专利名称：一种家庭信息化系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算机与互联网技术领域，尤其涉及一种低成本、高性能的家庭信息化系统。
背景技术：
随着计算机与互联网技术的迅速发展，以计算机和互联网技术为核心内容的数字化信息技术，正在对经济、教育、文化、科技以至个人生活等社会各个领域产生深远的影响。
数字化信息技术所提供的功能以概括为计算、存储、通信和显示四个方面。目前，上述数字化信息技术四个功能的提供实体，例如CPU、内存、硬盘等，均以分散的形式存在于各台个人电脑、工作站或服务器中，一般仅仅单独为某个用户或任务提供服务。
统计资料表明，当前CPU、内存、硬盘等实体的这种孤立使用方式，使得CPU、内存、硬盘等实体中各项资源的平均利用率不到百分之十，有百分之九十以上的资源经常处于空闲状态，产生了巨大的资源浪费现象。这种CPU、内存、硬盘等实体的使用模式，极为类似通信领域中电话的发明早期，各个电话用户之间独立连线，后来通过设立中心交换点，共享接入交换能力，极大地提高了效率，电话作为一种通讯工具得以迅速普及，给人们的生活带来了极大的便利。
因此，为了提高CPU、内存、硬盘等实体中各项资源的平均利用率，解决现有资源平均利用率低的问题，使基于当前计算机与互联网技术的数字化信息技术能够提供更高性能的服务，且具有更加低廉的成本，目前急需一种新的资源使用模式。
发明内容
(一)要解决的技术问题针对上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种低成本、高性能的家庭信息化系统，以提高资源的使用率，提高数字化信息技术提供服务的性能，降低数字化信息技术提供服务的成本。
(二)技术方案为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的一种家庭信息化系统，该系统包括虚拟能力服务器单元，用于将接收自机顶盒的操作及控制信息转换成操作指令，并执行转换的操作指令进行计算和存储资源的分配，将执行的结果进行封装处理后输出给机顶盒；机顶盒，用于将接收的操作及控制信息进行安全传输协议封装后传送给虚拟能力服务器单元，并将虚拟能力服务器单元返回的信息转换成图像信号输出给显示及控制单元；显示及控制单元，用于显示机顶盒输入的图像信号，并向机顶盒输入操作及控制信息。
所述虚拟能力服务器单元包括虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒，所述虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒任意两个虚拟设备之间通过高速光纤接口进行连接。
所述虚拟CPU盒包括多个CPU，多个CPU之间通过内部板载的高速交换通道进行连接；所述虚拟内存盒包括多个内存，多个内存之间通过内部板载的高速交换通道互相连接；所述虚拟硬盘盒包括多个硬盘，多个硬盘之间通过内部板载的高速交换通道互相连接。
所述虚拟能力服务器单元进一步用于资源的共享。所述资源的共享包括存储空间的共享和应用程序资源的共享。
所述机顶盒包括控制接口模块，用于将接收自显示及控制单元的操作及控制信息传送给协议数据转换模块；协议数据转换模块，用于将接收自控制接口模块的操作及控制信息转换为传输协议支持的数据格式，并输出给安全模块；安全模块，用于对接收自协议数据转换模块的信息进行加密处理，输出给传输协议模块；并对接收自数据接收模块的信息进行解密处理，输出给桌面传输与数据解码模块；传输协议模块，用于对接收自安全模块的信息进行封装处理，并输出给虚拟能力服务器单元；数据接收模块，用于将接收自虚拟能力服务器单元的信息传送给安全模块；桌面传输与数据解码模块，用于将安全模块解密后的信息恢复为显示数据，并输出给显示数据转换模块；显示数据转换模块，用于对接收自桌面传输与数据解码模块的显示数据进行模/数转换，将转换后的显示及控制单元可以处理的图像信号输出给显示及控制单元。
所述机顶盒为能够支持和解析虚拟能力服务器单元使用的远程虚拟桌面协议、网络数据传输协议，并支持安全传输的机顶盒。
所述机顶盒支持和解析虚拟能力服务器单元使用的远程虚拟桌面协议、网络数据传输协议，并支持安全传输，通过在现有机顶盒上进行嵌入式编程开发实现，或者通过设计制造具有上述功能的机顶盒实现。
所述显示及控制单元包括显示单元，用于显示虚拟能力服务器单元通过机顶盒输入的图像信号；输入控制单元，用于向机顶盒输入操作及控制信息。
所述显示单元为电视机；所述输入控制单元为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标、和/或为遥控器。
