家庭网关

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家庭网关



    家庭网关是位于现代家庭内部的一个网络设备，它的作用是使家庭用户连接到Internet，使位于家庭中的多种智能设备都能得到Internet的服务，或者使这些智能设备相互之间实现通信。简单的说，家庭网关是使家庭内部多种智能设备之间实现联网，以及从家庭内部到外部网络实现互联的一座桥梁。从技术角度说，家庭网关在家庭内部以及从内部到外部实现桥接/路由、协议转换、地址管理和转换，承担防火墙的职责，并提供可能的VoIP/Video over IP等业务。


    家庭网关可使多个设备共享Internet的连接，同时接受网络服务，包括：家庭内部设备(比如打印机)和媒体文件(比如视频、音乐)的共享、家庭内部网络(比如无线局域网)连接、防火墙(父母控制)、IP话音业务、IPTV/IP VOD等IP视频业务、远程健康跟踪、家庭保安、家庭自动化、远程抄表作业等服务；多种业务通过单一的网络实现，可简化网络管理，降低运营成本。


    家庭网关发展的驱动力主要来自两个方面：宽带Internet接入和家庭网络[1]。 随着宽带接入的普及和家庭网络的兴起，家庭网关设备具有很大的潜在市场空间。无线SOHO路由器在北美已经比较流行，主要的设备供应商包括：D-link、Linksys、Netgear等。而许多芯片制造商也看到了这个市场，Intel、Conexant、TI、Broadcom、Motorola都纷纷推出他们的家庭网关芯片解决方案。据ABI(Allied Business Intelligence)预测，到2006年，家庭网关设备的全球年市场容量大约有71亿。


1 家庭网关实现形式
    家庭网关可实现桥接/路由、协议转换、地址管理和转换、防火墙、VPN连接、QoS管理等功能，但家庭网关这些具体功能的实现还是存在不同的形式和特点。
图1 给出了目前各种形式的家庭网关设备。表1列出了不同形式家庭网关的主要功能和代表产品。





1.1 SOHO路由器网关
    SOHO路由器一般通过以太网或USB连接到宽带modem，然后通过它实现家庭内部多个设备之间的Internet共享。可以把它看成一个双设备的解决方案(SOHO路由器和宽带modem)，通过这个路由器可以组建起一个家庭网络(无论是WLAN或者有线的以太网)。

1.2 cable网关
    cable路由器网关是从cable modem发展而来，是在cable modem中集成了路由功能，增加了VPN等功能，从而以单个设备实现Internet的共享和家庭网络的组建。
北美的Cable运营商正在推行一种Cable MTA(Multimedia Terminal Adapter)网关，它的特点是采用PacketCable的标准在cable上开展话音业务，称为voice over cable[2]。


    根据实现方式的不同有两种MTA：EMTA(Embedded MTA)是把voice over cable的功能集成在cable modem设备的内部，是一种单设备的解决方案；SMTA(Standalone MTA)把voice over cable的功能模块于cable modem内，使MTA独立出来。voice over cable与传统voice over IP的不同是：基于PacketCable的voice over cable不仅定义了话音业务的呼叫信令，还规范了QoS、安全、运营等方面的内容，比VoIP更加全面。

1.3 DSL网关
    把SOHO路由器、家庭网关、家庭网络(无线、有线)的功能集成到DSL modem的内部，就构成了一个单设备解决方案的DSL路由器家庭网关。若再把VoIP的功能集成进来，就能更进一步而成为DSL 综合接入家庭网关[3]。

1.4 数字机顶盒网关
    传统的机顶盒(STB)主要用来实现HDTV、内容保护、个人录像机、EPG等功能，结合Internet以后可以实现一些Internet的功能，比如基于TV的web浏览，email业务。传统STB从有线电缆、地面广播、卫星广播得到内容，随着宽带业务的发展，IP机顶盒也将从Internet得到内容，并通过家庭网络把内容发布到位于家庭中的其他设备进行播放。随着媒体数字化和网络化发展，STB很可能成为家庭的媒体中心，成为一个集成STB、宽带modem、家庭网络hub和流媒体中心的多功能家庭网关设备。


