和菜鸟一起学linux之upnp协议的学习记录

UPnP全名是Universal Plug and Play，主要是微软在推行的一个标准。简单的来说，UPnP 最大的愿景就是希望任何设备只要一接上网络，所有在网络上的设备马上就能知道有新设备加入，这些设备彼此之间能互相沟通，更能直接使用或控制它，一切都不需要设定，完全的Plug and Play。

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关于UPnP协议栈

UPnP设备体系结构包含了设备之间、控制点之间、设备和控制点之间的通信。完整的UPnP由设备寻址、设备发现、设备描述、设备控制、事件通知和基于Html的描述界面几部分构成。

1. UPnP是一个多层协议构成的框架体系，每一层都以相邻的下层为基础，同时又是相邻上层的基础。直至达到应用层为止。该图中的最下面是就是IP和TCP，共两层，负责设备的IP地址。

2. 三层是HTTP、HTTPU、HTTPMU，这一层，属于传送协议层。传送的是内容都经过“封装”后，存放在特定的XML文件中的。对应的SSDP、GENA、SOAP指的是保存在XML文件中的数据格式。到这一层，已经解决了UPnP设备的IP地址和传送信息问题。

3. 第四层是UPnP设备体系定义，仅仅是一个抽象的、公用的设备模型。任何UPnP设备都必须使用这一层。

4. 第五层是UPnP论坛的各个专业委员会的设备定义层，在这个论坛中，不同电器设备由不同的专业委员会定义，例如：电视委员会只负责定义网络电视设备部分，空调器委员会只负责定义网络空调设备部分……，依此类推。所有的不同类型的设备都被定义成一个专门的架构或者模板，供建立设备的时候使用。可以推知，进入这一层，设备已经被指定了明确用途。当然，这些都必须遵守标准化的规范。从目前看，UPnP已经可以支持大部分的设备：从电脑、电脑外设，移动设备和家用消费类电子设备等等，无所不包，随着这个体系的普及，将可能有更多的厂家承认这一标准，最终，可能演化为公认的行业标准。

5. 最上层，也就是应用层，由UPnP设备制造厂商定义的部分。这一层的信息是由设备制造厂商来“填充” 的，这部分一般有设备厂商提供的、对设备控制和操作的底层代码，然后，就是名称序列号呀，厂商信息之类的东西。

关于UPnP的一些术语

● UUID

UUID含义是通用唯一识别码（Universally Unique Identifier），其目的是让分布式系统中的所有元素，都有唯一的辨识资讯，而不需要透过中央控制端来做辨识资讯的指定。其格式为xxxxxxxx-xxxx-xxxx-xxxxxxxxxxxxxxxx(8-4-4-16),分别为当前日期和时间，时钟序列，全局唯一的IEEE机器识别号，如果有网卡，从网卡mac地址获得，没有网卡以其他方式获得。

● UDN

单一设备名（Unique Device Name），基于UUID，表示一个设备。在不同的时间，对于同一个设备此值应该是唯一的。

● URI

Web上可用的每种资源 - HTML文档、图像、视频片段、程序等 - 由一个通用资源标志符（Universal Resource Identifier,简称"URI"）进行定位。 URI一般由三部分组成：访问资源的命名机制；存放资源的主机名；资源自身的名称，由路径表示。考虑下面的URI，它表示了当前的HTML 4.0规范：http://www.webmonkey.com.cn/html/html40/它表示一个可通过HTTP协议访问的资源，位于主机www.webmonkey.com.cn上，通过路径“/html/html40”访问。

● URL

URL是URI命名机制的一个子集，URL是Uniform Resource Location的缩写，译为“统一资源定位符”。通俗地说，URL是Internet上用来描述信息资源的字符串，主要用在各种www客户程序和服务器程序上。采用URL可以用一种统一的格式来描述各种信息资源，包括文件、服务器的地址和目录等。

● URN

URN：URL的一种更新形式，统一资源名称(URN,Uniform Resource Name)。唯一标识一个实体的标识符，但是不能给出实体的位置。标识持久性
Internet
资源。URN可以提供一种机制，用于查找和检索定义特定命名空间的架构文件。尽管普通的URL可以提供类似的功能，但是在这方面，URN
更加强大并且更容易管理，因为 URN 可以引用多个 URL。