所述显示单元为电脑的显示器；所述输入控制单元为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标。
所述显示单元为手机显示屏；所述输入控制单元为手机按键、和/或为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标。
(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、利用本发明，通过内部板载的高速交换通道进行互连，将大量传统计算机的CPU、存储器和硬盘等实体从单机紧耦合使用的架构中解脱出来，分别组合构成虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒，并利用高速光纤接口连接构成的虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒，使虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒相互之间可以通过高速网络进行数据交换和协调工作，进而构成一个可提供高速计算和超大容量存储能力的虚拟能力服务器单元。因此，本发明大大提高了CPU、内存、硬盘等实体中各项资源的平均利用率。
2、利用本发明，由于将大量传统计算机的CPU、存储器和硬盘等实体从单机紧耦合使用的架构中解脱出来，构成了一个可提供高速计算和超大容量存储能力的虚拟能力服务器单元。因此，本发明大大提高了数字化信息技术提供服务的性能，并有效降低了数字化信息技术提供服务的成本。
3、利用本发明，在将现实生活中使用的电脑与虚拟能力服务器单元相结合时，该电脑将成为一台高性能的服务器，进而可以作为一种通信领域中的基础设施进行广泛部署。
4、利用本发明，由于采用了更高级的面向应用程序的资源共享方式，即从用户使用的应用资源，如软件、文件、操作系统上做高效的资源共享调度，这种应用层的资源共享效率远高于简单的硬件资源共享，所以本发明大大提高了资源共享的效率。
5、利用本发明，由于可以将现实生活中普遍使用的电视机、手机、电脑等与虚拟能力服务器单元相结合，所以能够为用户提供拥有强大计算能力和存储能力的电视机、手机、电脑，具有普遍的推广意义，非常有利于本发明的推广和应用。
6、利用本发明，不仅使用户有可能获得比普通PC强大的多的计算、存储服务，而且其服务使用具有很低的价格优势，因此在城乡家庭用户中均具有推广价值。
图1为本发明提供的家庭信息化系统的总体结构框图；图2为本发明提供的虚拟能力服务器单元的结构框图；图3为现有技术中资源共享方式与本发明中资源共享方式的对比示意图；图4为本发明提供的机顶盒的结构框图；图5为本发明安全登录虚拟能力服务器单元的方法流程图；
图6为对虚拟桌面内容数据进行处理的方法流程图；图7是系统在人口密集区的网络部署方式示意图；图8是系统在人口稀少、缺乏宽带网络接入的地区的网络部署方式示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的家庭信息化系统的总体结构框图，该系统包括虚拟能力服务器单元101、机顶盒102和显示及控制单元103。
其中，虚拟能力服务器单元101用于将接收自机顶盒102的操作及控制信息转换成操作指令，并执行转换的操作指令进行计算和存储资源的分配，将执行的结果进行封装处理后输出给机顶盒102。
虚拟能力服务器单元101是将大量传统计算机的CPU、存储器和硬盘等实体从单机紧耦合使用的架构中解脱出来，分别组合构成虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒，并利用高速光纤接口连接虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒而构成的。虚拟能力服务器单元101的具体结构可参见图2，图2为本发明提供的虚拟能力服务器单元的结构框图。
如图2所示，虚拟能力服务器单元101包括虚拟CPU盒201、虚拟内存盒202和虚拟硬盘盒203，虚拟CPU盒201、虚拟内存盒202和虚拟硬盘盒203任意两个虚拟设备之间通过高速光纤接口进行连接。虚拟CPU盒201包括多个CPU，多个CPU之间通过内部板载的高速交换通道进行连接。虚拟内存盒202包括多个内存，多个内存之间通过内部板载的高速交换通道互相连接。虚拟硬盘盒203包括多个硬盘，多个硬盘之间通过内部板载的高速交换通道互相连接。虚拟CPU盒201、虚拟内存盒202和虚拟硬盘盒203相互之间可以通过高速网络进行数据交换和协调工作，可以进行高速计算，为用户提供超大容量的存储能力。
