自愈通信系统的结构与功能

基金项目：国家自然科学基金(60332020)

    人类交互活动和通信的一个基本特征是自发自愈特征，这样的机理可引入到通信和计算设备之间的交互，可扩展至无线通信系统结构中。把基于计算机协同操作的多移动用户组合在一起，把应用层自愈通信和Ad hoc网络的机理有机组合在一起，把无线计算群网络作为群间Ad hoc网络，把业务网关作为链接多种无线接入技术与多种网络、支持多相结构的关键单元[1]。这样，具有Ad hoc网络特征和网络移动性，能够提供对等通信、会话控制和即插即用业务的网络构成自愈通信系统[2,3]。

1 自愈通信系统结构

1.1 自愈通信系统的通信空间
    自愈通信系统具有类似于人类自愈行为和对等通信(P2P)网络的自然特征，具有对等通信和Ad hoc网络结构特征。自愈通信系统可视为机器和机器(M2M)网络，对等通信的网络结构可以Ad hoc方式构成动态通信结构。

    自愈通信系统把满足终端用户的需求作为出发点，终端用户为计算设备群，含有移动终端、计算机、用户电子设备和感应器。图1所示为自愈通信系统的通信空间。在通信空间内，用户可以自发自愈地与设备、网络、业务和内容交互作用，用户还可与属于其他用户的通信空间自发自愈地通信。

1.2 自愈系统单元
    自愈通信系统的基本单元如图2所示，Ad hoc网络结构动态建立在一组移动站和称为网络化设备(NA)的无线设备上。根据所选择的业务，网络化设备可进一步分为：类型1制造商、类型2业务提供商和类型3用户。

    类型1为Ad hoc网络中不承担业务网关(SG)作用的节点，由Ad hoc网络提供的业务可经过由类型2、类型3承担的业务网关抵达远端用户。通过SG可提供类型1 的NA业务，NA和SG之间的链接属于Ad hoc网络的链接，NA和SG之间的接口属于设备接口，Ad hoc网络和其他网络之间的接口属于网络接口。

    图2中辅助点相当于IP网络接入点，即Ad hoc网络临时链接点。在Ad hoc网络或静态网络上，终端至终端的链接承担从NA到其他任何网络节点间的会话功能。SG还承担Ad hoc网络群首功能，自愈地链接其他网络，通过无线宽带热点或蜂窝无线接入到静态基础设施通信网络。

1.3 链接和开放业务平台
    自愈通信系统的链接和开放业务平台如图3所示。当接通业务网关时，第一程序是启动和构建执行业务框架。假如业务运行是基于开放业务网关(OSGi)成组信息，供电后自动启动先前定义的成组信息。在自愈通信系统中，成组信息安装具有自动安装新成组信息的功能。第二程序为位置管理和接入移动管理。其中，移动管理可进一步分成NA移动、当SG与NA群设备移动时以网络移动来处理群移动两种。第三程序作为自愈通信网络域远端终端和任何NA之间的对等通信链接。第四程序是业务远端应用。NA用户接口含有NA特征和控制接口，从SG到远端终端采用超级文本变换协议(HTTP)装载到NA用户接口。

2 自愈通信系统功能

2.1 即插即用
    由于自愈通信系统的NA的有限功率和存储空间，自愈通信系统功能之一是即插即用。即插即用的实现过程如图4所示。

    在NA不具备传输控制协议/网间协议(TCP/IP)、Java虚拟机器(JVM)时，用户设备也能够接入任何SG。控制和数据接口功能与用于NA控制的用户接口一起嵌入NA控制接口，NA控制接口以Java格式存储在NA存储器中。当NA进入SG的无线覆盖区时，NA和SG之间的无线链路用于NA控制接口的交换。一旦链路建立，以成组信息格式向SG成组信息接收器发射NA控制接口分组。SG成组信息接收器拆卸成组信息为分组，并存储NA驱动成组信息和NA用户接口成组信息，共同组装构成OSGi框架。

