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家庭网络技术及相关协议

杨小东; 陆以勤| 家庭网络技术,家庭网关| 2010-11-30
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【中心议题】

  • 罗列了目前8大典型的家庭网络联盟及主要研究状况
  • 列出了家庭网络核心技术——家庭网关的三类产品
  • 提出了基于NGN的家庭网关的框架图

【解决方案】

  • 通过IP网关实现Internet连接共享、防火墙、DHCP服务器和NAT服务器
  • 通过服务网关为家庭网络的服务提供一个开放的、通用的管理环境和集成平台

0 引言

各种调研材料和统计数据表明,传统的家电正向数字化、信息化、智能化、自动化、网络化的方向发展,而由于计算机、通讯、消费电子(Computer,Communication,Consumer Electronics,称为3C)技术上的融合导致产品功能(话音、数据、多媒体、通信、控制和管理)的融合,信息资源在个人终端上得以整合,用户可以直接面对一个集中信息平台进行操作,设备和信息之间实现无缝的链接,信息在家庭内部终端与外部公网及家庭内部终端之间充分流通和共享。

这种3C的融合产品代表了家电产品未来的发展方向,可称之为“网络家电”。网络家电可以实现内部互联和外部接入组成“数字家庭网络”。

家庭网络主要管理以下两个方面:一是对电器设备进行自动化监控,对能源进行优化管理与控制,如家电开关、空调调节、灯光控制、声音调节、温度控制、湿度控制、安全和保安管理及水、电、气3表自动计费和转账管理等。二是对数字设备实现互联,如计算机、多媒体计算机、电视、摄/录像机、VCD/DVD和数码相机等娱乐设备,对外实现与互联网连接,实现远程监控、教育、医疗、存贷、购物等。

1 相关组织联盟

1.1 e家佳

e家佳的“数字电视接收设备与家庭网络系统平台标准”为中国第一个家庭网络推荐性行业标准。

 

e家佳于20047月成立,囊括了海尔、同方、网通、上广电、春兰、长城等200多家国内外成员单位,其制定的标准涵盖了主干网通信协议、网络系统体系结构及参考模型、控制子网通讯协议、控制子网一致性测试等规范。其显著特征是实现了家电、计算机、通信设备的相互关联。

该标准共包含六项标准:家庭控制子网接口一致性测试规范、家庭控制子网通讯协议规范、家庭网络设备描述文件规范、家庭网络系统体系结构及参考模型、家庭主网接口一致性测试规范和家庭主网通讯协议规范。e家佳标准以其先进的技术性和高度实用性,在获得用户和国家认可的同时也赢得了国际上的注目。e家佳的会员单位涵盖了消费电子、半导体、通讯、IT、安防、建筑、网络运营、软件等众多行业,形成一个巨大完善的产业链,产品与3CISP和房地产等市场领域息息相关。

1.2 闪联

闪联的主要工作目标是在有限范围网络域(有线、无线),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。

闪联全称是“信息设备资源共享协同服务”

(Intelligent Groupingand Resource Sharing,IGRS),标准工作组于20037月由联想、TCL、康佳、海信、长城五家企业发起、7家单位共同参与正式成立,其目标是在“多种信息设备、家用电器、通讯设备之间的设备自动发现、动态组网、资源共享和协同服务”方面进行标准化工作。实际上闪联的1.0版标准主要是解决了智能互联的问题,资源共享和智能应用仍有待于进一步的研究。闪联目前已有40余家成员企业,1.0标准也已被信息产业部批准为国家推荐性行业标准。

1.3 DLNA

DLNA(数字生活网络联盟)主要是推动设备兼容性的一个标准化组织,它并不专门为家庭网络开发具体的通信技术和协议,主要是从已有或正在开发中的规范进行选取和限定,发布产品互通设计指导,从而达到不同产品互通的目标。