虚拟能力服务器单元101的资源共享方式可参见图3，图3为现有技术中资源共享方式与本发明中资源共享方式的对比示意图。传统网络电脑的资源共享方式如图3-1所示，通过为各个客户端的应用分配单独的CPU、存储资源，是一种一对一的使用方式。而在虚拟能力服务器单元的资源聚合与集中管理模式下，虚拟能力服务器单元101的资源共享方式如图3-2所示，其资源的共享包括存储空间的共享和应用程序资源的共享。
其中，对于存储空间的共享，例如传统PC中如果用户都喜欢一部流行的电影，则各用户个人的PC上，均需要相应的存储空间，而在本发明提供的存储空间共享模式下，这样的存储空间只需要一块，它只管理不同用户对该电影的个性化命名以及文件创建信息等。
对于应用程序资源的共享，应用层的资源可以进行交叉复用，某个用户开启的应用软件，可以通过生成另一个实例来给另一个用户使用，这种基于应用层的资源共享使用可大大提高共享效率。例如通过集成的虚拟化远程桌面，多个用户在使用同一个应用软件如Word时，其主程序代码可以重用，即只需要占用一个存储段和单一的计算时隙，虚拟能力服务器单元只维护Word程序中不同的用户设置与个性化使用信息。
上述实现存储空间共享和应用程序资源共享的前提是虚拟能力服务器单元的物理器件共享。由于是面向一个或多个小区的集中服务，而所有小区居民不可能同时使用该PC服务，所以，依据用户行为的统计规律，虚拟能力服务器单元的CPU、内存、硬盘配置数可低于所有居民小区使用者的独立PC配件数，提高了资源使用效率。同时，即使是同时在使用的用户，针对其应用的不同，相应的资源需求也是不一样的，如有的用户在运行计算能力需求高的仿真软件；而有的用户在运行占用内存大的图形处理软件；而有的用户只是在听歌，几乎不怎么浪费资源。所以，虚拟能力服务器单元可以根据这种使用者的行为动态的分配资源，进一步提高共享效率，降低服务的成本。
机顶盒102用于将接收的操作及控制信息进行安全传输协议封装后传送给虚拟能力服务器单元101，并将虚拟能力服务器单元101返回的信息转换成图像信号输出给显示及控制单元103。本发明提供的机顶盒102能够支持和解析虚拟能力服务器单元101使用的远程虚拟桌面协议、网络数据传输协议，并支持安全传输。机顶盒102的上述功能可以通过在现有机顶盒上进行嵌入式编程开发来实现，也可以通过设计制造具有上述功能的机顶盒来实现。机顶盒102的具体结构可参见图4，图4为本发明提供的机顶盒的结构框图。
如图4所示，机顶盒102包括控制接口模块401、协议数据转换模块402、安全模块403、传输协议模块404、数据接收模块405、桌面传输与数据解码模块406和显示数据转换模块407。
其中，控制接口模块401用于将接收自显示及控制单元1 03的操作及控制信息传送给协议数据转换模块402。协议数据转换模块402用于将接收自控制接口模块401的操作及控制信息转换为传输协议支持的数据格式，并输出给安全模块403。安全模块403用于对接收自协议数据转换模块402的信息进行加密处理，输出给传输协议模块404；并对接收自数据接收模块405的信息进行解密处理，输出给桌面传输与数据解码模块406。传输协议模块404用于对接收自安全模块403的信息进行封装处理，并输出给虚拟能力服务器单元101。数据接收模块405用于将接收自虚拟能力服务器单元101的信息传送给安全模块403。桌面传输与数据解码模块406用于将安全模块403解密后的信息恢复为显示数据，并输出给显示数据转换模块407。显示数据转换模块407用于对接收自桌面传输与数据解码模块406的显示数据进行模/数转换，将转换后的显示及控制单元103可以处理的图像信号输出给显示及控制单元103。
机顶盒102与虚拟能力服务器单元101通过宽带传输媒质与连接，机顶盒102可外接各种输入控制器，例如鼠标、键盘、遥控器等，并具有简单的登录使用界面。用户通过机顶盒102提供的登录使用界面，利用键盘、鼠标或遥控器进行登录操作后，可通过安全协议连接到虚拟能力服务器单元101，虚拟能力服务器单元101针对用户定制的服务提供一个桌面管理与操作环境，用户的键盘、鼠标等操作命令通过机顶盒转换为网络数据，传输至虚拟能力服务器单元101后，虚拟能力服务器单元101依据这些操作命令，实时地进行后台的操作响应，并通过传输协议进行封装，将桌面内容的变化传输给机顶盒102，机顶盒102通过对传输数据进行解码，翻译成显示单元可以处理的图像信号，最后以播放的方式在显示单元上呈现出用户的操作过程引起的桌面内容的变化。