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关于UPnP组件

完整的UPnP服务系统由支持UPnP的网络和符合UPnP规范的设备共同构成的。

整个系统是由Device、Service、和Control Point三部分所构成。

设备（Device）：

这里是指符合UPnP规范的设备。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” 。例如，一个UPnP的VCR（录像机）设备可以包含磁带传送服务、调谐服务和时钟服务。就是说，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。

不同种类的UPnP设备将关联不同的设置、服务和嵌入设备。如打印机和VCR属于不同用途的设备，服务就不可能定义成一样的。

服务（Service）：

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。只要可以用数值描述，在计算机里面就容易处理了。例如，模仿一个时钟，它只有一个工作模式：这个模式就是模拟并显示当前的时间。而一个时钟的行为共有两种（也只有两种）：

1. 设置时间（用来“即平时说的对表”）.

2. 得到时间（用于显示时间）。

其它设备服务，也是用这样思路来描述和定义的，一个设备也可以被定义多个服务。不论是设备的定义信息和服务的描述信息，都保存在一个XML文件中，这个文件也是UPnP协议构成的一部分。当设备建立和使用服务的时候，XML文件可以与它们进行关联。

XML文件中还有一个很关键的“状态表”，状态表可进一步分为“服务状态表”和“事件状态表”。整个UPnP设备运行的全过程内，状态表贯穿始终，当设备状态改变的时候，例如发生参数变化或状态刷新的时候，立即就在“状态表”中反映出来。如控制服务器在接收到设置时间的行为请求时，就立即执行请求（对时操作），并给出响应，同时更新状态表中的有关数据。相应地，事件服务器负责向对此事件感兴趣的设备公布所发生的状态改变。例如，一个火灾事件发生后，事件服务器就向火灾报警器发布这个事件，导致报警器动作产生报警信号。

控制点（Control Point）：

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。在发现（控制目标）之后，控制点应当：

①取得设备的描述信息并得到所关联的服务列表。

②取得相关服务的描述。

③调用控制服务行为。

④确定服务的事件 “源”，不论何时，只要服务状态发生改变，事件服务器会立即向控制点发送一个事件信息。

从上面说到的各种信息，都保存在XML文件中，不同用途的信息，格式不同。保证可以各取所需，不会混淆。

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关于UPnP工作流程

1、寻址（Addressing）：

地址是整个UPnP系统工作的基础条件，每个设备都应当是DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol动态主机配置协议）的客户。当设备首次与网络建立连接后，利用DHCP服务，使设备得到一个IP地址。这个IP地址可以是DHCP系统指定的，也可以是由设备选择的，当然，有能力自己选择IP地址的设备，必然是那些“聪明”的设备才行！这也就是所谓的“自动”IP地址。

如果遇到本地DHCP管理范围之外的IP地址请求，还需要解决“友好设备”的地址分配问题，这个问题通常由域名服务器来解决。

2、发现（Discovery）：

可分成两种情况，一种是在有控制请求之后，在当前的网络中查找有无对应的可用设备；另一种情况是某一设备接入网络、取得IP地址之后，就开始向网络“广播”自己已经进入网络，即寻找控制请求。

UPnP使用简单发现协议（SSDP）来完成发现，这是一个工作在UDP上的HTTP协议。

当一个设备加入网络，它将向组播发送类似如下的消息：

NOTIFY * HTTP/1.1

Host:239.255.255.250:1900

Cache-control:max-age=1800

Location:http://192.168.0.1:49152/des.xml

Nt:upnp:rootdevice

Nts:ssdp:alive

Usn:uuid:de5d6118-bfcb-918e-0000-00001eccef34::upnp:rootdevice

Host：这里必须使用IANA（InternetAssigned Numbers Authority）为SSDP预留的组播地址：239.255.255.250:1900。

Cache-control：max-age的数值表明设备将在这段时间（单位为秒）后失效，因此，设备应当在失效前，重发这样的消息，标准指出，这里的数值应当不小于1800秒，但实际上，这里的取值范围取决于UPnP的实现。

Location：设备描述文件的URL。

Nt：Notification Type，这里的值upnp：rootdevice）表明这是一个“根设备”。每个设备可以有自己的子设备。

Nts：Notification Sub Type，标准规定必须是ssdp:alive。

Usn：Unique Service Name，是一个设备实例的标识符。

通过这样的消息，控制点便可以知道网络中的设备。

与之对应的是，当控制点加入网络时，它也将组播一个消息，用来发现设备：

M-SEARCH* HTTP/1.1

Host:239.255.255.250:1900

Man:"ssdp:discover"

