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平台设计
作者:
指导教师:
南京大学研究生毕业论文
南京大学软件学院
2006年5月
TheDesignofSTB-MWPlatformBasedonImprovedMiddlewareStandard
QIAN,Jing
SubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineering
Supervisedby
ProfessorJIN,Zhiquan
AssociateProfessorSHAO,Dong
SoftwareInstitute
NANJINGUNIVERSITY
Nanjing,China
May,2006
摘要
机顶盒中间件系统是建立在数字电视接收设备驱动层之上,为交互应用提供完整的应用编程接口的软件平台。
为了实现数字电视交互式功能的标准化,同时使服务项目(以应用程序的形式通过传输信道)下载到用户终端机顶盒的数据量减小到最低限度,中间件平台的设计非常重要。
国内目前在数字电视中间件标准的技术研究方面公开的资料较少,且没有中国自己的数字电视中间件标准。
在这样的背景下,本文分析了国际上主流的中间件标准。
详细分析了DVB-MHP标准,包括MHP的概念和架构,应用层次,API接口的定义以及各API的功能和MHP采用的安全策略框架。
根据我国当前数字电视的发展情况和技术现状,在分析了MHP标准的弱点后,本文提出并设计了基于改进中间件标准的STB-MW平台。
STB-MW平台以J2ME为基础、兼容HTML、采用资源管理器并支持中文字库。
该平台分为中间件适配层、文件处理模块、系统资源管理模块、SI模块、应用管理器模块、图形处理模块、字库引擎模块、CA模块、AV模块、调试模块、JVM和EPG等层次。
本文分析了各个组成模块的功能和实现原理,对STB-MW平台的资源管理模块,应用管理模块以及SI库的访问做了进一步的实现。
STB-MW平台可以为数字电视厂商实现跨平台服务提供基础平台支持。
其模块化的设计使得STB-MW平台能够独立于操作系统、独立于硬件平台、具有良好的可移植性、可扩展性。
关键词:
数字电视机顶盒,机顶盒中间件,中间件标准,DVB-MHP
Abstract
Set-topBox,aMiddlewareSystem,isfoundedonDriverLayerofDigitalTVReceiverandprovidesacompleteAPIinterfaceformutualapplications.ThedesignofmiddlewareplatformisimportantforthestandardizationofMutualinteractionofDigitalTVandthedataminimizationdownloadingtotheuser-endset-topboxforservicesintheformofapplicationthroughtransmissionchannel.
Currently,theresearchonDTVmiddlewarestandardinlandislimitedandChinadoesn’thaveitsownDTVmiddlewarestandard.Thispaperanalysesmiddlewarestandardsnowpopularinternationally.ItelaboratesDVB-MHPstandard,includingtheconceptandarchitectureofMHP,itsapplicationlayers,APIfunctionsandthesecuremodel.
AccordingtothedevelopmentandpresenttechnologyavailableforDTVinChina,thepaperputsforwardtheSTB-MVplatformbasedontheimprovedmiddlewarestandardafteranalysisofweakpointsofMHPstandard.STB-MWplatformisbasedonJ2MEandiscompatiblewithHTML.ItusesresourcemanagerandsupportsChinesecharacter.Theplatformiscomposedofmiddlewareadaptivelayer,filemanipulationmodule,systemresourcemanagementmodule,SImodule,applicationmanagementmodule,graphicsmanipulationmodule,characterdatabaseenginemodule,CAmodule,AVmodule,debugmodule,JVMandEPGetc.layers.Thepaperanalysesthefunctionsandimplementationprinciplesofeverymoduleandimplementstheresourcemanagementmodule,applicationmanagementmoduleandaccesstoSIdatabaseofSTB-MWplatform.
STB-MWplatformcanprovidesfundamentalplatformsupportfortheinter-platformservicesofmanufacturersofDTV.ThemodulardesignmakestheSTB-MVplatformindependentofOSandhardware,andgoodportabilityandexpansibility.
.
Keywords:
DigitalTVSet-topBox,Set-topBoxMiddleware,MiddlewareStandard,DVB-MHP.