显示及控制单元103用于显示机顶盒输入的图像信号，并向机顶盒输入操作及控制信息。显示及控制单元103包括显示单元，用于显示虚拟能力服务器单元通过机顶盒输入的图像信号；输入控制单元，用于向机顶盒输入操作及控制信息。
显示单元可以为电视机或电脑的显示器，也可以为手机显示屏；输入控制单元可以为直接与机顶盒连接的键盘、鼠标、或遥控器。当显示单元为电视机时，输入控制单元为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标、和/或为遥控器。当显示单元为电脑的显示器时，输入控制单元为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标。当显示单元为手机显示屏时，输入控制单元为手机按键、和/或为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标。
基于上述对本发明提供的这种低成本、高性能家庭信息化系统组成结构的详细描述，为了对本发明提供的这种低成本、高性能的家庭信息化系统说明的更加清楚和明白，以下对该系统的主要工作步骤进行阐述。
如图5所示，图5为本发明安全登录虚拟能力服务器单元的方法流程图，包括以下步骤步骤501～502系统启动，用户利用输入控制单元向机顶盒输入包含公、私密钥对的USB电子钥。
步骤503机顶盒安全模块依据USB电子钥的公钥进行哈希计算生成身份标识值，并发送给虚拟能力服务器单元。
步骤504接收到身份标识值的虚拟能力服务器单元从相应的查询地址查询是否存在身份标识值，如果存在该身份标识值，则向机顶盒返回一个包括虚拟能力服务器单元自身身份标识值、对称密钥协商参数等内容的数据包，并以虚拟能力服务器单元公钥对数据包进行哈希签名，附加于数据包尾；否则，返回步骤501。
步骤505机顶盒中的安全模块根据虚拟能力服务器单元提供的身份标识值，对哈希签名进行验证，同时对其公钥进行哈希计算，将结果与虚拟能力服务器单元提供的身份标识值比较，完成对服务器端的认证，并同时向虚拟能力服务器单元以同样的方式发送自己相应数据包，完成登录过程。
完成登录过程后，虚拟能力服务器单元根据用户通过机顶盒输入的操作及控制信息进行计算、存储的资源分配，并形成虚拟桌面内容数据，通过桌面协议发送给机顶盒，机顶盒采用对应的协议进行数据解码，转换成显示单元可以显示的图像信号输出给显示单元。
在用户的交换过程中，机顶盒将控制设备如鼠标位置坐标、点击，键盘操作，遥控器操作等数据通过安全传输协议封装成数据传送给能力服务器，接收到控制数据的能力服务器，通过协议转换得到实际的用户操作指令，并在本地分配给用户的虚拟PC机上完成相应的操作。
另外，在用户的交换过程中，对于形成的虚拟桌面内容数据，可以按图6所示的对虚拟桌面内容数据进行处理的方法流程图，依据需显示的相应虚拟桌面内容进行判定，如果桌面内容中包含图形变化、更新较快的区域，即包含音频类内容，则将其抽取出来作为流媒体内容，使用压缩比大的音视频编解码技术；否则，将虚拟桌面中更新较慢的部分使用现有的远程桌面技术如RDP、ICA、VNC等进行编码，最后将两部分编码合并起来传输至机顶盒终端进行解码，恢复桌面内容。
另外，对于本发明提供的这种低成本、高性能家庭信息化系统，在实际应用中可以根据用户数量的大小分别进行部署。
例如，在人口密集的城市居民小区，本发明可以采用如图7所示的网络部署方式，多个居民小区的支持双向传输的有线同轴电缆被调制到光节点连入中心局，虚拟能力服务器单元部署在有线网中心局交换机后，为家庭用户提供大规模资源共享的虚拟PC服务。
在人口稀少、网络接入条件有限的农村、乡镇地区，本发明可以采用如图8所示的网络部署方式，对各乡镇现有的电视广播发射塔进行改造，加入数字设备连接到虚拟能力服务器单元，以一定范围进行分区广播覆盖，提供带宽要求较高的下行数据传输，而对带宽需求量较少的控制信号上行传输，则采用电话线上传到乡镇电话交换局端设备，由局端设备回传给虚拟能力服务器单元。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种家庭信息化系统，其特征在于，该系统包括虚拟能力服务器单元，用于将接收自机顶盒的操作及控制信息转换成操作指令，并执行转换的操作指令进行计算和存储资源的分配，将执行的结果进行封装处理后输出给机顶盒；机顶盒，用于将接收的操作及控制信息进行安全传输协议封装后传送给虚拟能力服务器单元，并将虚拟能力服务器单元返回的信息转换成图像信号输出给显示及控制单元；显示及控制单元，用于显示机顶盒输入的图像信号，并向机顶盒输入操作及控制信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟能力服务器单元包括虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒，所述虚拟CPU盒、虚拟内存盒和虚拟硬盘盒任意两个虚拟设备之间通过高速光纤接口进行连接。