ワームホールデバイス：
DLNA 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 DLNA 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 DLNA 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，DLNA 機器情報の管理，UPnP 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 DLNA 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．Wormhole Device: software-assisted remote
communication mechanism for DLNA-based appliances
DAIGO MUTO
†and TSUTOMU YOSINAGA
†We propose a software-assisted remote communication mechanism for DLNA-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 UPnP communication. It enables user-friendly contents share between existing DLNA-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 DLNA (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 DLNA 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，DLNA 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 DLNA 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． DLNA 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．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
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 DMS (Digital Media Server), DMP (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． DMS,DMP 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 DMS,DMP 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． 3.1.1 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 DLNA 機器情報の管 理，DMS/DMP 間 UPnP 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，UPnP Device と UPnP Control Point として動作する．WD の 操作インターフェースを UPnP によって WD 本体から 分離することにより，DLNA 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． 3.1.2 UPnP -IGD(図 2:②)
3 3.2.1 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UPnP- IGD (UPnP対応NAT ルータ) [3]を利用する．
3.1.3 SIP Proxy Server(図 2:④)
UA(User Agent)として WD をもつ SIP Proxy Server
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． 3.2.1 NAT トラバーサル DLNA 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 ． UPnP-IGD 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 UPnP-IGD へ UPnP 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． 図 2 システム概観図 ④ SIP Proxy ② UPnP IGD ② UPnP IGD ① WD ①WD ③ WD CP ③ WD CP DLNA DMS DLNA DMP IGD操作 Out-of-Bound Transfer Home Network 2 Home Network 1 UPnP Transfer SIP Transfer IGD操作 WD操作 WD操作 UPnP通信の中継 コンテンツデータ転送 UPnP通信の中継 UPnP通信の中継 ＷＤ間シグナリング 図 1 Connected Home 概観図 Gateway DLNA DMS DLNA DMP Wormhole device SIP Server P2P接続 non-DLNA Device ホームネットワーク Sensor Gateway インターネット ホームネットワーク モバイル ネットワーク シグ ナリン グ接 続 携帯電話/PDA
3.2.2 異なるドメインの UPnP 機器の検出の課題
UPnP スタックでは UPnP Control Point が同じネット ワークドメインにある UPnP Device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 3.2.1 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 Device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 UPnP Proxy 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， DMP 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 Device を検出することができる．UPnP Proxy プロセスの詳しい動作については 4.1.4 節で後 述する． 3.2.3 UPnP AV 通信の中継
DLNA Digital Media Server(以降 DMS) Digital Media Server(以降 DMP)の間の通信は UPnP 通信のほかに Out-of-Bound Transfer 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 UPnP 通信の中継を行う UPnP Proxy サービス，Out-of-Bound Transfer Protocol のトク に HTTP−GET 通信の中継を行う http Proxy 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 4.1.4 節を参照されたい．
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 UPnP SDK， The GNU oSIP library, The eXtended osip library を利用 した．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 Proxy 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「GetDeviceSummary」機 器の共有を開始する「OpenDevice」，機器の共有を接続 する「CloseDevice」などが用意されている． 4.1.1 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 Proxy Server に REGISTER リクエスト を発行する．この際，WD は SIP Proxy 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 UPnP IGD 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 UPnP IGD 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 Proxy 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． 4.1.2 WD 間のシグナリングの実現 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 Proxy Server が中継して行われる． WD の 図 3 SSDP 情報の転送 service Wormhole Device device service … … …
① search UPnP Device 2
service1 m u lti ca st ② responses [sip] Wormhole Device
Home network domain [UPnP]
Home network domain [UPnP]
③ Root Device Summary
UPnP Proxy ④advertise m u ltic a st UPnP Control Point 2 UPnP Control Point 1 service2 UPnP Device 1 ② responses
Digital Media Server
(Device) Digital Media Player(Control Point) ContentDirectory Service
ConnnectionManager Service
