，每个单位就称为一个服务。每一个服务，对外都表现为具体的行为和模式，而行为和模式又可以用状态和变量值进行描述。同设备描述一样，服务也是用XML写的服务描述文档来表示的。

在UPnP网络中，用户请求设备执行的控制是通过控制点实现的，控制点首先是一个有能力控制别的设备的控制者，还要具有在网络中“发现”控制目标的能力。它能在发现设备后：取得设备的描述信息并得到所关联的服务列表；取得相关服务的描述；调用控制服务。

（2）UPnP协议栈

UPnP采用了许多现存的、标准的协议以获得最广泛的设备支持。采用IP协议来保证UPnP独立于网络传输的物理介质，SOAP协议来保证UPnP设备具有互操作能力，XML来对设备和服务进行统一的描述，HTTP协议来进行UPnP设备的信息交互。采用这些协议能减少开发UPnP设备的工作量，使UPnP设备更好地融入现有网络。UPnP协议如图1所示。

其中UPnP设备架构定义是一个抽象的、公用的设备模型，任何UPnP设备都必须使用这一层。UPnP论坛工作组定义包含不同类型设备的DCP（Device Control Protocol）。最上层的UPnP厂商定义一般包含设备名称序列号、厂商信息，以及用户接口等。

（3）UPnP工作机制

控制点和设备间的交互分为六个阶段：寻址，发现，描述，控制，事件触发和展示。

寻址：每个UPnP设备都有一个DHCP（动态主机配置协议）的客户端。当设备连到网络中后，它会搜寻DHCP服务器，并请求一个IP地址。如果没有DHCP服务器的响应，设备就会使用自动IP获得一个地址。

发现：设备连到网络中后，会用简单服务发现协议（SSDP）向所有的控制点广告它拥有的服务。控制点也可以使用SSDP在网络中搜寻它感兴趣的设备及服务。在这两种情况中，最基本的交换信息是设备或者它的某种服务的特征：设备的类型，独有的标识符以及指向更多详细信息的指针。

描述：在控制点发现设备之后，它通过包含在发现消息里的统一资源定位器（URL）向设备请求UPnP 描述。其中包括设备描述，一个或多个服务描述。设备描述包含有关厂商、制造商的信息，比如模块名称和编号，序列号，制造商的名称，厂商的专门网站URL等。在设备描述中，会一一列出它包含的每一种服务的类型、名称和指向服务描述、控制和事件触发的URLs。服务描述包含服务所响应的命令或动作，以及一系列状态变量。这些变量将服务在运行时的状态模型化，并通过数据类型、数值范围和事件特征进行描述。

控制：在得到设备及其服务的有关信息后，控制点就可以向这些服务发出动作请求。同时控制点也可以轮询服务的状态变量值。这是一种远程的过程调用：控制点把动作请求发送给设备的相关服务，当这些动作被完成之后（或失败），服务向控制点返回结果（或报告失败）。

事件触发：一个UPnP的服务描述包括服务所响应的动作列表，和状态的变量表。当这些变量改变时，服务会用事件消息的方式公布这些更新。控制点也可以订阅这些信息。如果订阅被接受，设备会返回一个唯一的标识符和订阅的有效时间。当一个事件状态变量改变时，服务会发送事件消息通知所有订阅的控制点。这些消息也就是GENA 通知消息，使用HTTP协议传送。在消息内部包含一个或多个状态变量的名称和它们的当前值。

展示：设备除了通过控制和事件触发提供功能接口外，还能提供一个展示URL作为网络接口（可以使用标准的网络浏览器进行处理）。如果在设备描述里有这样的统一资源定位器（URL），控制点就可以使用一个HTTP GET请求，从这一URL找到一个HTML网页，并把它下载到浏览器中，使用户可以控制设备并查看设备的状态。

3、基于Atinav SDK的UPnP设计

3.1 Atinav SDK介绍

Atinav SDK是美国atinav公司为UPnP架构开发的基于C的软件开发包。该SDK实现了UPnP架构，并提供设备和控制点开发工具。由于其代码全部由ASIC C生成，所以具有较好的可移植性。

