UPnP协议编程实践（二）
简介： 本文是《UPnP编程实践》系列的第二篇，主要介绍UPnP的设备发现过程的协议实现。关于UPnP协议的框架性介绍，您可以参考《UPnP编程实践》系列的第一篇。UPnP协议的设备发现过程使用简单服务发现协议，此协议实现了在网络中发现网络服务，控制点定位网络上相关资源和设备在网络上声明其可用性的方法。
本文首先介绍协议的工作过程，包括协议的一般模型，以及与HTTP协议之间的关系，然后介绍HTTP协议的基本知识，主要介绍在简单服务发现协议中使用的一些协议请求和响应的消息格式。最后详细介绍协议的设备通知和设备（服务）查询机制，包括设备通知消息和设备查询协议的通讯过程，以及每个HTTP协议扩展字段的含义。
设备发现过程简介
UPnP协议的设备发现过程使用简单服务发现协议（Simple Service Discovery Protocol），此协议为网络客户提供一种无需任何配置、管理和维护网络上设备服务的机制。此协议采用基于通知和发现路由的多播发现方式实现。协议客户端在保留的多播地址239.255.255.250发现服务，同时每个设备服务也在此地址上监听服务发现请求。如果服务监听到的发现请求与此服务相匹配，此服务会使用单播方式响应。每个服务也可以向多播端口发送通知声明服务存在。
常见的协议请求消息有两种类型，第一种是服务通知，设备和服务使用此类通知消息声明自己存在；第二种是查询请求，协议客户端用此请求查询某种类型的设备和服务。请求消息中包含设备的特定信息或者某项服务的信息，例如设备类型、标识符和指向设备描述文档的URL地址。下图显示这两类通知消息和HTTP协议的关系：
图1-1
设备发现过程允许控制点使用一个设备类型或标识，或者是服务类型进行查询。这要求标准设备或服务类型，或者设备特定实例的发现和广告消息基于一个独一无二的标识，UPnP设备和服务类型的定义是UPnP论坛工作委员会的责任。从设备获得响应的内容基本上与多址传送的设备广播相同，只是采用单址传送方式。
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HTTP协议基础
HTTP（Hyper Text Transfer Protocol）是超文本传输协议的缩写，它用于传送WWW方式的数据，关于HTTP协议的详细内容请参考RFC 2616。HTTP协议采用了请求/响应模型。客户端向服务器发送一个请求，请求头包含请求的方法、URI、协议版本、以及包含请求修饰符、客户信息和内容的类似于MIME的消息结构。服务器以一个状态行作为响应，相应的内容包括消息协议的版本，成功或者错误编码加上包含服务器信息、实体元信息以及可能的实体内容。
通常HTTP消息包括客户机向服务器的请求消息和服务器向客户机的响应消息。这两种类型的消息由一个起始行，一个或者多个头域，一个只是头域结束的空行和可选的消息体组成。HTTP的头域包括通用头，请求头，响应头和实体头四个部分。每个头域由一个域名，冒号（:）和域值三部分组成。域名是大小写无关的，域值前可以添加任何数量的空格符，头域可以被扩展为多行，在每行开始处，使用至少一个空格或制表符。
2.1 通用头域
通用头域包含请求和响应消息都支持的头域，通用头域包含Cache-Control、Connection、Date、Pragma、Transfer-Encoding、Upgrade、Via。对通用头域的扩展要求通讯双方都支持此扩展，如果存在不支持的通用头域，一般将会作为实体头域处理。下面简单介绍几个在UPnP消息中使用的通用头域。
2.1.1 Cache-Control头域
Cache-Control指定请求和响应遵循的缓存机制。在请求消息或响应消息中设置Cache-Control并不会修改另一个消息处理过程中的缓存处理过程。请求时的缓存指令包括no-cache、no-store、max-age、max-stale、min-fresh、only-if-cached，响应消息中的指令包括public、private、no-cache、no-store、no-transform、must-revalidate、proxy-revalidate、max-age。各个消息中的指令含义如下：
| Public | 指示响应可被任何缓存区缓存。 |
| Private | 指示对于单个用户的整个或部分响应消息，不能被共享缓存处理。这允许服务 器仅仅描述当用户的部分响应消息，此响应消息对于其他用户的请求无效。 |
| no-cache | 指示请求或响应消息不能缓存 |
| no-store | 用于防止重要的信息被无意的发布。在请求消息中发送将使得请求和响应消息 都不使用缓存。 |
| max-age | 指示客户机可以接收生存期不大于指定时间（以秒为单位）的响应。 |