2 家庭网关结构

2.1 硬件框架
    根据家庭网关的功能、性能和成本的不同要求，在硬件结构上可以有多种不同的形式：单芯片方案、单板方案、多设备方案。图2所示为一个单芯片SOC方案的硬件逻辑结构图：




    以上的单芯片SOC方案中，包含了一个RISC处理器及周边Memory，DMA控制器，以及各种家庭网络接口、宽带接入的接口和设备间的高速输入输出接口。各种接口电路可集成在SOC内部，也可采用外置的独立接口芯片来实现。现行家庭网络接口包括：传统以太网接口、home PNA、home Plug(电力线)、无线局域网、蓝牙；宽带接入的接口主要包括DSL、cable modem；设备间高速接口主要包括1394、USB。


    对于VoIP，一般采用DSP实现话音的编解码，并采用RISC实现VoIP信令处理。当然，话音的DSP也有内置和外置两种选择。VPN协议一般在RISC处理器用软件方式实现，不过为了在安全性方面有较高的性能，某些SOC在其内部集成了硬件的加解密引擎。


    以上家庭网关硬件结构主要是针对DSL IAD家庭网关(或者是Cable MTA网关)。对于数字机顶盒网关，还有重要的一块是音频/视频解码模块，目前基本也有两种方案，其中之一是采用高性能的CPU(比如Intel的PC芯片组)实现软解压，这种方式的优点是灵活性比较好，对WM9、MPEG4等新的视频压缩算法的支持比较快，对新业务的支持能力也比较强，这种方案目前的缺点是成本比较高。另一种方案采用独立或内置(SOC内部)的音频/视频解码DSP模块，这种方案降低了成本，不过在灵活性方面有一定的损失。

2.2 软件框架
    家庭网关的软件结构由如图3所示的模块组成，主要包括三个层次：固件层、OS层和应用程序层。固件层主要包括：诊断程序、调试程序、boot引导、操作系统的BSP；家庭网关一般采用嵌入式操作系统，操作系统通过BSP支持cable modem、DSL modem、WLAN、以太网、home PNA、1394、USB等接口。常用的操作系统包括：linux、VxWorks、Nucleous等。



2.3 技术标准
    家庭网关的应用程序栈实现了家庭网关的核心功能，这些应用程序栈主要包括以下功能组件：
    (1)基本网络通信协议栈：路由、桥接、地址管理(DNS、DHCP、NAT)、QoS管理(基于类的QoS、RSVP)、安全(VPN、IPSEC、firewall)、远程管理和系统管理(SNMP、远程软件升级管理、HTML UI、Upnp)。
    (2)voice over IP(H.323、SIP、MGCP)，voice over DSL(DSL论坛BLES)，voice over cable(PacketCable)的相关软件子系统。
    (3)音频/视频的流媒体传输(RTP、RTCP、SDP、RTSP)和服务方面的软件子系统。
家庭的网关的软件模块均建立在相应的开放标准(IEEE、IETF RFCs、ITU)或行业规范(DSL/ATM论坛、Cablelabs PacketCable、UPnP论坛)之上，表2所示为家庭网关相应标准列表。






