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浅谈家庭网关技术及其应用

于敏丽| 家庭网关,Wi-Fi,ipv6| 2010-11-23
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中心议题
    * 家庭网关的组成
    * 家庭网关的连接
解决方案
    * 采用ipv6协议构建家庭网络
    * 采用灵活多样的通信方式


连入家庭网关的6大技术:
WiFi技术及其在家庭无线网络中的应用
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80008162
基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80007459
利用超宽带(UWB)组建高速家庭网络
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80007433
WiMAX技术的特性及其应用分析
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80008164
蓝牙无线技术分析与应用介绍
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80007473
数字家庭争端再起——WirelessHD小组推动60GHz无线技术应用
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80007499

5大互连方案:
基于Wi-Fi的无线智能门铃系统设计
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80007897
基于ZigBee和WiFi相结合的楼宇监测系统
http://www.52solution.com/data/datainfo/id/608
一种结构简单UWB接收机的设计与实现
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80007436
基于wimax的视频监测系统
http://www.52solution.com/data/datainfo/id/2853
基于蓝牙技术的嵌入式信息家电网络系统设计
http://www.52solution.com/article/articleinfo/id/80007911

一、家庭网关的功能

在世界的任何角落你都可以看到你的宝宝在它的婴儿床上玩耍;在外的小区居民用手机或者小区管理控制中心都可以对小区居民家里的空调设备和家庭电器进行遥控,能够随时随地查询和确认家庭中的安全状况;坐在沙发上就可以控制家里所有的灯;躺在床上就能关掉卫生间的换气扇;下班途中拨一个电话就可以启动您家中的空调;每天晚上,所有的窗帘都会定时自动关闭……这一切都是家庭网关能为您做的事情中的一小部分。

家庭网关是连接家庭网络和外部网络的接口单元,应该能够提供家庭联网、服务质量(QoS)保障、安全管理、维护管理、地址管理和数据转发等功能,除提供基本接入功能外,还可以扩展提供特定应用。

二、家庭网关的基本组成

一般说来,家庭网关包括5个功能模块:

接入功能模块。家庭网关的接入功能主要实现家庭网络与电信网络的连接。

联网功能模块。家庭网关的联网功能主要实现家庭内部的用户终端设备之间的连接,包括计算机和具有联网功能的家用电器。

传送功能模块。家庭网关的传送功能主要实现家庭网络内部设备与电信网络之间的IP包的传送。

核心功能模块。核心功能包括地址功能、QoS功能、安全功能、远程管理功能、本地管理功能。

地址功能主要实现家庭网关自身IP地址获得以及支持家庭内部终端获得IP地址,QoS功能主要实现多业务流的分级处理及转发,安全功能主要防止外部网络对家庭网络的非法访问以及内部网络的非法接入,远程管理主要实现运营商对家庭网关的远程管理与控制,本地管理主要实现家庭网关的本地登录管理与控制。

业务功能模块。业务功能模块与公共电信网络的业务实现相关,由于业务的种类很多,所以具备业务功能的家庭网关有很多类型,其具备的功能也与特定的业务相关。业务功能模块是可选的。


 

三、家庭网关与内部终端设备的连接

未来数字家庭的一个重要特征就是各种家庭设备间的互联互通,所有联网设备都要被连接到家庭网关上,传输数据、音频和视频。如果所用这些连接都通过墙上打孔的方式实现,几乎是人们所无法接受的,Wi-FiWirelessFidelity,无线保真)技术的出现和成熟,为家庭内部设备互联提供了一种理想的选择。

家庭网关作为枢纽,Wi-Fi作为桥梁,在各类便携式和固定设备间实现方便地互联。Wi-Fi技术与蓝牙技术一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术,该技术使用2.4GHz附近的频段。

由于受制于功耗问题,Wi-Fi仅能在笔记本等领域发挥作用。而如今,功耗问题的解决令Wi-Fi正以惊人的速度席卷消费电子产品,越来越多的半导体供应商和消费电子产品制造商将Wi-Fi作为一种连接手段嵌入消费电子产品中。

在某种程序上Wi-Fi推动了家庭网关的发展和应用。

四、家庭网关组建要求

要大规模地应用家庭网络,构建家庭网络的技术必须满足一些重要的要求。满足这些要求是为了让那些一点技术都不懂的用户愿意去使用家庭网络。如果操作过于复杂,家庭网络的市场将仅仅局限于愿意花费时间和精力去学习新技术的用户。

1.要求是要有足够的地址空间

这样才能为大量的家用电器设备都分配一个惟一的IP地址;当前使用的ipv4协议在家庭网络中应用的第一个限制是可利用的地址空间贫乏。即使isp只给每个家庭网络分配一个地址,家庭网络的大量应用也会很快将ip地址耗尽,而且各个国家和地区分配到的ip地址差别很大。由于历史的原因,北美分配到的ip地址要比欧洲和亚洲多很多。因此,即使在北美可以基于ipv4来构建家庭网络,在其他地区这种方法也是不可行了。