| min-fresh | 指示客户机可以接收响应时间小于当前时间加上指定时间的响应。 |
| max-stale | 指示客户机可以接收超出超时期间的响应消息。如果指定max-stale消息的值， 那么客户机可以接收超出超时期指定值之内的响应消息。 |
2.1.2 Date头域
Date头域表示消息发送的时间，时间的描述格式由rfc822定义。例如， Date: Mon, 31 Dec 2001 04:25:57 GMT。Date描述的时间表示世界标准时，换算成本地时间，需要知道用户所在的时区。
2.1.3 Pragma头域
Pragma头域用来包含实现特定的指令，最常用的是Pragma: no-cache。在HTTP/1.1协议中，它的含义和Cache-Control: no-cache相同。
2.2 请求消息
请求消息的第一行为下面的格式：
Method SP Request-URI SP HTTP-Version CRLF Method表示对于Request-URI完成的方法，这个字段是大小写敏感的，包括OPTIONS、GET、HEAD、POST、PUT、DELETE、TRACE。方法GET和HEAD应该被所有的通用WEB服务器支持，其他所有方法的实现是可选的。GET方法取回由Request-URI标识的信息。HEAD方法也是取回由Request-URI标识的信息，只是可以在响应时，不返回消息体。POST方法可以请求服务器接收包含在请求中的实体信息，可以用于提交表单，向新闻组、BBS、邮件群组和数据库发送消息。
SP表示空格。Request-URI遵循URI格式，在此字段为星号（*）时，说明请求并不用于某个特定的资源地址，而是用于服务器本身。HTTP-Version表示支持的HTTP版本，例如为HTTP/1.1。CRLF表示换行回车符。请求头域允许客户端向服务器传递关于请求或者关于客户机的附加信息。请求头域可能包含下列字段Accept、Accept-Charset、Accept-Encoding、Accept-Language、Authorization、From、Host、If-Modified-Since、If-Match、If-None-Match、If-Range、If-Range、If-Unmodified-Since、Max-Forwards、Proxy-Authorization、Range、Referer、User-Agent。对请求头域的扩展要求通讯双方都支持，如果存在不支持的请求头域，一般将会作为实体头域处理。
典型的请求消息：
GET http://download.microtool.de:80/somedata.exe Host: download.microtool.de Accept: */* Pragma: no-cache Cache-Control: no-cache Referer: http://download.microtool.de/ User-Agent: Mozilla/4.04 [en] (Win95; I ;Nav) Range: bytes=554554- |
上例第一行表示HTTP客户端（可能是浏览器、下载程序）通过GET方法获得指定URL下的文件。棕色的部分表示请求头域的信息，绿色的部分表示通用头部分。
2.2.1 Host头域
Host头域指定请求资源的Intenet主机和端口号，必须表示请求url的原始服务器或网关的位置。HTTP/1.1请求必须包含主机头域，否则系统会以400状态码返回。
2.2.2 Referer头域
Referer头域允许客户端指定请求uri的源资源地址，这可以允许服务器生成回退链表，可用来登陆、优化cache等。他也允许废除的或错误的连接由于维护的目的被追踪。如果请求的uri没有自己的uri地址，Referer不能被发送。如果指定的是部分uri地址，则此地址应该是一个相对地址。
2.2.3 Range头域
Range头域可以请求实体的一个或者多个子范围。例如，
表示头500个字节： bytes = 0 - 499 表示第二个500字节： bytes = 500 - 999 表示最后500个字节： bytes = -500 表示500字节以后的范围： bytes = 500- 第一个和最后一个字节： bytes = 0-0 , -1 同时指定几个范围： bytes = 500-600, 601-999
但是服务器可以忽略此请求头，如果无条件GET包含Range请求头，响应会以状态码206（Partial Content）返回而不是以200（OK）。
2.2.4 User-Agent头域
User-Agent头域的内容包含发出请求的用户信息。
2.3 响应消息
响应消息的第一行为下面的格式：