3 家庭网关关键技术
    家庭网关设备是位于现代家庭中的一种新型设备，费用低廉。但要建设一个完善的家庭网关，却存在着不少挑战，以下分别进行说明。
    (1)低硬件成本。为了降低整机成本，CPU将运行在有限的FLASH和RAM空间，这就要求软件系统相对紧凑，优化并减少代码冗余。家庭网关的CPU性能一般都不是很高，所以在软件设计上，需要把数据通道和控制通道分开。由于数据通道的负载比较大，对这部分软件要进行严格的优化。另外，对于数据通道的某些复杂处理(比如加解密、音视频编解码等)，可以考虑采用独立硬件模块的方式降低对CPU性能的要求。
    (2)协议一致性和互操作性。家庭网关的地位是一个信息通信的桥梁，所以家庭网关与其他设备的互操作性是一个非常重要的指标。采用开放的协议是达到所有设备能够顺利通信的基础，但即使采用开放的协议，要保持设备间良好的互操作性仍然非常耗时、费力。对于某些标准组织的协议互操作性测试需要到其认可的互操作性试验室进行测试。
    (3)可升级的固件和软件。各种音频、视频的编解码算法还在不断的发展，各种新的业务形式还在不断的出现。所以家庭网关的固件和软件升级能力是运营商和用户节省投资的重要因素。同时为了降低运营成本，对这些固件和软件的远程升级将是非常必要的。
    (4)方便易用。家庭网关作为一个家用设备，要想广泛进入普通家庭，其易操作性必须能达到与其他家电设备如电视机、洗衣机、空调等相比拟的程度。这就要求家庭网关设备能尽量减少需要用户进行复杂操作和设置的环节，而且一旦用户设置有误，家庭网关设备能够提供一种简便操作来恢复到原来的设置。
    (5)IP地址管理。家庭网关是很多家庭智能设备共享Internet连接和服务的桥梁，而考虑到易用性，用户不可能对所有设备一个一个进行IP地址的设置，而且IPv4的地址空间也不允许每个家用设备都得到一个公共地址，所以家庭网关必须实现私有IP地址的自动分配(DHCP)，并实现公共IP地址和私有IP地址的地址转换(NAT)。但仅仅实现NAT还不够，因为某些应用层把IP地址嵌入到其应用层的内部，而NAT不能解析应用层内部的IP地址。所以针对这些应用层的进一步处理必须与NAT结合起来，这种进一步的处理叫ALG(Application Level Gateway)，家庭网关除NAT以外，还要支持ALG。
    (6)服务质量保证。当多个设备，多个业务共享Internet连接的时候，必然会产生QoS的问题。所以不管采用那种QoS策略，家庭网关必须能够对多种业务的流进行分类，并依据分类结构进行不同的队列调度处理。
    (7)可靠性和稳定性。家庭网关设备是一个24小时工作的设备，所以该设备的可靠性和稳定性是非常重要的。可靠性和稳定性包含硬件和软件两个方面：从硬件的角度，除合理的设计外，还需要考虑低功耗，少发热，对环境不敏感，同时支持各种接口的热插拔。从软件的角度，必须采用高可靠性的操作系统，同时具有容错和故障自动恢复等功能。


4 家庭网关发展趋势

4.1 市场发展预测
    数字化和网络化技术也正在改变着传统的家庭生活和娱乐方式，随着家庭网络技术的成熟，必将在不久的将来兴起一场数字化、网络化家庭的革命。


    Internet服务和丰富的数字媒体将更快更好的渗入到每个家庭，并通过家庭网络传播到每个房间、每个设备，从而改变人们的生活和娱乐方式。


    图4是Parks Association对家庭网关的分类和预测。其中，SOHO路由网关是一个独立的路由器设备，它一方面连接宽带接入modem，另一方面组建一个家庭的网络；宽带modem网关是在宽带modem的内部集成了家庭网关的功能(桥接、路由)，宽带modem网关的具体表现形式和组网结构就如上面所说的DSL路由器网关和cable路由器网关；多业务网关同时提供话音、视频和家庭网关的功能；专用家庭网关只提供某个专门的网关功能，比如家庭保安、自动化等。






    Parks Association在对家庭网关进行以上分类的基础上，对家庭网关的市场发展进行了预测，结果表明：


    家庭网关将从SOHO路由器网关和宽带modem网关，发展到STB网关、多业务网关，最后到全家庭网关。同时它预测了到2005年底，以媒体网关为主要功能，并包含了其他家庭网关功能的STB网关将占据所有家庭网关市场的53%。

