智能家居：智能家居系统网关与服务器连接方案

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智能家居

　　在新型智能家居系统中，家庭网关将取代 pc 机作为家庭控制中心。传统客户端/服务器模式不能保持家庭网关与远程服务器实时连接。基于百万级的家庭网关与服务器保持长连接的目的，采用主从服务器框架进行负载均衡，心跳机制保障网关与服务器实时连接的方案。

　　1、新型智能家居系统整体框架

　　基于传统c/s架构的智能家居系统需要保持一台pc 机运行中间件才能达到随时控制的目的，这与智能家居绿色节能的理念相违背。在光纤到户的推动下，pon上行家庭网关在全国得到普及，并且有低功耗保持长时间工作的特点，适合用于智能家居系统中。

　　本方案设计一种新型智能家居系统，由家庭网关替代pc成为家庭网络控制中心。围绕家庭网关与远程服务器互联问题展开，探讨一种适合家庭网关与远程服务器的连接方案。基于家庭网关的智能家居系统整体框架如图1 所示。智能家居系统由传感器网络，家庭控制中心，远程服务器，手机终端组成。其中传感器网络通过Zig bee、wi-Fi等无线通信技术组建。

　　传^{<美国独立服务器>}统的智能家居系统中控制中心采用家用pc 和协调器等设备，新型的智能家居系统如图 1 所示，采用家庭网关充当家庭控制中心的角色。

　　2、新型智能家居系统中家庭网关与服务器连接的设计与实现

　　2.1 远程服务器方案设计

　　传统的服务器方案往往使用单一服务器模式，传统业务不需要客户端与服务器保持长连接，客户端获取数据时发送一个连接即可。并且客户端运行在 pc 机上，客户端对服务器发起连接后，服务器可暂存客户端的ip 地址和端口，当服务器需要给客户端发送数据时直接用客户端的ip 地址和端口号即可。所以用单一服务器即能满足传统业务的需求。

　　当业务量大的时候，传统服务器采用服务器集群技术来保证服务器不因业务量过大而瘫痪。随着智能家居网关用户逐步上升，用户将达到百万级。每个网关都要与服务器保持长连接，同时服务器还要与手机端通信。为了保证服务器的负载会达到百万级时，其仍能正常其正常工作，本方案采用主从服务器框架来实现负载均衡。主服务器负责网关与服务器首次建立连接，然后根据地理位置等因素为网关分配一个从服务器并告知其 ip 等信息，网关再根据从服务器信息对从服务器发起连接，建立连接后网关与从服务器保持长连接并断开与主服务器的连接。

　　主服务器对手机终端也是如此，只负责首次建立连接，判断该手机号控制的网关分配到哪个从服务器，然后让其对从服务器进行连接。

　　本方案设计的服务器框架如图 2 所示，由主服务器和从服务器组成，网关第一次连接或者与服务器连接中断后重连都是对主服务器发起，主服务器收到网关发起的连接信息后进行认证，查看是否在服务网关列表，认证成功后分配从服务器 ip 和服务号给网关。从服务器用于保持与网关的长连接，一方面可以对网关发送控制命令，一方面可接收网关上报的监控信息。备用主服务器用于主服务器故障时切换使用。

　　2.2 家庭网关与远程服务器连接方案的设计

　　家庭网关所属的网络环境为电信运营商的子网环境，ip动态更改，并且经过了多层 nAt 转换，服务器无法对网关发起主动连接。而用户需要随时对家庭设备进行控制，服务器必须随时能够对网关发起连接。为了实现家庭网关与远程服务器互相通信。

　　本方案采用 socket 长连接模式实现，服务器配置固定 ip，网关上电后发起对服务器的 socket 连接，连接成功后保持连接不中断，服务器可通过此 socket 连接收发网关的信息。

　　2.2.1 网关与服务器长连接及意外中断恢复的设计实现

　　用户需要随时远程监控家庭信息，例如回家路上打开空调，离开的路上关掉电源等，网关也需要随时向用户反馈家庭异常，例如烟雾报警信息，所以家庭网关必须与服务器随时保持连接。

　　本方案采用心跳包监控网关与服务器之间的长连接，当网关与服务器连接成功后，服务器每隔一段时间（暂时设置为 15 s）向网关发送心跳包，网关接收到心跳包后需立即回应心跳包给服务器。若超过 5 次无回应，则判定为连接断。

　　服务器会将次网关在线标志位置为0，同样家庭网关上线后会有监控心跳线程，若连续 75 s 内无心跳信息，则会判定已与服务器断开连接，网关会自动重启连接服务器线程。

　　2.2.2 家庭网关控制权安全性的设计

　　家庭网关的控制权必须是保证是家庭成员，不能让陌生人取得控制权，否则会带来不可估量的后果。家庭网关存储有一个可控手机号列表，必须通过本地 web 连接后才能更改，不能远程更改（防止黑客等利用漏洞远程添加控制权）。网关连接服务器后会上报可控手机号列表，只有在列表中的号码才能远程登录服务器，并且手机远程登录服务器还要短信验证码配合，防止他人伪装登录。手机登录服务器后，发送控制家庭网关的命令时会在消息头部增加手机号信息，网关收到信息后会核对该手机号是否在本地可控手机号列表中（防止服务器的手机号列表与网关本地手机号列表不一致）。