Mx:5

ST:ssdp:rootdevice

Host：同上。

Man：必须是“ssdp:discover”。

Mx：1到5之间的一个值，表示最大的等待应答的秒数。

ST：Seatch Targer，表示搜索的节点类型。

设备可以根据这样的搜索产生应答：

HTTP/1.1200 OK

Cache-control:max-age=1800

Ext:

Location:http://192.168.0.1:2345/xx.xml

Server:Microsoft-Windows-NT/5.1UPnP/1.0 UPnP-Device-Host/1.0

ST:ST:urn:schemas-upnp-org:service:ContentDirectory:1

USN:uuid:60b2e186-b084-44af-ac09-1c64ea1bb364::urn:schemas-upnp-org:service:ContentDirectory:1

3、描述（Description）：

简单说，这是声明“自己”是什么样的设备，例如名称、制造厂商、序列号码等等。刚开始“发现”设备后，控制点对这个设备的“了解”还很少，需要依据ULR找到该设备的描述文件，从这些文件中读取更多的描述信息。描述信息的范围很广，一般都是由设备的制造厂商提供的。主要的描述项目有：控制的模式名称和模式号码、设备序列号、制造厂商名称、厂商的WEB的ULR等等。这些一般都存放在特定的XML文件中。

设备的描述通过HTTP协议来完成。

<?xmlversion="1.0" encoding="utf-8"?>

<rootxmlns="urn:schemas-upnp-org:device-1-0">

  <specVersion>

    <major>1</major>

    <minor>1</minor>

  </specVersion>

  <device>

   <deviceType>urn:schemas-upnp-org:device:BinaryLight:1</deviceType>

    <friendlyName>KitchenLights</friendlyName>

   <manufacturer>OpenedHand</manufacturer>

    <modelName>VirtualLight</modelName>

   <UDN>uuid:cc93d8e6-6b8b-4f60-87ca-228c36b5b0e8</UDN>

    <serviceList>

      <service>

       <serviceType>urn:schemas-upnp-org:service:SwitchPower:1</serviceType>

       <serviceId>urn:upnp-org:serviceId:SwitchPower:1</serviceId>

       <SCPDURL>/SwitchPower1.xml</SCPDURL>

        <controlURL>/SwitchPower/Control</controlURL>

       <eventSubURL>/SwitchPower/Event</eventSubURL>

      </service>

    </serviceList>

  </device>

</root>

deviceType：设备类型，格式为：“urn:schemas-upnp-org:device:deviceType:v”，这里deviceType和v是由设备定义的。

friendlyName：一个更加友好的设备名。

Manufacturer：制造商。

modeName：型号。

UDN：Unique Device Name，设备的UUID。

serviceList：服务列表。

对于每一个服务：

serviceType：与deviceType类似，这里的后两段由服务定义。

serviceId：服务ID，通常于serviceType对应。

SCPDURL：服务描述的URL。

controlURL：用于控制的URL。

eventSubURL：用于订阅事件的URL。

一个服务描述的示例如下：

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>

<scpd xmlns="urn:schemas-upnp-org:service-1-0">

  <specVersion>

   <major>1</major>

   <minor>1</minor>

  </specVersion>

  <actionList>

    <action>

     <name>SetTarget</name>

      <argumentList>

        <argument>

          <name>NewTargetValue</name>

         <relatedStateVariable>Target</relatedStateVariable>

         <direction>in</direction>

        </argument>

      </argumentList>

    </action>

    <action>

     <name>GetTarget</name>

      <argumentList>

        <argument>

         <name>RetTargetValue</name>

         <relatedStateVariable>Target</relatedStateVariable>

         <direction>out</direction>

        </argument>

      </argumentList>

    </action>

    <action>

     <name>GetStatus</name>

      <argumentList>

        <argument>

         <name>ResultStatus</name>

         <relatedStateVariable>Status</relatedStateVariable>

         <direction>out</direction>

        </argument>

      </argumentList>

    </action>

  </actionList>

  <serviceStateTable>

    <stateVariablesendEvents="no">

     <name>Target</name>

     <dataType>boolean</dataType>

     <defaultValue>0</defaultValue>

    </stateVariable>

    <stateVariablesendEvents="yes">

     <name>Status</name>

     <dataType>boolean</dataType>

      <defaultValue>0</defaultValue>

    </stateVariable>

  </serviceStateTable>

</scpd>

actionList定义了“行为”，serviceStateTable定义了“状态变数”。

每一个行为都由一个名称（name）和若干参数（argument）组成。二参数由名字（name）、传递方向（direction，取值in或者out）以及关联的状态变数（relatedStateVariable）组成。