4.2 国际DLNA标准
    早在几年以前，Intel就提出“数字家庭”的概念[4]。“数字家庭”其中一个目标就是要把PC域和CE域有机的结合起来，充分利用PC强大的管理、存储和处理能力，并结合CE的舒适性和易用性。使数字化的媒体内容可以灵活方便的在众多的设备上进行分享，达到“任何地方、任何时间、任何设备”的目标。并创造出多种多样的创新用例，以满足人们的需要，提高人们的生活质量。
2003年上半年，英特尔就带领包括微软、索尼、飞利浦、富士通、Gateway、惠普、Intel(英特尔)、IBM、健伍、联想、Matsushita Electric(松下)、NEC CustomTechnica、诺基亚、三星、夏普、STMicroelectronics及Thomson等17家业界领先的消费电子、计算机和移动设备公司，发起并宣告“数字家庭工作组”(DHWG)正式成立。


    DHWG专门致力于简化网络消费电子、移动设备和个人电脑等设备间的数字内容共享，如数字音乐、数码照片和数字视频等。众多的工业标准自身并不能始终确保各种设备间的互操作，数字家庭工作组建立的互操作性框架和技术设计准则将为开发多品牌产品和解决方案提供指导，从而使它们彼此之间能够更好地配合工作。工作组的目标就是制订一套指导准则，并在未来12个月内开发出第一款符合该标准的产品。


    2004年，这个组织改名为“数字生活网络联盟”(DLNA)，其目的一方面是把这个行业组织所覆盖的范围从家庭拓展到整个数字化生活的各个领域，另一方面也想表明，该组织的研究工作已经有了成果，不再是一个工作组，而是一个联盟。DLNA v1.0的标准已经制定完成，目前正在进行v2.0版本的制定工作。在v2.0版本中，主要集中在远程用户接口和数字传输内容保护方面。


    到2004年第四季度，符合DLNA标准的数字家庭产品将会大量面世。目前，基于英特尔架构的、内嵌有英特尔芯片组的“数字媒体适配器”等产品已经在市场上被使用。

4.3 国内闪联标准
    “闪联”是由信息产业部主导，国内IT五巨头(联想、长城、海信、康佳、TCL)发起成立的“信息设备资源共享协同服务标准化工作组”。工作组的任务是在信息技术领域内，通过开发IGRS(信息设备资源共享协同服务)协议，在有限范围网络域(有线、无线)内，支持多种信息设备、家用电器、通信设备之间的设备自动发现、动态组网、资源共享和协同服务，从而提高这些设备间的互操作性和易用性，并创造出新的应用模式和丰富的应用。


    闪联的目标和技术策略实际上与DLNA是基本相同的，不同的是闪联是中国自己的行业联盟。在中国市场上推起一个属于自己的标准，并且使这个标准成为未来国际产业标准一个重要组成部分。
根据五巨头共同描绘的未来蓝图，一旦这个标准成为现实，那将意味着，所有信息设备之间将实现“互通互联”，不同企业的产品都将归纳于一个体系之下。通过这个标准，用户可以利用电视，方便的收看掌上电脑、手机、或者数码相机上的图片，实现双向式的互动，利用手机和音响的结合可以欣赏美妙音乐，利用电脑和手机的配合方便的实现诸如电话号码同步更新，在编辑收发短信的时候也完全可以借用身边计算机的键盘完成这个功能，而不用再登陆网站或用手机键盘实现这样一个发送过程，同时ＰＤＡ产品与投影结合，以及计算机与打印机间的相互使用也都可以实现。闪联最终的愿景就是让用户摆脱具体物理环境和设备的约束，让计算无处不在，让信息随时、随地、随意可得。


    制定这样的标准的重大意义还在于，国内企业看到了新的市场和技术所带来的新机遇。通信、信息、娱乐等技术迅速成熟并开始融合，同时这种应用模式也是构成下一代互联网应用框架的重要组成部分，也是产业发展到一定阶段的需要，因此，必要的技术规范对促进新的产业模式的形成和快速发展将起到非常重要的作用。


    2004年3月31日，闪联标准《信息设备资源共享协调服务协议标准1.0版》正式提交到信息产业部，行业标准即将出台。