DLNA是一家非赢利性贸易合作组织,其前身是DHWG(Digital Home Work Group),旨在根据开放式工业标准制定一个设计指南互操作性框架,以实现跨行业的数字融合。20036,它由17家创始成员组成,包括富士通、惠普、英特尔、联想、IBMKenwood、松下、微软、NEC、诺基亚、飞利浦、三星、Sharp、索尼、STMicroelectronicsThomson等。全球目前已有200多家不同行业的公司加入DLNA。华为、中兴、联想作为中国企业也成为了其成员。

 

DLNA标准组织主要是采纳成熟的业界标准作为自身的提案,大大促进了标准的建设;2004上半年,DHWG的标准趋于完善,推出了HNV1互通性测试标准;2004下半年,DHWA更名为数字生活网络联盟(Digital Living Network Alliance),将工作的重点由标准的建设迁移到产品的互通性测试阶段。

DLNA目前已经发布了家庭网络设备互操作性指南的1.0,并且2005328还在中国举行了一次关于该指南以及DLNA组织的研讨会,1.0版主要侧重于在网络家电设备、家用电脑和移动设备之间实现互操作性,以支持涵盖图片、视频和音频等的媒体应用。从1.0版看来,DLNA目前的领域还比较狭窄,主要集中于设备互操作性的支持,在家庭控制、家庭管理、服务质量、安全、版权保护、网络通信等很多家庭网络的领域都没有考虑。

从总体上看,DLNA(UPnP)的范围是仅限于在家庭内部,其目的是实现家电、计算机、通信设备的智能连接。闪联(IGRS)DLNA(UPnP)的主要区别在于:闪联不仅实现设备间的智能互联,更重要的是实现设备的资源共享和协同服务,更加注重应用,IGRS为各种特定应用制定的相应框架为最终应用程序开发提供了更进一步支持。而从工作范围上来讲,闪联标准的范围不仅限于家庭,而且包括企业中的应用以及社会上相关资源的协同应用。从目前双方达成的共识来看,两个标准存在着很强的互补性,其工作组也正在就下一步的合作进行相互探讨。

1.4 ITU-T

ITU在家庭网络方面的主要研究领域集中在以家庭网关为核心的网络架构、家庭网络的Qos、安全机制以及家庭网络相关的电信业务的研究上。

ITU-T是国际电信联盟电信标准化部门,成立于1993,它的前身是国际电报和电话咨询委员会(CCITT)ITU-T研究和制订除无线电以外的所有电信领域标准,分为16个研究组。国际电联ITU-T中的SG9最早涉足家庭网络的标准领域,由于SG9的工作主要是围绕有线电视领域,因此,ITU-T已发布的关于家庭网络方面的建议书主要是关于有线数字电视系统的。随着世界范围内家庭网络研究的兴起,SG9的发动和组织下,ITU-T20046月在日本东京开展了以家庭网络和家庭业务为主题的WORKSHOP

 

ITU-TSG5在下一研究期的工作计划中专门建立了课题P/5:家庭用网络。其主要的研究任务是各种家用电器(诸如TV,VCR,DVD,电冰箱等)、布线系统(如配电线和电话线)、无线局域网(LAN)系统、xDSL系统、有线局域网等紧挨着使用所产生的电磁环境的特性,用于家庭环境的电信设备的电磁兼容性(EMC)要求,家庭环境中电磁问题的减轻方法等。下一研究周期的主要任务是起草关于“家庭网络系统的EMC、耐受性和安全性要求”的系列新建议。

ITU看来,家庭网络作为端到端的电信网络的最后一段,如何规划、定义和规范这一段网络来最终实现提供多样的电信业务,ITU在家庭网络方面工作的主要目的。

ITU-T目前对家庭网络已通过的相关标准有:

J.126(2004)嵌入的电缆调制解调器设备规范;

J.190(2002)支持基于电缆业务的家庭媒体网体系结构;

J.191(2004)增强电缆调制解调器的IP特性包;

J.192(2004)支持电缆数据业务提供的家庭网关;

