インターネット ホームネットワーク 4 SIP WD 間シグナリング Sensor Gateway non- ホームネットワーク device Gateway 3. ワームホールデバイスと相互接続網 3.1 システム概要 シグナリング接続 ワームホールデバイスは従来同一ホームネットワー ク上だけで行

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1 ワームホールデバイス : 情報家電の遠隔相互接続支援機構 武藤大悟 吉永努 本論文では, 従来家庭内に閉じられている 情報家電の通信に対しソフトウェアによる遠隔通信支援機構を導入し, 複数家庭間でのコンテンツ共有 / 利用を実現する仕組みを提案する. ワームホールデバイスと呼ぶソフトウェアを各家庭に導入すると共に SIP サーバを利用し, 各家庭に設置された 情報家電間での通信をサポートする. ワームホールデバイスは, 相互接続に必要なユーザ認証,NAT トラバーサル, 機器情報の管理, 通信の中継などを一括して行う. 提案する遠隔通信機構は, 一般的な家庭用インターネット接続機器や既存の 情報家電と親和性が高く, ユーザからの複雑な設定を必要としないことなどを特徴とする. : software-assisted remote communication mechanism for -based appliances DAIGO MUTO and TSUTOMU YOSINAGA We propose a software-assisted remote communication mechanism for -based household appliances, which are originally designed to use inside a single home network. We introduce a software module, called wormhole device, which integrates required tasks for remote communication among multiple home networks. Principal tasks of the wormhole device include NAT traversal setting, user authentication utilizing session initiation protocol (SIP), management of appliances information, and a function to relay communication. It enables user-friendly contents share between existing -appliances via common internet connection for homes. 1. はじめに 近年, デジタル技術を組み込んだテレビ,HDD/DVD レコーダ, カメラ等の家電製品が広く普及しつつある. なかでも (Digital Living Network Alliance) ガイド ライン [1] に準拠した AV 機器を中心とする情報家電は, その相互接続性の良さから注目されている. 一方で, 一般家庭向けのインターネット接続環境は,PC からの インターネット利用の需要拡大とともに浸透し, FTTH や ADSL などのブロードバンド回線が多くの家 庭で利用されている. また, 組み込みデバイス技術の 発達とそれに伴うユビキタスコンピューティングシー ンの増加で, 偏在するコンピューティング環境に合わ せてコンテンツを自在に送受信できるネットワークの 登場が期待されている. 現在 を中心としたホー ムネットワーク環境は, その範囲を同一の家庭内限定 しており, これらを家庭間もしくは屋外からの利用を 可能なものに拡張することは, アプリケーションの応 用可能性を大きく広げると考えられる. こうした背景の中で, 我々は複数の家庭間や屋外か らもホームネットワーク内のデジタル機器を制御, 利 用することができるコネクテッドホームに関する研究 電気通信大学大学院情報システム学研究科 Graduate School of Information Systems, the University of Electro-Communications を行っている. 本稿では, コネクテッドホームを実現するために, ガイドラインに準拠した機器を異なるホームネットワーク間で相互接続するための遠隔通信支援機構を提案する. 提案するホームネットワークでは, ワームホールデバイスと呼ぶソフトウェアを導入し, 既存の 情報家電や家庭用インターネット接続機器と親和性の高い遠隔通信機能を提供する. 2. コネクテッドホーム コネクテッドホームは様々な家電や携帯機器を結ぶネットワークを実現するための構想である. 情報家電のほかに各種センサー カメラや, 屋外に持ち出し可能な通信機能を有する携帯端末などの相互接続を実現する.( 図 1) デジタル TV や HDD/DVD レコーダなどの AV 家電やセンサをホームネットワークに結合し, さらにそのホームネットワークを家庭間や宅外の携帯デバイスに接続することで,AV コンテンツの家庭間, または携帯デバイスとの共有やテレビ電話機能などを実現する. これにより, たとえば, 離れた親族宅間メディアサーバとプレーヤを接続し, コンテンツの共有 再生等を行うことができる. また,IP ベースのホームネットワークにセンサゲートウエイを接続することで, センサデータの家庭間, または携帯デバイスとの共有, 遠隔カメラによる監視,TV 電話等の機能を提供する.