状态变数之所以叫做状态变数，是用来标明UPnP设备或程序的一些状态的。一个程序可以订阅（subscribe）状态的变化，从而得到通知。而一个参数之所以必须关联一个状态变数，是因为状态变数的类型决定了参数的类型。

4、控制（Control）:

控制点找到设备描述之后，会从描述中“提炼”出要进行的操作并获悉所有的服务；对每个UPnP设备来说，这些描述必须是很确切、很详细的，描述中可能包含有命令或行为列表、服务响应信息、用到的参数等等。对于服务的每个行为，也伴有描述信息：主要是整个服务进行期间的变量、变量的数据类型、可用的取值范围和事件的特征。

要控制某个设备，控制点必须先发送一个控制行为请求，要求设备开始服务，然后再按设备的ULR发送相应的控制消息，控制消息就是放置在XML文件中的那些SOAP格式的信息。最后，服务会返回响应信息，指出服务是成功或是失败。

UPnP使用SOAP完成控制。SOAP工作在HTTP上，使用XML来描述远程调用并返回结果。

POST /control/url HTTP/1.1

HOST: hostname:portNumber

CONTENT-TYPE: text/xml;charset="utf-8"

CONTENT-LENGTH: length ofbody

USER-AGENT: OS/versionUPnP/1.1 product/version

SOAPACTION:"urn:schemas-upnp-org:service:serviceType:v#actionName"

<?xml version="1.0"?>

<s:Envelope

 xmlns:s="http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/"

 s:encodingStyle="http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/">

    <s:Body>

        <u:actionNamexmlns:u="urn:schemas-upnp-org:service:serviceType:v">

           <argumentName>in arg value</argumentName>

        </u:actionName>

    </s:Body>

</s:Envelope>

actionName和argumentName就是在协议描述中定义的行为名称和参数名称。

而调用的结果同样以XML方式返回：

HTTP/1.1 200 OK

CONTENT-TYPE: text/xml;charset="utf-8"

DATE: when response wasgenerated

SERVER: OS/version UPnP/1.1product/version

CONTENT-LENGTH: bytes inbody

<?xmlversion="1.0"?>

<s:Envelope

 xmlns:s="http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/"

 s:encodingStyle="http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/">

    <s:Body>

        <u:actionNameResponsexmlns:u="urn:schemas-upnp-org:service:serviceType:v">

            <argumentName>out arg value</argumentName>

        </u:actionNameResponse>

    </s:Body>

</s:Envelope>

5、事件（Eveting）:

在服务进行的整个时间内，只要变量值发生了变化或者模式的状态发生了改变，就产生了一个事件，系统将修改上述提到的事件列表的内容。随之，事件服务器把事件向整个网络进行广播。另一方面，控制点也可以事先向事件服务器预约事件信息，保证将该控制点感兴趣的事件及时准确地传送过来。

广播或预约事件，传送的都是事件消息，事件消息也放在XML文件中，使用的格式是GENA。设备投入工作之前的准备―――初始化过程，也是一个事件，初始化需要的各种信息也是用事件消息传送的。包括的内容主要是：变量初始值，模式的初始状态等等。

订阅的URL事在服务描述中给出的。

SUBSCRIBE publisher pathHTTP/1.1

HOST: publisherhost:publisher port

USER-AGENT: OS/versionUPnP/1.1 product/version

CALLBACK: <deliveryURL>

NT: upnp:event

此处，NT取upnp:event表示订阅事件;CALLBACK的值是回调的URL。

与之对应的事订阅的应答：

HTTP/1.1 200 OK

DATE: when response was generated

SERVER: OS/version UPnP/1.1 product/version

SID: uuid:subscription-UUID

CONTENT-LENGTH: 0

TIMEOUT: Second-1800

SID：本订阅的标识符，通常使用UUID。

TIMETOUT：这里的值表示本订阅的有效期。这意味着在超时前，必须续订。

续订的请求与订阅类似，只是附加了SID：

SUBSCRIBE publisher path HTTP/1.1

HOST: publisher host:publisher port

SID: uuid:subscription UUID
 

退订也类似：

UNSUBSCRIBE publisher path HTTP/1.1

HOST: publisher host:publisher port

SID: uuid:subscription UUID

事件消息：

NOTIFY delivery path HTTP/1.1

HOST: delivery host:delivery port

CONTENT-TYPE: text/xml; charset="utf-8"