　　2.3 家庭网关连接控制模块工作流程

　　家庭网关的软件流程如图 4 所示，上电后初始化，然后向主服务器发送连接信息，若无法连接主服务器则向备用主服务器发送连接信息。连接上主服务器后会上报自身的一些信息，包括可控手机号列表，主服务器会根据地理位置等信息返回一个最近的从服务器序号和 ip 地址等信息，然后网关连接从服务器。

　　若连接从服务器连接不上，则会反馈给主服务器，主服务器会返回另一个从服务器的序号和 ip 地址信息用于连接。连接好从服务器后，家庭网关即可实现远程监控，但必须与从服务器保持心跳连接，才能保证其是可控状态。

　　2.4 模拟测试的测试步骤和结果

　　本模拟测试方案中，为使数据库访问效率满足性能要求，且 pc 远程控制可直接用浏览器实现，主服务器采用 pHp的 Yii 框架搭建的 web 服务器，手机等终端和家庭网关连接主服务器则需要建立一个 socket 连接并把数据封装为 https协议。主服务器负责存储网关信息，可控手机号列表等信息，并负责分发从服务器序号和 ip 给网关，查找与手机号配对的网关所在的从服务器序号和 ip 并发送给认证后的手机。

　　从服务器则采用 pHp 的 workerman 框架来搭建，此框架是一个基于 pHp 的 socket 服务框架。网关与从服务器连接后保持心跳，手机获取从服务器序号和 ip 后连接从服务器，根据网关服务号绑定与网关在同一个服务号里，在一个服务号里可包含多个手机，但只能一个网关，手机和网关之间可以互相通信。服务器端打开 workerman 的进程，开启服务，如图 5 所示。

　　网关远程登录到服务器，id 为 67，服务号为 1，与服务器保持心跳连接，如图 6 所示。浏览器远程登录，服务器认证后分配其 id 为 68，匹配到网关所在服务号为 1，向网关（id 为 67）发出指令“light1 turn on”，服务器将指令转发给网^{<香港站群服务器租用>}关。

　　结语

　　模拟实现结果表明，通过心跳保持家庭网关与远程服务器长连接，分配服务号保证手机与家庭网关相关联的方案可行。用家庭网关代替传统 pc 作为智能家居系统中家庭的控制中心，能充分利用现有家庭网关资源。

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　　香港服务器托管提供商提供服务器群集技术特征的分析

　　在服务器租用的过程中，我们会考虑到技术方面的问题，面对服务器集群技术方面，我们又应该做出哪些更好的理解，就需要看看便宜服务器租用托管小编为您整理的这篇文章了。

　　服务器集群技术的特点和功能高可应用性与可扩展性

　　1.高可应用性

　　对于一些实时性很强的应用系统，必须保持服务的24小时不间断运行，而由于软件、硬件、网络和人为等各种原因，单一服务运行环境很难达到这种要求，此时构建一个服务器集群系统是个不错的选择。构建集群的一个最大的优点是集群具有高可用性，在服务出现故障时，服务器集群系统可以自动将服务从故障节点切换到另一个备用节点，从而提供不间断性服务，保证了业务的持续运行。

　^{<免备案服务器>}　2.可扩展性

　　随着业务量的加大，现有的集群服务实体不能，满足需求时，可以向此集群中动态加入一个或多个服务节点，从而满足应用的需要，增强集群的整体性能，这就是集群的可扩展性。

　　负载均衡与错误恢复

　　1.负载均衡

　　服务器集群系统最大的特点是可以灵活、有效地分担系统负载，通过集群自定义的负载分担策略，将客户端的访问分配到下面的各个节点。例如，可以定义轮询分配策略，将请求平均分配到各个服务节点，还可以定义最小负载分配策略，当一个请求进行时，服务器集群系统判断哪个服务器节点比较清闲，就将此请求分发到这个节点。

　　2.错误恢复

　　当一个任务在一个节点上好没有完成时，由于某种原因，执行失败，此时，另一个服务节点应该能接着完成此任务，这就是服务器集群提供的错误恢复功能，通过错误的重定向，保证了每个执行任务都能有效完成。

　　心跳监测与漂移IP

　　1.心跳监测

　　为了能实现负载均衡、提供高可用服务和执行错误恢复，服务器集群系统提供了心跳监测技术。心跳监测是通过心跳线实现的，可以做心跳线的设备有RS232串口线，也可以用独立的一块网卡来跑心跳，还可以是共享磁盘阵列等。心跳线的数量应该为服务器集群节点数减1。需要注意的是，如果通过网卡来做心跳的话，每个节点需要两块网卡，其中，一块作为私有网络直接连接到对方及其相应的网卡，用来监测对方心跳;另一块网卡连接到公共网络对外提供服务，同时心跳网卡和服务网卡的IP地址尽量不要在一个网段内。心跳监控的效率直接影响故障切换时间的长短，服务器集群系统正是通过心跳技术保持着节点的内部有效通信。

　　2.漂移IP地址

　　在服务器集群系统中，除了每个服务节点自身的真实IP地址外，还存在一个漂移IP地址。为什么说是漂移IP呢?因为这个IP地址并不固定，例如在两个节点的双机热备中，正常状态下，合格漂移IP位于主节点上，当主节点出现故障后，漂移IP地址自动切换到备用节点上。因此，为了保证服务器的不间断性。在集群系统，对外提供的服务IP一定要是这个漂移IP地址，虽然节点本身的IP也能对外提供服务，但是当此节点失效后，服务切换到了另一个节点，服务IP仍然是故障节点的IP地址，此时服务就随之中断了。

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