J.193(2004)下一代机顶盒要求。

1.5 UPnP

UPnP(UniversalPlugandPlay———通用即插即用)是一种能够自动发现,配置和设备控制,并且建立在IP网络基础上的网络协议。

 

UPnP论坛于19991018创建,目前全球有超过700家企业和组织加盟,其核心成员是Sony,Can-non,Samsung,LG,TCL(Thomson),Nokia,Panasonic,Siemens,IBM,HP,Intel19家公司,中国的成员包括方正,联想,海信,同方,华为等公司。UPnP论坛的成员无须交纳会员费,而且其成员都可以免费使用UPnP技术。

UPnP具有如下特点:UPnP是面向易用性设计的“数字家庭”(DLNA)网络协议集的核心部分,设备连入“数字家庭”网络的最普适的方式,是设备通过“数字家庭”网络通信的公共协议,建立在被广泛接受和普遍适用的互联网协议之上,来自不同厂商的设备非常容易就可以工作在一起,从而实现“任何时间,任何地点”的内容共享和计算。UPnP从设备的寻址、查找、控制、事件、表现五个方面定义了设备间互操作机制。UPnP针对IP网络中的设备自动寻址问题采用了AutoIP(自动IP地址分配)机制,针对设备间的相互发现问题采用了SSDP协议(简单服务发现协议),UPnP的主要设计目标集中在如何实现对计算设备的简单控制上。

迄今为止,很多国际组织,DLNA,NMPR,IGRS已经宣布兼容UPnP的网络协议框架。UPnP技术在IP(传输层)以上、应用层以下,所以与具体的物理接入手段和应用无关,为了拓展UPnP在家电控制、网络接入、自动控制、Wlan等领域的应用,相继成立了Wlan Access Point, HAVC, Internet Gateway, Device Security, QoS, Light Control, Scanner External Activities, Printer Device, RemoteU/I等子工作组。

1.6 ECHONET

ECHONET(Energy Conservationand Homecare Network)是在家庭监控应用方面具有代表性的标准化组织,该组织的目标是为家电、传感器和控制器提供通信接口和协议,达到减少CO2排放,减少医疗费用,建立安全无障的社区的目的,其研究内容包括用于ECHONET的通信中间件、通信接口、通信协议等。

该组织目前发布的标准包括ECHONET Specification Ver2.11,家庭网关应用及业务,主要实现家庭监控应用。ECHONET协会成立于1997,主要目标是开发标准化的家庭网络标准规格,并应用至家庭能源管理、居家医疗保健等服务上。ECHONET的家庭网络架构由ECHONET控制装置、ECHONETRouterECHONET机器设备所构成,采用无线方式或电力线方式连接家中的空调、冰箱、照明器具、保全传感器及家庭医疗设备的网络。

1.7 UOPF

UOPF(Ubiquitous Open Platform Forum)“泛在开放平台论坛”,是一个借助IPv6推进网络家电互联互通的业界组织。其目标是制订通过家庭内部网络及互联网等实现数字家电互联的标准,让任何使用者都能简易操作连接到宽带网络的数字家电。

 

该组织是2004211由日本的松下、SonyNEC、东芝、三菱、三洋、先锋、日立等10家电子厂商和NTT4家互联网服务商成立,该组织是由NTT牵头的,NTT在此之前制订了一个实现网络家电即插即用的协议———“m2m-x,分析认为UOPF的成立明显是NFF想借助这样一个中立组织来推行m2m-x作为网络家电连接的标准方式。可以看到UOPFDLNA的部分目标是重合的,但显然UOPF专注于家电互联互通方面。日本的企业近几年一直在积极推动建立统一标准,一只脚踩在UOPF日本标准上,另一只脚踩在DHWG国际标准上,目的只有一个,就是要在家电、电脑、电影、音乐和游戏等各个行业实现利益最大化。

1.8 OSGi

OSGi(Open Services Gateway initiat-ive)的目标是带有家庭自动化应用的住宅互联网网关,现在应用领域扩展到数字移动电话、汽车(BMWX5系列)、信息通讯业务、嵌入式的电器、家庭网关、工业计算机、台式计算机、高端服务器等。OSGi19993月成立,IBM发起,现有成员40多个。