2 インターネット ホームネットワーク 4 SIP WD 間シグナリング Sensor Gateway non- ホームネットワーク device Gateway 3. ワームホールデバイスと相互接続網 3.1 システム概要 シグナリング接続 ワームホールデバイスは従来同一ホームネットワー ク上だけで行われる (Digital Media Server), (Digital Media Player) 間の通信を SIP 網 [2] につながった 別のホームネットワークに存在するワームホールデバ イスと協調してコンテンツ共有する機能を提供し, 異 なるホームネットワークを相互に接続することを実現 する., 間の通信手順は同一ホームネットワ ークにある時のそれと変わることはないため, 既存の, に実装変更を加える必要はない. 図 2 はワームホールデバイスとそれを接続する SIP を用いた相互接続網を示す ワームホールデバイス ( 以降 WD, 図 2:1) WD は独立したひとつの機器として家庭内に投入さ れ, ユーザ認証,NAT ルータへのポートマッピングの 設定, 同一ネットワーク上にある 機器情報の管 理,/ 間 通信の中継など相互接続に必 要な動作を一括的に行う. WD の操作は WD コントロールポイント ( 以降 WDCP, 図 2:3) から行う. WD と WDCP は, と Control Point として動作する.WD の 操作インターフェースを によって WD 本体から 分離することにより, ガイドラインにある 3 Box Control モデルに WD を参加させ, 統合的なインタ ーフェースをユーザに提供することができる. WDCP はユーザの操作に応じて, 接続先となるホー ムネットワークに所属する共有可能な機器の一覧を表 示する. ユーザはその中から接続する機器の選択し, 遠隔接続の開始 停止を操作する ( 図 2:2) 節で述べる NAT(Network Address Translator) に 起因する課題を解消するために本研究では, すでに広 く一般家庭に普及している - ( 対応 NAT ルータ ) [3] を利用する. SIP Server P2P 接続 図 1 Connected Home 概観図 SIP Server( 図 2:4) モバイルネットワーク 携帯電話 /PDA UA(User Agent) として WD をもつ SIP Server WD 操作 3 WD CP である.SIP の REGISTER リクエストによってこのサ ーバに登録された UA の間で交わされる SIP リクエス トを中継する. 登録する UA は digest 認証方式を用い て認証を通過しなければならないものとし, 中継され る SIP リクエストの発信者の身元に一定の信頼性を確 保する. 3.2 技術課題 WD 遠隔相互接続を行うにあたって解消する必要の ある技術課題を説明する NAT トラバーサル 情報家電の導入される IPv4 環境のホームネ ットワークは多くの場合プライベートアドレスの割り 当てられたネットワークであり,NAT を利用してイン ターネットに接続されている. NAT に起因する課題は以下の 2 つに大別できる. a) NAT によってグローバルネットワークへ接続さ れているプライベートネットワーク上の機器に 対しては, グローバルネットワーク側から接続を 開始することができない. b) データとして IP アドレスの情報を含むパケット をプライベートネットワークからグローバルネ ットワークに送出する場合, それらのアドレスが グローバル側のネットワークからも妥当である ように考慮しなければならない. a) については, 対応するグローバルアドレスの TCP もしくは UDP ポート番号をプライベートアドレスの 機器に割り当てるポートマッピングを用いることで解 消することができる.b) について, ホームネットワー クの機器はグローバルネットワークにパケットを送出 する際に自らが属するプライベートネットワークが持 つグローバルアドレス, すなわち外部 IP アドレスを取 得し利用することで解消することができる. - を実装したルータを利用すると, ポートマ ッピングの作成 削除, 外部 IP アドレス取得を, アプ リケーションから半自動的に行うことが可能である. WD は - へ Control Point として接続し, こうした操作を行うことで NAT に起因する問題を解 消する. 1WD 操作 通信の中継 2 通信の中継 コンテンツデータ転送 2 図 2 システム概観図 操作 通信の中継 1 WD 3 WD CP Transfer SIP Transfer WD 操作