NT: upnp:event

NTS: upnp:propchange

SID: uuid:subscription-UUID

SEQ: event key

CONTENT-LENGTH: bytes in body

<?xml version="1.0"?>

<e:propertysetxmlns:e="urn:schemas-upnp-org:event-1-0">

    <e:property>

       <variableName>new value</variableName>

    </e:property>

</e:propertyset>

 

这里，每个产生事件的状态变数对应一个e:property标识，variableName是变数名。

此外，SEQ是消息的顺序号，从0开始。

当订阅者收到消息之后，必须在30秒内发送确认。

HTTP/1.1 200 OK

如果订阅者没有确认，设备仍然会发送之后的消息，直到本次订阅超时。

6、展示（Presentation）：

只要得到了设备的ULR，就可以取得该设备表达页面的ULR，然后可以将此表达纳入用户的本地浏览器上。这部分还包括与用户对话的界面，以及与用户进行会话的处理。

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关于UPnP linux的体系结构

1、  设备/控制点

调用UPnP的标准API来实现设备和控制点的功能。

2、  UPnP SDK

UPnP软件开发包API部分将UPnP协议核的详细内容从控制点和服务器申请中抽象出来，并且给了一个统一界面的入口函数，里面包含了SSDP，GENA和SOAP等。

3、  WEB server

微型服务器模块处理一个标准的HTTP GET请求。在UPnP组成元素中，都要求使用基本的HTTP服务，所以需要使用微型服务器模块来完成基本的HTTP服务。微型服务器模块管理文档的定位，这些文档一般对GET命令有效，并且运行使用HTTP协议的数据流进行传输。

微型服务器也支持虚拟路径HTTP POST请求，但不支持其他种类的请求。

4、  XML解析器

XML在UPnP中被广泛地使用。描述文档就是XML文档。GENA使用XML来描述一个服务状态的描述变化。SOAP使用XML来格式化请求和响应。软件开发包SDK包含一个XML解析，这个XML解析会被UPnP协议和客户端或服务端软件使用。

5、  线程库

UPnP协议栈的实现中大量采用了多线程技术，该模块就是为了更方便高校地使用线程技术，其中包含了一个定时器线程子模块和一个线程池子模块。线程池子模块用于管理协议栈中所有的线程；定时器线程子模块用来处理协议栈中所有的定时事件。

应用层在调用API UpnpInit()时会初始化两个缓冲池：发送缓冲池和接收缓冲池。在创建每个缓冲池时都要给定一个缓冲池的属性作为参数，以确定在该缓冲池中最少，最多可以容纳的线程数，然后调用CreateWorker()创建所需的线程。

当有新的任务要执行的时候，调用TPJobInit()，ThreadPoolAddPersistent()或者T火热阿迪PoolAdd()将任务加到缓冲池的相应队列中，等待空闲的线程调用执行。

6、  HTTP解析器

设备公告消息、设备查询消息、设备查询响应消息都是用HTTP协议来封装的，使用SSDP协议定义的头和方法，这需要开发者自己来解释这些消息。同样，事件订阅消息和事件取消订阅消息也是用HTTP协议来封装的，使用了GENA定义的头和方法，也需要开发者自己解析这些消息，这里把这两部分的HTTP消息解析合并为一个模块：HTTP消息的解析。通常的HTTP消息是由浏览器或者www服务器来解析的，这里的HTTP消息解析只对SSDP、GENA定义的特殊的HTTP消息进行解析。

7、  微型服务器

提供GENA、SOAP、SSDP、mini WEB server需要的公共功能，这一层接收所有的网络连接，并决定哪个请求可以进入上层，将HTTP头部交给HTTP模块去解析 ，并将这个连接转向合适的协议去处理。

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