2.要求是用户只需对家庭网络进行非常少量的配置和维护

如果用户需要花费大量的时间去安装和维护家庭网络,那么他们对使用这些新技术的热情就会大大降低。配置、维护和操作越简单,就越容易被广大消费者接受。家庭网络要求可以很容易地对家电设备进行安装和配置。基于ipv4的家庭网络中,一台家电要自动获取一个ip地址的惟一方法是建立一个dhcp服务器,但是dhcp服务器需要进行管理。

3.要求是可以让各种各样的家电设备参与到家庭网络中来

家庭网络中的设备不应该仅仅局限于目前可以联网的设备,如PC、机顶盒等。家庭网络所使用的技术应该更加灵活以使尽可能多的家电设备可以接入到家庭网络中。

4.要求是要有灵活多样的通信方式

家庭网络不应该也不可能仅仅局限于使用传统的铜线连接,而应能使用多种传输介质。可能的通信方式包括Wi-Fi、蓝牙、WLAN等。


 

五、ipv6协议构建家庭网络

1.地址空间充足

ipv4的地址长度为32位,而ipv6128位。

ipv6的地址多到足以为地球上的每一粒沙子分配一个全球惟一的ip地址。因此在基于ipv6的家庭网络中可以为网络中的每一台家电分配一个或几个全球惟一的ip地址。这是ipv6协议非常有价值的一个特性,因为这意味着具有访问权限的任何人都可以通过internet对家庭网络中的每一台家电进行外部访问,而且这有助于开发一些对一般用户有吸引力的应用,如远程监控、在线游戏、voip等。

每台家电都有全球惟一的ip地址也使得在不同家庭网络中的家电设备之间建立端到端的通信成为可能。由于不再需要地址翻译机制,这使得在不同家庭网络中的家电设备可以使用ipsec协议进行安全的通信。

2.地址和服务的自动配置能力强

ipv4相比,ipv6协议具有非常强大的自动配置能力。ipv6的自动配置能力使得在家庭网络中增添支持网络功能的家电设备时几乎不需要做任何配置,这是由于家电设备可以从控制该家庭网络的路由器(即家庭网关)收到配置信息。基于这些配置信息,家电设备就可以完成自身的ip地址等信息的配置。这使得用户可以很轻松地在其家庭网络中引入新的家电设备,而不需要进行ip地址、网络地址、域名服务器以及网关地址的配置。

ipv6指定了link-local地址、site-local地址和全局地址等三种地址。家庭网络中的家电设备不需要任何用户的参与就可以自动配置这三种地址。

link-local地址(fe80::interfaee id)只在链路范围内有效,site-local地址(fec0::interface id)只在家庭网络内部有效,而全局地址(子网前缀:interfaceid)则在家庭网络的内部和外部都有效。

自动配置机制是基于icmpv6协议建立的。控制家庭网络的路由器在家庭网络中发送路由器通告消息,家庭网络中的家电设备基于这些消息自动地配置全球惟一的可路由的ip地址和接口id

3.使家庭网络更加安全

家庭网络的用户肯定不希望未经授权的人访问他们的网络,他们希望与外部用户的通信要进行加密和授权,只允许来自外部的合法连接。例如,如果用户的空调坏了,空调的生产厂家应能获得授权经由家庭网关来对空调进行访问。这样,在维修工人出发以前厂家就可以收集到诊断信息。所有这些类似的功能实现都需要安全的接入服务。

ipv6设计时已经内嵌了针对安全性的部分,例如协议中设计有专用的安全报头,可用于网络设备对用户接入的合法性进行检查,也可以用于检查源地址和接入实际地址的一致性。另外,ipsec是专门为ipv6设计的安全性协议,用于在ipv6网络中实现用户之间端到端的安全通信,从而保证只有可信赖的用户可以向家庭网络中的设备传输数据或发送指令。

ipv6而言,可提供的安全水平取决于特定网络和用户的要求,而不会受到技术限制,可以提供多种层次的安全水平来满足不同用户的需要,涵盖了从不具备安全性到具有非常高的安全性需要专门的技术和配置。对大多数用户而言,在家庭网关中集成一个简单的防火墙就可以提供足够安全的家庭网络环境,更加先进的ipsec可被用于提高商业用户网络的安全性。

4.支持移动性

要使家庭网络用户出门在外的时候仍然可以对家庭网络进行访问,对移动性的支持就非常关键。这将容许出门在外的家庭网络用户能够通过笔记本电脑、手机、pda等移动设备访问家庭网络中的资源并能对家中的电器设备进行远程操纵。更为重要的是,家庭网络用户离家之后,不需要对其移动设备进行过多的配置就应该能够实现上述功能。

要满足这些要求,ipv6网络要比ipv4网络容易得多。ipv6在设计时充分考虑了移动性需求,并将移动ipv6作为ipv6的基本组成部分,因此ipv6在移动环境下可更好地支持端到端以及多媒体业务。此外,ipv6的自动配置使得漫游到异地网络的移动用户可以很容易地进行配置。而且与移动ipv4不同,移动ipv6不需要异地代理,这意味着移动用户不需要进行本地移动配置就可以在任何地方对其家庭网络进行远程访问。

六、结束语

虽然家庭网关的推广和普及还有许多制约因素,但人们现代化生活的需求和新技术的飞速发展已经使得家庭网关的普及成为必然。在不久的将来,家庭网关将像自来水阀一样成为每个家庭不可缺少的一部分。

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