3.2 设计流程

我们以一个电视机的模拟程序来演示基于Atinav SDK的设计流程。

首先，要设计电视机模拟程序所能提供的服务、动作、状态变量以及输入参数。如果要在电视机中嵌入子设备，还要考虑子设备提供的服务、动作、状态变量和输入参数。在我们的设计中，tv设备提供tvcontrol, video, audio, selectChannel, selectBand服务，tv的子设备timer具有clock服务。Tv和timer的状态变量设计为：

Power, brightness, contrast, volume, channel, band, mode, time。参数列表：

Hour, minute, second, selectedChannel, desiredBand, desiredMode动作列表：powerOn，powerOff，incrBrightness, decrBrightness, incrContrast, decrContrast, incrVolume, decrVolume,
setTime, incrChannel, decrChannel, setChannel, setBand, setMode 。
在VC环境下建立一个工作区，并添加Atinav SDK中的aveupnp.h，aveupnp1.lib和aveupnp1.dll文件。这三个文件是实现UPnP的关键。用户可以利用SDK的模型编写自己的UPnP设备。然后，建立用户的C文件。在该文件中，用户要设计动作函数，以及设备实现主函数。下面，我们会详细介绍用户C文件的实现。

(1) 在C文件中加入freeAllocated（），GetStateVarValue（），GetArgumentValue（）函数，分别用来释放分配的内存，获得状态变量值以及得到参数值（SDK提供，可以直接引用）。

(2) 调用SDK中的GetStateVarValue（），UpnpChangeStateVariableValueExt（）函数，编写控制函数。要考虑返回信息和出错提示。

(3) 在主程序中，为设备、服务、动作和参数声明句柄变量。

(4) 分步做以下工作：调用UpnpNewStateVariable（）函数创建状态变量，并用UpnpSetStateVariableDefValue（）函数设置其默认值；调用UpnpNewAction（）函数创建动作；调用UpnpNewArgument（）函数创建参数（输入参数对应于特定的动作，比如参数hour，minute，second对应于动作SetTime）。利用UpnpNewService（）函数创建服务。若服务有多个状态变量，可用UpnpAddStateVariable（）为其添加状态变量。调用UpnpNewDevice（）创建动作。同时会为设备设置各种参数。调用UpnpAddArgument（）函数为相关动作添加参数。调用UpnpAddAction（）为服务添加相应的动作。调用UpnpSetUDN（）函数为设备设置UUID。主设备和子设备都要设置。调用UpnpAddDevice（）函数来设置设备间的嵌套关系（UpnpAddDevice(tv,timer); 设置timer为tv的子设备）。编写用户接口。（本程序是在PC机上运行的，运行后要求输入IP地址。）并调用UpnpInitializeFramework（）函数初始化UPnP架构（SDK提供）。若初始化成功，则将根设备注册到UPnP架构中。然后用UpnpGetDescriptionURL（）函数获得设备的描述URL，并显示出来。同时给出退出提示符，并进入无限循环，若没有输入退出命令符，就一直运行。

4、设备运行界面及控制方法

设备运行后，可以有多种方法对其进行控制或查看其状态。可以利用Atinav SDK创建一个控制点程序，专门用来对设备进行控制。由于设备程序在运行时会给出设备描述URL，我们据此可以找到设备的展示页面，该页面由SDK根据用户的程序自动生成。通过展示页面，用户可以对设备进行控制和变量查询。另外一种方法跟第二种类似，但只适用于Windows XP用户。由于在Windows XP中加入了对UPnP的支持，如果用户安装了UPnP服务，就可以在网上邻居中显示网络中存在的UPnP设备，并可直接调用设备的展示页面。图2和图3分别是我们的实例的运行页面和设备展示页面。

我们在一台PC上运行实例程序后，分别选择了局域网中的两台PC（A和B）测试对设备的控制。其中，A装的是Win2000，B为Windows XP。在A的浏览器中直接输入设备展示页面的URL；在B中安装UPnP服务，通过网上邻居中显示的设备图标直接调用设备的展示页面，同样可以对设备进行控制。但由于笔者所用的SDK版本并不支持UPnP的订阅，所有不能实现事件触发功能。