3 Home network domain [] Control Point 1 Control Point 異なるドメインの 機器の検出の課題 スタックでは Control Point が同じネット ワークドメインにある を検出する方法と して SSDP (Simple Service Discovery Protocol) を用いる [4].SSDP はその通信の一部に UDP マルチキャストを 利用するがマルチキャストパケットを異なるネットワ ークに転送するには, 経由するルータの対応が必要で ある. また SSDP パケットは内部に IP アドレスを持つ ことから 中 b) で示した理由により直接転送した としても期待した動作を行うことができないない. そ こで,SSDP を使った機器検出をなんらかの方法で代 替する必要がある. これに対して WD は以下に示す方 法を使って対応する. まず, それぞれのドメインの WD は同じドメイン内の を SSDP によって検出 する ( 図 3 中 1~2).WD は検出したこれら同一ドメ インにある機器についての要約を作成し, 通信先の WD と交換する ( 図 3:3). ユーザが要約の中にある機 器を公開することを選択すると WD は通信先 WD に指 定された機器の公開を要求すし, 公開の対象となるデ バイスの動作を模す プロセスが動作する. このプロセスは実際の公開先にあるデバイスと同様の 動作で SSDP のリクエストを処理する. これにより, は従来どおりの SSDP の処理に従いながら異な るドメインの を検出することができる. プロセスの詳しい動作については 節で後 述する. multicast 4advertise AV 通信の中継 Digital Media Server( 以降 ) Digital Media Server( 以降 ) の間の通信は 通信のほかに Protocol [5](HTTP-GET, RTP 等 ) に よりコンテンツデータの授受が行われる ( 図 4). これら 2 種類の通信を適切な方法で接続中継する必要が生じ る. これについて WD は 通信の中継を行う サービス, Protocol のトク に HTTP-GET 通信の中継を行う http サービス を用いて転送を行う. その詳しい方法については 節を参照されたい. 3 Root Summary [sip] 図 3 SSDP 情報の転送 Home network domain [] 1 2 responses multicast 1 search 2 responses service device service 2 service1 service2 Digital Media Server () ContentDirectory Service ConnnectionManager Service 4. 実装及び実験 我々は WD のプロトタイプを開発し, ホームネット ワーク環境を構築した後. それらを相互に接続する実 証実験の結果から評価を行った. 4.1 WD プロトタイプの実装 我々は WD のプロトタイプを開発した.WD のプロ トタイプは PC-Linux 上で動作するプログラムで C 言 語を用いて実装した. ライブラリに Portable SDK, The GNU osip library, The extended osip library を利用 した. AVTransport Service Transfer Server Process (HTTP serverなど ) WD はプログラム本体と XML で記述された設定フ ァイルからなる. 設定ファイルには必須の設定項目に WD に割り当てる SIP UID. WD が利用する SIP Outbound Server. SIP UID に対応した Authentication Name. SIP UID に対応した Authentication Password. がある. これらの項目はユーザが初回起動時に設定す る方法のほかに, 出荷時に契約者情報としてあらかじ め設定しておく方法が考えられる. このプロトタイプ ではユーザインターフェースとして CUI のコマンドラ インインターフェースを提供している. コマンドには は遠隔のデバイスを表示する GetSummary 機 器の共有を開始する Open, 機器の共有を接続 する Close などが用意されている WD の SIP による通信の実現 WD のプロトタイプは SIP 経路で通信を行うにあた り, 最初に SIP Server に REGISTER リクエスト を発行する. この際,WD は SIP Server からの着 信を受け取るためのポートマップを得るために に Add Port Map アクションを発行するほか, REGISTER リクエストの Contact ヘッダに含めること となる外部 IP アドレスを に Get External IP Address アクションを発行することにより得る. また このプロトタイプで SIP Server は接続してきた WD の発行した REGISTER リクエストや SIP Message リクエストに対して認証を要求することとした. これ に対して WD は設定ファイルにある Authentication Name,Authentication Password を用いてダイジェスト 認証を行う. Standard Actions Out-Of-Band Transfer Protocol HTTP-GET など WD 間のシグナリングの実現 Digital Media Player (Control Point) 図 4 中継すべき AV の通信 相互接続の両端のドメインに存在する WD の通信は 網上の SIP Server が中継して行われる. WD の