目录
第一章引言1
1.1数字电视系统1
1.2中间件的概念2
1.3中间件系统的主要模块和功能3
1.3.1机顶盒驱动层及CA接口(STBDriverLayer)3
1.3.2核心系统模块(CoreSystemModules)3
1.3.3Java虚拟机(JVM)4
1.3.4网页浏览器(WebEngine)4
1.3.5应用编程接口(JavaAPIs)4
1.3.6应用程序(InteractiveApplications)4
1.4本文的工作5
第二章数字电视中间件标准6
2.1国际相关标准6
2.1.1欧洲的中间件标准6
2.1.2美国的中间件标准6
2.1.3日本的中间件标准7
2.2DVB-MHP7
2.2.1MHP的概念和架构7
2.2.2MHP的应用层次8
2.2.3MHP的API8
2.2.4MHP的安全性框架9
2.3小结10
第三章基于J2ME的机顶盒中间件平台(STB-MW)11
3.1DVB-MHP标准分析11
3.1.1MHP的Java平台11
3.1.2DVB-HTML标准11
3.1.3资源的管理11
3.2中间件平台的优化11
3.2.1Java平台11
3.2.2兼容HTML11
3.2.3资源管理器12
3.2.4中文字库12
3.3STB-MW平台12
3.3.1中间件适配层12
3.3.2文件处理模块12
3.3.3系统资源管理模块12
3.3.4SI模块12
3.3.5应用管理器模块12
3.3.6图像处理模块12
3.3.7字库处理模块13
3.3.8AV模块13
3.3.9调试模块13
3.3.10CA模块13
3.3.11Java平台13
3.4小结13
第四章实现14
4.1资源管理模块14
4.1.1客户端资源14
4.1.2接收端资源14
4.1.3资源管理器和监控程序14
4.2SI模块15
4.2.1SI库的访问15
4.2.2缓存模块的实现15
4.3应用管理器15
4.3.1JVM应用的状态机15
4.3.2多应用支持16
4.3.3兼容HTML16
4.4STB-MW平台特点16
4.4.1资源管理器的使用16
4.4.2兼容HTML16
4.4.3可塑性和可组合性。
16
4.5小结16
第五章总结和展望17
5.1论文小结17
5.1.1本文背景17
5.1.2本文工作18
5.2工作展望19
参考文献20
致谢24
附录25
参与项目26
图表目录
图1.1数字电视系统主要构成1
图1.2机顶盒的硬软件层次结构2
图2.1数字电视机顶盒开放业务平台7
图2.2MHP的各个层次8
图4.1ResourceContentionManager定义15
第一章引言
1.1数字电视系统
数字电视被称作继黑白电视和彩色电视之后的第三代电视,是电视技术发展史上的一个重大进步。
数字电视是数字技术、微电子技术、网络技术和软件技术等高新技术的综合应用,在信息化社会中占有重要的地位。
数字电视系统[陈熙霖等,2001]的构成如图1.1所示,视、音频信号经编码器编码后与数据广播信号及条件接收系统产生的信息一起送入复用器,再经过调制器调制后进入传输通道。
在用户接收端,数字机顶盒[姜秀华等,2003]完成解调、解复用和解码的工作,利用本机存储的应用和可下载的应用程序,实现了机顶盒的各种功能。
数字机顶盒理论上可以支持所有的广播和交互式多媒体应用。
随着数字电视收费业务推广和互动电视的成熟,条件接收系统技术和数字机顶盒中间件技术的研究和开发就得到了越来越多的重视。
图1.1数字电视系统主要构成
随着数字电视技术的发展,开放式业务系统成为数字电视发展的主流,互动电视是数字电视技术发展引发的一场革命,是数字电视发展的产业方向,而其核心技术之一就是中间件技术。
1.2中间件的概念
中间件可视同开放式系统互联(OSI)七层模型的应用层、表示层和会晤层,是定义两个设备之间进行通信的一套协议的网络架构。
在数字电视领域,中间件(Middleware)特别是指嵌入在电视接收端、基于接收设备驱动层软件之上、隔绝交互应用与系统资源的一层软件系统。
中间件的作用在于隔离开机顶盒的应用程序与具体的底层硬件和网络部件,机顶盒应用程序可以透明地在网络上运行,而不必涉及底层的网络协议。
中间件以应用程序接口(ApplicationProgrammingInterface,API)的形式存在,整个API集合被存储在机顶盒的闪存FLASH中。
因此使用通用API编写应用程序简化了开发步骤。
图1.2机顶盒的硬软件层次结构
如图1.2所示,数字电视机顶盒[郑志航,2001]由硬件、嵌入式操作系统、表述引擎和执行虚拟机、中间件及应用程序组成。
节目服务商将各种服务项目以应用程序的形式通过传输信道(例如宽带多媒体数据网,有线电视网络)发布(例如电子节目指南,ElectronicProgramGuide,EPG),用户打开电视机通过机顶盒浏览。