HTTP-Version SP Status-Code SP Reason-Phrase CRLF |
HTTP-Version表示支持的HTTP版本，例如为HTTP/1.1。Status-Code是一个三个数字的结果代码。Reason-Phrase给Status-Code提供一个简单的文本描述。Status-Code主要用于机器自动识别，Reason-Phrase主要用于帮助用户理解。Status-Code的第一个数字定义响应的类别，后两个数字没有分类的作用。第一个数字可能取5个不同的值：
1xx : 信息响应类，表示接收到请求并且继续处理
2xx : 处理成功响应类，表示动作被成功接收、理解和接受
3xx : 重定向响应类，为了完成指定的动作，必须接受进一步处理
4xx : 客户端错误，客户请求包含语法错误或者是不能正确执行
5xx : 服务端错误，服务器不能正确执行一个正确的请求
响应头域允许服务器传递不能放在状态行的附加信息，这些域主要描述服务器的信息和Request-URI进一步的信息。响应头域包含Age、Location、Proxy-Authenticate、Public、Retry-After、Server、Vary、Warning、WWW-Authenticate。对响应头域的扩展要求通讯双方都支持，如果存在不支持的响应头域，一般将会作为实体头域处理。
典型的响应消息：
HTTP/1.0 200 OK Date: Mon, 31 Dec 2001 04:25:57 GMT Server: Apache/1.3.14 (Unix) Content-type: text/html Last-modified: Tue, 17 Apr 2001 06:46:28 GMT Etag: "a030f020ac7c01:1e9f" Content-length: 39725426 Content-range: bytes 554554-40279979/40279980 |
上例第一行表示HTTP服务端响应一个GET方法。棕色的部分表示响应头域的信息，绿色的部分表示通用头部分，红色的部分表示实体头域的信息。
2.3.1 Location响应头
Location响应头用于重定向接收者到一个新URI地址。
2.3.2 Server响应头
Server响应头包含处理请求的原始服务器的软件信息。此域能包含多个产品标识和注释，产品标识一般按照重要性排序。
2.4 实体
请求消息和响应消息都可以包含实体信息，实体信息一般由实体头域和实体组成。实体头域包含关于实体的原信息，实体头包括Allow、Content-Base、Content-Encoding、Content-Language、Content-Length、Content-Location、Content-MD5、Content-Range、Content-Type、Etag、Expires、Last-Modified、extension-header。extension-header允许客户端定义新的实体头，但是这些域可能无法未接受方识别。实体可以是一个经过编码的字节流，它的编码方式由Content-Encoding或Content-Type定义，它的长度由Content-Length或Content-Range定义。
2.4.1 Content-Type实体头
Content-Type实体头用于向接收方指示实体的介质类型，指定HEAD方法送到接收方的实体介质类型，或GET方法发送的请求介质类型。
2.4.2 Content-Range实体头
Content-Range实体头用于指定整个实体中的一部分的插入位置，他也指示了整个实体的长度。在服务器向客户返回一个部分响应，它必须描述响应覆盖的范围和整个实体长度。一般格式：
Content-Range: bytes-unit SP first-byte-pos -last-byte-pos/entity-legth |
例如，传送头500个字节次字段的形式：Content-Range: bytes 0-499/1234 如果一个http消息包含此节（例如，对范围请求的响应或对一系列范围的重叠请求），Content-Range表示传送的范围，Content-Length表示实际传送的字节数。
2.4.3 Last-modified实体头
Last-modified实体头指定服务器上保存内容的最后修订时间。
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SSDP协议消息
3.1 设备通知消息
在设备加入网络，UPnP发现协议允许设备向控制点广告它的服务。它使用向一个标准地址和端口多址传送发现消息来实现。控制点在此端口上侦听是否有新服务加入系统。为了通知所有设备，一个设备为每个其上的嵌入设备和服务发送一系列相应的发现消息。每个消息也包含它表征设备或服务的特定信息。