4 Original プロトタイプは,WD 同士のシグナリングに SIP の MESSAGE メソッドを利用したリクエスト [6] を UID を指定した上で SIP Server へ送出する. リクエス トの message-body には XML に整形された RPC(Remote Procedure Call) メッセージを挿入し, これ を受け取った受信側の WD は message-body に RPC に 対する戻り値を設定した 200 OK の応答を返信する. WD のプロトタイプでは,RPC メッセージはコマン ド名と引数を, 応答は戻り値, エラーコード, エラー メッセージとした Root 要約情報の交換の実現 デバイスを検出する SSDP について, 中継す る必要性とその方法は 3.3 節にすでに述べた.WD の プロトタイプはこれを実現するにあたって 4.2 節で述 べた RPC メッセージを利用する. WD プロトタイプは起動するとまず, ローカルネッ トワーク上の Root を SSDP によって検出 してそれらを要約したデータ Root Summary を 作成する. 検出した結果の要約には 機器 UDN friendlyname devicetype がそれぞれ列挙されている.WD はこの Root Summary を XML に整形した後,RPC メッセージ GetSummary を受信したときに応答として送信 する 通信の中継の実現 WD のプロトタイプでは, 機器の共有が開始 されると プロセスが起動する. このプロ セスは, 起動時に対象とする の Description XML の URL を指定すると, そこから Description XML と関係する Service Description XML, アイコンファイルなどをすべてダウンロードし ( 図 5:1), それを元に サービスを起動 する ( 図 5:2). このことで, は対象とす る とまったく同じサービス内容のデバイ スが起動されたこととなる. はほかの Control Point から Action を受け付けると, その 内容をそのまま対象とするデバイスに転送し, 対象と するデバイスから応答があった場合それをそのまま Control Point に転送する ( 図 5:3). Control Point Action root devicea 1Download Description XML service 1 device b Control Point service 2 3Relay Action & 2Boot Virtual Service Action root device a service 1 device b service 2 図 5 roxy の動作 の中継の実現 WD のプロトタイプでは Protocol で行われる通信の中継に, ガイドラインで対応が必須とされている HTTP-GET に対応している. サービスは Protocol の転送を行う中継方法を選択すると,HTTP 通信を中継する HTTP サービスを起動する. HTTP 通信の接続先 URL などの情報は 通信を経由して / 間で交換されるが, この 通信を中継する サービスが 通信の内容に操作を加えることで, 図 6 に挙げるように の経路を変えることができる. 具体的には が提供する Content Directory サービスに対して がSOAP で Browse コマンドを発行したとき, はその SOAP の応答を中継する際に res タグに格納されている URL のホスト名部分とポート番号部分に対して書き換えをおこなう. 4.2 実験 実験環境我々は実証実験を行うために,4つの独立したホームネットワークを構築した. 各ホームネットワークは家庭向けインターネット接続サービスに導入されており, それぞれ NTT 東日本が提供する FTTH 回線の B フレッツ,KDDI が提供する FTTH 回線の光 one,yahoo! BB が提供する ADSL 回線 Yahoo! BB ADSL,J:COM が提供する CATV 回線の J:COM-NET が提供されている. それぞれの接続する ISP からグローバル IPアドレスを 1つ供与されている. また各ホームネットワークには市販されている が配置されており, として家庭用 NAT ルータが配置されている ( 図 7). この環境にワームホールデバイスを導入し, 相互接続操作を行った 転送方法による制限一部の 製品で 通信と Out-of-Bound HTTP HTTP 1 : 側 HTTP : OFF Transfer 2 : 側, 側 HTTP : OFF Transfer 3 : 側, 側 HTTP : ON Transfer 図 6 間中継の経路