    自愈通信系统不增设JVM、IP、TCP/UDP和SIP，NA控制接口也可下载已寻址到NA的信息，并在NA存储器以分组方式存储，动态地把分组配置到网络中，以高级形式实现即插即用特征。即插即用机理还应用到NA发现和位置注册，建立NA和SG链接，选择SG的控制接口获取NA的业务。

2.2 寻址和移动
    当SG处于移动状态时，需要网络以SHCP协议提取转交地址(COA)作为移动IP本地代理，注册SG位置和网络位置。当网络不支持移动IP或SG没有移动IP本地代理时，需要本地SIP服务器指明临时COA，采用SIP注册应用层位置，SIP UA成组以NA方式运行SIP用户代理。

    当对应节点的远端终端移动时，需要接入和注册网络。当远端终端接入NA时，应该掌握NA本地地址或对应SG。当SG漫游至另一外地域时，需要申请新的网络前缀和获取新的地址。

    当中小型移动通信网络的用户设备地址改变时，保持连续会话的解决方案有：
    (1)应用基于IPv6国籍寻址和自动前缀委任协议动态进行IPv6前缀委任。当SG漫游至另一外地域时，移动路由器应用动态前缀分配协议，从网络地址表中获取前缀，动态地变化临时IP地址前缀以保持会话连续。

    (2)采用移动IPv6和SIP，达到路由优化和实现基于设备控制协议(DCP)的IPv6组装，保持会话连续。
图5所示为自愈通信系统移动管理中的寻址过程，NA的移动性为NA可接入位于无线覆盖区的网络能力，NA控制接口承担在SG网络中注册NA，自动把新NA设备和其控制接口通知给位于SG中的SIP UA。当NA接入到不同网络中，应该掌握SG位置，寻址与用户或设备的标识和位置等有关信息。

2.3 链接和应用
    与远端用户的交互功能是自愈通信系统的基本业务需求，用户应该具有位于通信空间的用户接口(UI)和SIP识别通信空间UI的位置。通过询问用户名和口令以业务寻址控制机理来识别用户，给通信空间加载，并在远端终端用户的屏幕上显示通信空间。通信空间UI含有链接所有可寻址的NA用户接口的成组信息。通过指定的NA链路，把NA用户接口成组信息加载到远端终端用户，并在远端用户平面上显示(见图6)。

    与控制消息有关的特殊设备信息也可从下载的NA UI成组信息中提取，远端终端的SIP UA可代替下载UI。下载UI和SIP UA在远端终端的JVM的顶层执行。NA用户接口成组信息含有链接SG的NA驱动成组信息，建立与NA驱动成组信息会话的链路。远端终端内部运行操作可应用可编程接口(API)和JVM。

    易于获取NA业务也是自愈通信系统用户的基本业务需求之一，链接管理应该尽可能无缝隙链接，保证在指定通信空间和NA特征的用户接口上尽力提供业务。SIP用来识别通信空间UI位置，HTTP用来把UI传送至终端用户，动态加载能力用于远端终端的UI产生，从远端终端中下载的UI和SIP UA承担UI和SIP UA之间的接口。通信空间UI含有到所有可接入NA的用户接口，用户可方便地在远端终端用户的显示屏上寻找正确接口。用户接口含有通过NA控制接口和SG建立链接逻辑、远端终端用户获取API和JVM等交互功能，有助于用户平滑地应用NA业务。

    基于SIP机理的会话链接可应用于不同会话类型，如视频流发送到其他用户终端会话、多方链接进行会话或应用IP多点播送、SIP 有效负载在告警系统中传播控制消息、建立与用户位置和设备平台独立的会话等。从业务角度看，个别用户需要把位置或个性化信息接入到NA，提供含有文本意识、个性化和自适应能力的会话。