Transfer Server Process
(HTTP serverなど) AVTransport Service
Standard UPnP Actions
Out-Of-Band Transfer Protocol HTTP-GETなど
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 Proxy 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． 4.1.3 Root Device 要約情報の交換の実現 UPnP 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 UPnP Root Device を SSDP によって検出 してそれらを要約したデータ Root Device Summary を 作成する．検出した結果の要約には ・ UPnP 機器 UDN ・ friendlyName ・ deviceType がそれぞれ列挙されている．WD はこの Root Device Summary を XML に整形した後，RPC メッセージ GetDeviceSummary を受信したときに応答として送信 する． 4.1.4 UPnP 通信の中継の実現 WD のプロトタイプでは，DLNA 機器の共有が開始 されると UPnP Proxy 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 UPnP Device の Device Description XML の URL を指定すると，そこから Device 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 UPnP Device サービスを起動 する（図 5：②）．このことで，UPnP Proxy は対象とす る UPnP Device 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．UPnP Proxy はほかの UPnP 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 UPnP Control Point に転送する（図 5：③）．
4.1.5 Out-of-Bound Transfer の中継の実現
WD の プ ロ ト タ イプ で は Out-of-Bound Transfer Protocol で行われる通信の中継に，DLNA 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．UPnP Proxy サービスは Out-of-Bound Transfer 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 Proxy サービスを起動する．
HTTP 通信の接続先 URL などの情報は UPnP 通信を 経由して DMS/DMP 間で交換されるが，この UPnP 通 信を中継する UPnP Proxyサービスが UPnP 通信の内容 に 操作を 加える こと で， 図 6 に 挙げる よう に Out-of-Bound Transfer の経路を変えることができる．具 体的にはDMSが提供するContent Directoryサービスに 対して DMP が SOAP で Browse コマンドを発行したと き，UPnP Proxy 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 4.2.1 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 DLNA DMS DMP が配置されてお り，UPnP IGD 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． 4.2.2 転送方法による制限 一部の DMS 製品で UPnP 通信と Out-of-Bound 図 6 DMS DMP 間中継の経路 UPnP Proxy DLNA DMP DLNA DMS Out-of-Bound Transfer Home Network 2 Home Network 1 UPnP Transfer UPnP IGD UPnP IGD Port Mapping UPnP Proxy： DMP側 HTTP Proxy: OFF ① UPnP Proxy DLNA DMP DLNA DMS Home Network 2 Home Network 1 UPnP IGD UPnP Proxy UPnP IGD Out-of-Bound Transfer UPnP Transfer Port Mapping UPnP Proxy： DMP側，DMS側 HTTP Proxy: OFF ② UPnP Proxy DLNA DMP DLNA DMS Home Network 2 Home Network 1 UPnP Proxy HTTP Proxy HTTP Proxy UPnP IGD UPnP IGD Out-of-Bound Transfer UPnP Transfer Port Mapping UPnP Proxy： DMP側，DMS側 HTTP Proxy: ON ③ Original UPnP Device UPnP Proxy UPnP Control Point root device a service 1 device b service 2 … … ①Download Description XML root devicea service 1 device b service 2 … … ②Boot Virtual Device Service
UPnP Control Point
Action
Response ResponseAction
③Relay Action & Response
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 DMS 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 DMS への接続制限をまとめる． ① DMP 側のみに UPnP 転送を行う．（図 6:①） DMS が外部ネットワークアドレスからの UPnP 接続 を許可しない場合，接続を拒否される． ② DMS/DMP 両側で UPnP 転送を行う．（図 6:②） DMS が 外 部 ネ ッ ト ワ ー ク ア ド レ ス か ら の Out-of-Bound Transfer 接続を許可しない場合，接続を拒 否される． ③ DMS DMP 両 側 で UPnP 転 送 を 行 い ， Out-of-Bound Transfer の転送をサポートする． （図6:③） DMS 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 DLNA DMS のコンテンツを DMP に対して視聴を行うために必要となる UPnP 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UPnP 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 Device Relay [8]は異なるネットワークにある UPnP 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 Device 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UPnP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，UPnP 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． DLNA に関連する規定として UOPF/UPnP を設けて おり，これは宅外にある機器との UPnP 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 DLNA 機器を 接続するための規定として UOPF/UPnP-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 DLNA 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． 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,"DLNA Networked Device 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) UPnP Forum: "InternetGatewayDevice:1", Ver.1.0, p.15 (2001).
4) UPnP Forum: "UPnP Device Architecture 1.0", Version 1.0.1, p.76 (2003).
5) UPnP Forum: "UPnP 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 UPnP* Technology
http://www.intel.com/cd/ids/developer/asmo-na/eng/downloads/upnp/index.htm
9) Ubiquitous Open Platform Forum, http://www.uopf.org/
WD1 光ファイバへ Sony Net juke (DMP) internet Buffalo LinkStation (DMS) 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 ＮＥＣ Ａｔｅｒｍ 有線ブロードバンドルーター ・ＮＡＴルーター ・ＵＰｎＰ IGD搭載 Sony Network Media Receiver (DMP)
図 7 実験環境の一例
Home Network 1 Home Network 2
DMS DMS
DMP IGD IGD DMP