5 internet 光ファイバへ KDDI メディアコンバーター グローバルアドレス 1 光ファイバー Ether WD1 Sony Net juke () NEC Aterm 有線ブロードバンドルーター NAT ルーター 搭載 Buffalo LinkStation () Sony Network Media Receiver () 図 7 実験環境の一例 Transfer 接続の中継の方法によっては接続ができない場合が確認された. これは 製品が外部ネットワークからの不正なアクセスを防止するために搭載する機能によるものである. ここでは図 6 にあげた 3 通りの接続方法に対して への接続制限をまとめる. 1 側のみに 転送を行う.( 図 6:1) が外部ネットワークアドレスからの 接続を許可しない場合, 接続を拒否される. 2 / 両側で 転送を行う.( 図 6:2) が外部ネットワークアドレスからの 接続を許可しない場合, 接続を拒否される. 3 両側で 転送を行い, の転送をサポートする. ( 図 6:3) に接続を拒否されることはない. また,3に挙げた転送方法では Out-of-Bound Transfer の中継を行う際にバッファを設けることができる. これにより, 家庭内に閉じた接続に比べて帯域や回線品質が確保しにくいインターネットを経由した接続で, コンテンツのストリーミング再生などを安定して行うことができた. そのほかの機能に対しては, 実装した WD のプロトタイプは期待した動作を行うことを確認できた ( 図 8). 5. 関連研究 モバイル ホームシステム協議会が策定する宅外コンテンツ伝送ガイドライン [7] は, 異なるホームネットワークに存在する のコンテンツを に対して視聴を行うために必要となる AV ゲートウェイの仕様を規定している. これらの規定はゲートウェイ間で プロトコルを VPN 等でトンネリングする接続方式に主眼が置かれている.Intel Relay [8] は異なるネットワークにある 機器間の通信を中継するツールで, これを異なるネットワークの両端で起動し, 通信先 Relay を IP アドレスで指定することで中継を行う. 中継の方法としては の SSDP, GINA, SOAP の通信を SOAP でカプセル化し, お互いに SOAP コマンドを発行することで双方向の通信を行い, 中継を実現している. これらの研究と比較して本稿の WD は, 通信 の中継方法が異なるほか, 接続の確立までの手順と接 続制御の方法を提供している. UOPF(Ubiquitous Open Platform Forum)[9] が策定する M2M リアルタイム通信は, 情報家電などの遠隔通信 を SIP を用いてシグナリングを行い,P2P 接続のデー タチャンネルを開いて通信を行う仕組みである. に関連する規定として UOPF/ を設けて おり, これは宅外にある機器との 通信を SIP Message メソッドなどに置き換えて通信する方法など を規定している. またこの機器と従来の 機器を 接続するための規定として UOPF/-GW を定義し ている. 6. おわりに 本稿では, 主に SIP をシグナリング網として利用す るユーザによる複雑な設定動作を要求しない 機器の遠隔接続を実現するネットワークアーキテクチ ャを検討した. 今後の課題としては, インターネット を経由する通信をより安全に行うための施策としての 通信路の暗号化,WD 同士の接続や機器の共有する権 限の管理を行う方法を盛り込んだ構成の提案などが挙 げられる. 図 8 相互接続実験の様子 謝辞本研究の一部は, 電気通信大学と船井電機 の情報家電に関する共同研究 (FUN-X プロジェクト ) の援助を受けて行われた. 参考文献 1) Digital Living Network Alliance," Networked Interoperability Guidelines", expanded: March 2006, p.595 (2002) 2) Rosenberg J., Schulzrinne H., Camarillo G., Johnston A., Peterson J., Sparks R., Handley M. and E. Schooler, "SIP:Session Initiation Protocol", RFC 3261, (2002). 3) Forum: "InternetGateway:1", Ver.1.0, p.15 (2001). 4) Forum: " Architecture 1.0", Version 1.0.1, p.76 (2003). 5) Forum: " AV Architecture:1", Ver.1.0, p.22 (2002). 6) J. Rosenberg, dynamicsoft, H. Schulzrinne, Columbia University, C. Huitema, D. Gurle, Microsoft Corporation "Session Initiation Protocol(SIP) Extension for Instant Messaging", RFC3428, (2002). 7) モバイル ホームシステム協議会 : " 宅外コンテンツ伝送ガイドライ ", p.20(2006). 8) Intel Software for * Technology 9) Ubiquitous Open Platform Forum,