3 自愈通信系统相关技术
    依靠IP、TCP、数据报协议(UDP)、HTTP、超文本链接标示语言(HTML)、可扩展标识语言(XML)和简单对象访问协议(SOAP)，描述设备交互标准的DCP在自愈通信系统的应用层和网络层提供即插即用、寻址、对等通信、移动性链接等业务功能。应用层移动性管理涉及终端移动性、个人移动性和业务移动性。终端移动性准许移动设备不间断会话。个人移动性准许一个用户具有唯一逻辑地址，并应用于多个终端上，也准许一个用户具有多个逻辑地址，应用于一个终端上。当用户终端移动时，业务移动性给用户提供连续链接会话的可能性，在设备改变或业务提供变化时，给用户提供接入服务器的可能性。

    IETF的多方多媒体会话控制工作组(MMUSIC)指定在Internet上用SIP来建立和控制多媒体会话。SIP技术广泛用于Web浏览和E-mail中，SIP容易扩展用于应用层的移动性管理。其中，SIP的应用为Internet呼叫、VoIP和多媒体会议。

    IETF和NEMO小组研究移动IP网络移动性管理，移动IP(基于IPv6)定义了一种机理，即当分组远离本地网络时，分组可传输到移动节点。移动IP使用户在移动时保持应用透明和无缝隙漫游的通信能力。其中，应用透明是指在固定和移动网络中尽可能提供应用。当终端移动时，位置变化对业务应用是无缝隙的。移动IP依靠应用于Internet设备来可靠识别本地地址，在新辅助点发现新的IP临时地址，准确把IP分组路由链接至临时地址。在本地网路，新的IP临时地址被注册成为本地代理。

    人类自然的自愈交互特征已被引入到自愈通信系统的机理中，自愈通信系统把应用层自愈通信和Ad hoc动态网络的机理有机组织在一起，把服务网关作为链接多种技术和网络的关键单元。Ad hoc网络包括动态拓扑网络、带宽受限可变容量、受限能量可靠运行、动态拆卸通信基础设施和移动自治自愈系统平台等。自愈通信系统实现的难点在于用户适应特定环境的发现和寻址机理。在动态网络结构基础上，提供含有文本意识，个性化和自适应能力的会话；在中间件结构上实现自适应运行能力等是自愈通信系统的重要研究课题。

4 参考文献
[1] Latvakoski J, Pakkala D, Paakkonen P. A Communication Architecture for Spontaneous System [J]. IEEE Wireless Communications, 2004,11(3):36—42.
[2] 谈振辉. 基于IEEE 1394和UWB的家庭网络 [J]. 电信科学, 2004,20(2):19—22.
[3] Feeney L M, Ahlgren B, Westerlund A. Spontaneous Networking: An Application Oriented Approach to Ad hoc Network [J]. IEEE Communications Magazine, 2001,39(6):176—181.

收稿日期： 2005-03-30

[摘要] 文章介绍了自愈通信系统的网络结构，讨论了自愈系统的基本单元、链接和开放业务平台。对于自愈通信系统的功能，文章重点讨论了链接多种技术和网络的业务网关如何以多种方法实现即插即用、寻址和移动、对等通信链接和应用等功能。文章认为自愈通信系统实现的难点在于用户适应特定环境的发现和寻址机理。在动态网络结构基础上，提供含有文本意识、个性化和自适应能力的会话；在中间件结构上实现自适应运行能力等是自愈通信系统的重要研究课题。

[关键词] 自愈通信系统；结构；功能

[Abstract] The architecture and functions of spontaneous communication system are introduced. Its basic components, system links and open service platforms are discussed. System functions are focused. For example, the service gateway supporting different technologies and connecting different networks is used to realize plug and play, addressing and mobility, P2P communication linking and other services. The difficulties in the realization of a spontaneous communications system exist in the setup of user-favorable networking environment and relevant addressing mechanism. Further studies should be carried out on the topics: for dynamic network architecture, providing sessions with text consciousness, personalized and self-adapted operation capabilities; for middle-ware architecture, realizing self-adapted operation.

[Keywords] spontaneous communication system; architecture; function