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述虚拟CPU盒包括多个CPU，多个CPU之间通过内部板载的高速交换通道进行连接；所述虚拟内存盒包括多个内存，多个内存之间通过内部板载的高速交换通道互相连接；所述虚拟硬盘盒包括多个硬盘，多个硬盘之间通过内部板载的高速交换通道互相连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述虚拟能力服务器单元进一步用于资源的共享。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述资源的共享包括存储空间的共享和应用程序资源的共享。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机顶盒包括控制接口模块，用于将接收自显示及控制单元的操作及控制信息传送给协议数据转换模块；协议数据转换模块，用于将接收自控制接口模块的操作及控制信息转换为传输协议支持的数据格式，并输出给安全模块；安全模块，用于对接收自协议数据转换模块的信息进行加密处理，输出给传输协议模块；并对接收自数据接收模块的信息进行解密处理，输出给桌面传输与数据解码模块；传输协议模块，用于对接收自安全模块的信息进行封装处理，并输出给虚拟能力服务器单元；数据接收模块，用于将接收自虚拟能力服务器单元的信息传送给安全模块；桌面传输与数据解码模块，用于将安全模块解密后的信息恢复为显示数据，并输出给显示数据转换模块；显示数据转换模块，用于对接收自桌面传输与数据解码模块的显示数据进行模/数转换，将转换后的显示及控制单元可以处理的图像信号输出给显示及控制单元。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述机顶盒为能够支持和解析虚拟能力服务器单元使用的远程虚拟桌面协议、网络数据传输协议，并支持安全传输的机顶盒。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述机顶盒支持和解析虚拟能力服务器单元使用的远程虚拟桌面协议、网络数据传输协议，并支持安全传输，通过在现有机顶盒上进行嵌入式编程开发实现，或者通过设计制造具有上述功能的机顶盒实现。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述显示及控制单元包括显示单元，用于显示虚拟能力服务器单元通过机顶盒输入的图像信号；输入控制单元，用于向机顶盒输入操作及控制信息。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述显示单元为电视机；所述输入控制单元为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标、和/或为遥控器。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述显示单元为电脑的显示器；所述输入控制单元为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述显示单元为手机显示屏；所述输入控制单元为手机按键、和/或为直接与机顶盒连接的键盘、和/或为直接与机顶盒连接的鼠标。
全文摘要
本发明公开了一种家庭信息化系统，包括虚拟能力服务器单元，用于将接收自机顶盒的操作及控制信息转换成操作指令，并执行转换的操作指令进行计算和存储资源的分配，将执行的结果进行封装处理后输出给机顶盒；机顶盒，用于将接收的操作及控制信息进行安全传输协议封装后传送给虚拟能力服务器单元，并将虚拟能力服务器单元返回的信息转换成图像信号输出给显示及控制单元；显示及控制单元，用于显示机顶盒输入的图像信号，并向机顶盒输入操作及控制信息。利用本发明，大大提高了资源的使用率，大大提高了数字化信息技术提供服务的性能，有效降低了数字化信息技术提供服务的成本。
文档编号H04L29/06GK101083714SQ200610012059
公开日2007年12月5日 申请日期2006年5月31日 优先权日2006年5月31日
发明者李彦君, 张国清, 孙毓忠 申请人:中国科学院计算技术研究所