3.1.1 ssdp:alive消息
在设备加入系统时，它采用多播传送方式发送发现消息，包括告知设备包含的根设备信息，所有嵌入设备以及它包含的服务。每个发现消息包含四个主要对象：
- 在NT头中包含的潜在搜索目标。
- 在USN头中包含的复合发现标识
- 在LOCATION头中关于设备信息的URL地址
- 在CACHE-CONTROL头中表示的广告消息的合法存在时间。
对于根设备，存在三种发现消息：
| NT | USN |
| 根设备的UUID | 根设备的UUID |
| 设备类型：设备版本 | 根设备的UUID，设备类型：设备版本 |
| upnp:rootdevice | 根设备的UUID，设备类型和upnp:rootdevice |
对于根设备，存在两种发现消息：
| NT | USN |
| 嵌入设备的UUID | 嵌入设备的UUID |
| 设备类型：设备版本 | 嵌入设备的UUID，设备类型和设备版本 |
对于每个服务：
| NT | USN |
| 服务类型：服务版本 | 相关设备的UUID，服务类型和服务版本 |
如果一个根设备有n个嵌入设备，m个嵌入服务，而且包含k个不同的服务类型，这将会发出3 + 2n + k次请求。这些广告消息像控制点描述了设备的所有信息。这些消息必须作为一系列一起发出，发送的顺序无关紧要，但是不能对单个消息进行刷新或取消的操作。 选择一个适当的持续期是在最小化网络通讯和最大化设备状态及时更新之间求得一个平衡，相对较短的持续时间可以保证控制点在牺牲网络流量的前提下获得设备的当前状态；持续期越长可以大大减少设备刷新造成的网络流量。一般而言，设备制造商应该选择一个适当的持续时间值。
由于UDP协议是不可信的，设备应该发送多次设备发现消息。而且为了降低控制点无法收到设备或服务广告消息的可能性，设备应该定期发送它的广告消息。在设备加入网络时，它必须用NOTIFY方法发送一个多播传送请求。NOTIFY方法发送的请求没有回应消息，典型的设备通知消息格式如下：
NOTIFY * HTTP/1.1 HOST: 239.255.255.250:1900CACHE-CONTROL: max-age = seconds until advertisement expires LOCATION: URL for UPnP description for root device NT: search target NTS: ssdp:alive USN: advertisement UUID |
各HTTP协议头的含义简介：
| HOST | 设置为协议保留多播地址和端口，必须是239.255.255.250:1900。 |
| CACHE-CONTROL | max-age指定通知消息存活时间，如果超过此时间间隔，控制点可以认为设备不存在 |
| LOCATION | 包含根设备描述得URL地址 |
| NT | 在此消息中，NT头必须为服务的服务类型。 |
| NTS | 表示通知消息的子类型，必须为ssdp:alive |
| USN | 表示不同服务的统一服务名，它提供了一种标识出相同类型服务的能力。 |
一个发现响应可以包含0个、1个或者多个服务类型实例。为了做出分辨，每个服务发现响应包括一个USN：根设备的标识。在同样的设备里，一个服务类型的多个实例必须用包含USN:ID的服务标识符标识出来。例如，一个灯和电源共用一个开关设备，对于开关服务的查询可能无法分辨出这是用于灯的。UPNP论坛工作组通过定义适当的设备层次以及设备和服务的类型标识分辨出服务的应用程序场景。这么做的缺点是需要依赖设备的描述URL。
3.1.2 ssdp:byebye消息
在设备和它的服务将要从网络中卸载时，设备应该对于每个未超期的ssdp:alive消息多播方式传送ssdp:byebye消息。但如果设备突然从网络卸载，它可能来不及发出这个通知消息。因此，发现消息必须在CACHE-CONTROL包含超时值，如果不重新发出广告消息，发现消息最后超时并从控制点的缓存中除去。典型的设备卸载消息格式如下：
NOTIFY * HTTP/1.1 HOST: 239.255.255.250:1900NT: search target NTS: ssdp:byebye USN: advertisement UUID各HTTP协议头的含义简介： HOST 设置为协议保留多播地址和端口，必须是239.255.255.250:1900 NT 在此消息中，NT头必须为服务的服务类型。 NTS 表示通知消息的子类型，必须为ssdp:alive USN 表示不同服务的统一服务名，它提供了一种标识出相同类型服务的能力。 |
3.2 设备查询消息