用户的需求信息(例如视频点播,Video-on-Demand,VOD)通过上传信道(例如电话线MODEM,或有线电视电缆)传输到视频服务器,并根据请求选择相应的服务项目以应用程序的形式通过传输信道下载到用户终端-机顶盒的闪存FLASH中。
应用程序调用机顶盒FLASH内的中间件所包含的API,执行应用程序,完成用户请求的功能。
中间件的目的是使机顶盒基本的和通用的功能以API的形式提供给机顶盒生产厂家,以实现数字电视交互式功能的标准化,同时使服务项目(以应用程序的形式通过传输信道)下载到用户终端-机顶盒的数据量减小到最低限度,从而将应用的开发变得更加简捷,使产品的开放性和可移植性更强。
这样在同一电视网路中,不同硬件组成和设计架构的机顶盒均能使用。
同时,不同的软件公司可以基于统一的编程接口开发应用程序,能够在不同的机顶盒上运行。
在国际上,中间件技术的研究已有10年,而且逐渐趋于成熟,已被广泛应用于媒体和网络。
而中国的中间件技术应用却还处于推广前期。
中间件标准的不统一是问题之一。
国际上虽然已经有DVB-MHP(DigitalVideoBroadcasting-MultimediaHomePlatform)[DVB-MHP,2002]和OCAP(OpenCableApplicationPlatform)[OCAP,2002]等主流标准,但尚没有统一的国际中间件标准。
即使有了国际标准,仍然没有中国国家标准。
中间件的应用与节目内容直接相关,展现在用户端的节目内容和服务业务,无论是语言文化,还是地域文化,以及社会体制和运营机制,都必须符合节目内容和体制的需求,才能通过分类规范API接口,开发本地化的实际应用。
1.3中间件系统的主要模块和功能
中间件系统一般包含下列模块[廖洪涛,2003]。
1.3.1机顶盒驱动层及CA接口(STBDriverLayer)
此层的功能由系统移植接口定义,提供MPEG-2表格数据提取、条件接收和智能卡控制、信道参数设定、音/视频流控制、Modem管理、Flash存储管理以及其他功能。
1.3.2核心系统模块(CoreSystemModules)
核心管理模块由一系列模块组成,包括内存管理、线程调控、事件管理、安全性控制、数据下载管理及网络协议管理(TCP/IP、PPP、HTTP)等。
在核心模块中,典型的有图像与多媒体处理模块以及SI引擎模块。
●图像与多媒体模块(Graphics&AVsystem)
图像与多媒体模块与下层平台接口,提供高级函数用于绘图、多视窗管理以及音/视频控制等。
●SI引擎(ServiceInformationEngine)
SI模块用于管理服务信息(SI)数据库,负责提取事件信息表(EventInformationTable,EIT)、节目映射表(ProgramMapTable,PMT)等常用SI表格数据,并且具有监察功能。
可提供频道搜寻时已储存的数据,如频道名称等。
1.3.3Java虚拟机(JVM)
Java虚拟机用来解译执行Java应用程序,并提供Java程序调试、寻错(Debug)等功能。
1.3.4网页浏览器(WebEngine)
支持HTML3.2/4.0、XHTML、DOM/CSS等,显示HTML网页,提供上网功能。
1.3.5应用编程接口(JavaAPIs)
JavaAPIs包含有多个Java程序包,用于开发交互式应用软件。
包括一些嵌入式Java的程序包和一系列用于数字电视的专用程序包,如图形显示、多媒体控制、SI数据装载和存取、回路控制及系统资源管理等,此外还提供控制Web浏览器和运行JavaApplet的程序包。
1.3.6应用程序(InteractiveApplications)
应用程序并不属于接收端中间件系统,而是建立在中间件系统标准界面之上,可以提供各种各样的交互应用功能,如电子节目指南、游戏、网上购物、电子银行等。
内置于接收端中间件系统的应用控制器(ApplicationManager)是协调各种交互式应用程序不可或缺的管理模块。
1.4本文的工作
国内目前在数字电视中间件标准的技术研究方面公开的资料很少,且没有中国自己的数字电视中间件标准。
本文正是在这样的背景下,首先分析了国际上主流的中间件标准。
总结了DVB-MHP(DigitalVideoBroadcastingMultimediaHomePlatform)标准,包括MHP的概念和架构,应用层次,API接口的定义以及各API(ApplicationProgrammingInterface)的功能和MHP采用的安全策略框架。
接着根据我国当前数字电视的发展情况和技术现状,分析了MHP标准中的弱点,并且提出了解决方案。
并基于改进的方案设计了STB-MW(Set-TopBoxMiddleware)平台,将该平台分为中间件适配层、文件处理模块、系统资源管理模块、SI模块、应用管理器模块、图形处理模块、字库引擎模块、CA模块、AV模块、调试模块、JVM和EPG等层次。
详细分析了STB-MW平台中各个组成模块的功能和实现原理,对STB-MW平台的资源管理模块,应用管理模块以及SI库的访问做了更进一步的实现。
本文的组织结构如下:
第一章引言部分对数字电视系统,数字电视中间件以及中间件系统的主要模块和功能做了一个简单的介绍。
第二章分析了国际上主流的中间件标准,深入分析了DVB-MHP标准。
第三章分析了DVB-MHP标准的弱点,并且提出了解决方案,依据改进的中间件标准设计了STB-MW平台,并对平台的各组成模块进行了功能和实现原理的分析。
第四章对STB-MW平台的资源管理模块,应用管理模块以及SI库的访问做了更进一步的实现。
第五章对论文期间所做工作进行了总结,分析了下一步的工作,对数字电视机顶盒中间件未来作了一个展望。
第二章数字电视中间件标准
2.1国际相关标准
在国际上,数字电视中间件技术的研究已经有10年,而且逐渐趋于成熟,已被广泛应用于媒体和网络。
不同的中间件系统会提供不同的与下层驱动资源模块接口以及与上层应用的编程接口,因此不同的系统之间不能互通。
中间件标准的主要内容就是规范统一的中间件接口,以便以此开发的应用程序能够通用。
国际上主要的中间件标准有欧洲的DVB-MHP(DigitalBroadcastingSystems-MultimediaHomePlatform)规范,美国的ATVEF(AdvancedTelevisionEnhancementForumSpecificationforInteractiveTelevision)规范[ATVEF,2002]、CabLabs的OCAP(OpenCableApplicationPlatform)规范和日本的ARIB(AssociationofRadioIndustriesandBusinesses)规范[ARIB,2002]。
2.1.1欧洲的中间件标准
欧洲于1993年提出了对于数字电视交互业务和交互式数字电视技术的研发。
在DVB的倡导和资助下,欧洲于1998年成立中间件标准工作组(TechnicalissuesAssociatedwithMHP,TAM),致力于数字电视通用家庭平台的研究,即为后来的MHP标准。
2.1.2美国的中间件标准
美国有一系列的中间件标准,如ATVEF(AdvancedTelevision
EnhancementForumSpecificationforInteractiveTelevision),DASE(DTVApplicationSoftwareEnvironment)[DASE,2002]等。
2.1.3日本的中间件标准
日本的ARIB(AssociationofRadioIndustriesandBusinesses)标准[ARIB,2002]主要基于BML(XML的一种形式,作为内容的播发格式)和DSMCC(DigitalStorageMediaCommandandControl)DataCarousel(DSMCC数据转盘),并增加扩展了JavaScript以便更好地编写交互式应用。
由于BML语言的规范,符合未来电子商务的要求,而DSMCC数据转盘是一种实现起来也不复杂的数据传输国际标准。
2.2DVB-MHP
2.2.1MHP的概念和架构
MHP(MultimediaHomePlatform)是欧洲DVB(DigitalVideoBroadcasting)组织制定的数字电视应用发展的多媒体家用平台标准,此标准特色是具有互通性(interoperability),可调性(scalability),可延伸性(extensibility),可升级性(upgradability)。
DVB-MHP标准可分别处理数据和应用程序,并支持条件接收付费系统(ConditionalAccess),是一个开放的标准。
图2.1数字电视机顶盒开放业务平台
2.2.2MHP的应用层次
MHP把所有的交互作用按照应用领域[陈焕经等,2003]划分成三个层次:
增强广播,交互广播和Internet访问。
●增强广播(EnhancedBroadcastingProfile):
该层次的应用支持单向广播业务和本地交互业务,不需要回传信道,只需下载应用后,在本地与视音频实现交互;
支持单向广播业务和本地交互业务,包括JavaVM、DVB-JAPIs和广播传送协议,HTML子集作为插件。
●交互广播(InteractiveBroadcastProfile):
该层次是增强广播的超集,应用需要回传信道,能够实现真正的交互;
对增强广播层的扩展有用于交互应用的DVB-JAPI和交互传送协议,HTML子集作为选件。
●Internet访问(Internet Access):
该层次是交互广播的超集,增加的API有互联网接入APIs、IP广播传送协议和HTML,ECMAScript等描述协议。
其各层次的关系如下图:
图2.2MHP的各个层次
2.2.3MHP的API
基础DVB-JAPI集
2.2.4MHP的安全性框架
数字电视多媒体家庭平台(MHP)的安全体系是保证网络终端系统安全可靠运行的重要组成
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