当一个控制点加入到网络中时，设备发现过程允许控制点寻找网络上感兴趣的设备。发现消息包括设备的一些特定信息或者某项服务的信息，例如它的类型、标识符、和指向XML设备描述文档的指针。从设备获得响应从本质上说，内容与多址传送的设备广播相同，只是采用单址传送方式。设备查询通过HTTP协议扩展M-SEARCH方法实现的。典型的设备查询请求消息格式：
M-SEARCH * HTTP/1.1 HOST: 239.255.255.250:1900 MAN: "ssdp:discover" MX: seconds to delay response ST: search target |
各HTTP协议头的含义简介：
| HOST | 设置为协议保留多播地址和端口，必须是239.255.255.250:1900。 |
| MAN | 设置协议查询的类型，必须是"ssdp:discover"。 |
| MX | 设置设备响应最长等待时间，设备响应在0和这个值之间随机选择响应延迟的值。这样可以为控制点响应平衡网络负载。 |
| ST | 设置服务查询的目标，它必须是下面的类型： ssdp:all 搜索所有设备和服务 upnp:rootdevice 仅搜索网络中的根设备 uuid:device-UUID 查询UUID标识的设备 urn:schemas-upnp-org:device:device-Type:version 查询device-Type字段指定的设备类型，设备类型和版本由UPNP组织定义。 urn:schemas-upnp-org:service:service-Type:version 查询service-Type字段指定的服务类型，服务类型和版本由UPNP组织定义。 |
在设备接收到查询请求并且查询类型（ST字段值）与此设备匹配时，设备必须向多播地址239.255.255.250:1900回应响应消息。典型：
HTTP/1.1 200 OK CACHE-CONTROL: max-age = seconds until advertisement expires DATE: when reponse was generated EXT: LOCATION: URL for UPnP description for root device SERVER: OS/Version UPNP/1.0 product/version ST: search target USN: advertisement UUID |
各HTTP协议头的含义简介：
| CACHE-CONTROL | max-age指定通知消息存活时间，如果超过此时间间隔，控制点可以认为设备不存在 |
| DATE | 指定响应生成的时间 |
| EXT | 向控制点确认MAN头域已经被设备理解 |
| LOCATION | 包含根设备描述得URL地址 |
| SERVER | 饱含操作系统名，版本，产品名和产品版本信息 |
| ST | 内容和意义与查询请求的相应字段相同 |
| USN | 表示不同服务的统一服务名，它提供了一种标识出相同类型服务的能力。 |
在所有的发现通知中，表示UPnP根设备描述的LOCATION和统一服务名(USN)必须提供。此外，在响应消息中查询目标头(ST)必须与LOCATION和统一服务名(USN)一起提供。
专有设备或服务可以不遵循标准的UPNP模版。但如果设备或服务提供UPNP发现、描述、控制和事件过程的所有对象，它的行为就像一个标准的UPNP设备或服务。为了避免命名冲突，使用专有设备命名时除了UPNP域之外必须包含一个前缀"urn:schemas-upnp-org"。在与标准模版相同时，应该使用整数版本号。但如果与标准模版不同，不可以使用设备复用和徽标。
简单设备发现协议不提供高级的查询功能，也就是说，不能完成某个具有某种服务的设备这样的复合查询。在完成设备或者服务发现之后，控制点可以通过设备或服务描述的URL地址完成更为精确的信息查询。
参考资料
RFC 2616:
关于超文本传输协议（HTTP 1.1）原文IETF的RFC文档 http://www.ietf.org/rfc/rfc2616.txt?number=2616
SSDP协议:
简单服务发现协议，协议原文参考 http://www.upnp.org/download/draft_cai_ssdp_v1_03.txt
GENA:
通用事件通知结构，协议原文参考 http://www.upnp.org/download/draft-cohen-gena-client-01.txt
HTTPU和HTTPMU:
在UDP上实现HTTP协议传送以及HTTP协议多址传送。协议规范参考 http://www.upnp.org/download/draft-goland-http-udp-04.txt