OSGi规范是一种基于Java平台的技术规范,它为服务提供者、开发者、软件供应商、网关操作者、设备供应商等提供一个开放的、通用的框架结构,使得他们能以协同的方式进行服务的开发、配置和管理。

OSGi规范为网关平台执行环境描绘了一个应用编程接口(API)标准。这些API涉及服务生命周期管理、内部服务依赖性管理、数据管理、设备管理、客户访问、资源和安全管理等。使用这些API,最终用户可以以命令的方式从服务提供者那里获得基于网络的各种服务,而网关可以管理这些服务的安装和配置。

2 网络技术核心产品———家庭网关

各个不同的联盟的成员企业根据各自标准都推出各自的家庭网关产品。家庭网关是家庭网络与外界相连的门户,从逻辑上看,它可以分为IP网关和服务网关两部分。IP网关的主要功能是实现Internet连接共享、作为防火墙、DHCP服务器和NAT(Network Address Translation)服务器。服务网关的主要功能是为家庭网络的服务提供一个开放的、通用的管理环境和集成平台。服务网关这一概念主要源自OSGi规范。

根据对功能集成方式的不同,可分集中式家庭网关和专用型网关。

 

2.1 典型的家庭服务网关产品

(1)集中式网关

集中式网关倾向于在一个宽带网络上集成视频、音频和语音应用,如高级的机顶盒产品、MotorolaDCT-5000Scientific-AtlantaExplorer2000NextLevel CommunicationLP系列N3家庭网关。近来市场上出现一种新型集中式网关,它集成了一个宽带Modem(DSLCable Modem)和一个家庭网络解决方案(HomePNAHomeRF的解决方案)

这样的网关有Cisco System公司的Internet家庭网关,2Wire公司的HomePortal,爱立信IPTV解决方案、ShareGate公司的ISIS/Jupiter网关以及Caymen System公司的3220HW网关。

(2)专用型网关

专用服务网关所允许的应用被限制在特定的应用类型,诸如Internet接入、电话、能量管理和家庭控制与安全。新出现的瘦服务器网关可以允许多种类型的应用。例如Ericsson公司的e-box,被设计用于能源管理、家庭自动化、家庭护理、家庭安防以及共享Internet接入。其他的专用和瘦服务器网关包括Coactive Networks公司的Connect20003000系列,Emerald Gateway公司的ESG400,Sage System公司的Aladn网关节点等。

(3)面向NGN的家庭网关

由于电信网络正向NGN演变,出现了由NGN的终端演进的家庭网关。在国外,一些运营商家庭网关的概念已经开始实施,使得家庭网络成为电信网络的一部分。如美国南方贝尔承建的美国最大的NGN网络,在终端使用了家庭网关。使电信业务有效地延伸到家庭,提供多种多样的终端,融合IPTVNGN、宽带路由服务器、蓝牙等各种各样的网关。又如华为家庭网络解决方案在海外已通过了运营商严格的测试,在法国、巴西、新加坡都得到了应用。

 

2.2 面向NGN的家庭服务网关的架构图

面向NGN的家庭服务网关的架构如图1所示。

3 结束语

随着生活水平的提高人们对于数字化、信息化的需求也进一步提高,同时,电子信息和智能建筑正经历巨大转型,信息化和网络技术的发展为家庭网络数字提供了强有力的技术保障,家庭网络应用条件已经成熟,潜在需求强烈,并随着国内企业的全球化进程开始加速,加剧了国内家电企业面临重新构建产业秩序的步伐。

在我国,这方面的工作目前正处于初级阶段,由于NGN的升级还没有延伸到端局,国内出现的一些支持SIP协议的终端产品,SIP电话等低端产品,家庭网关还没有在市场上真正得到实施,同时由于运营商主导的产业链还处于测试阶段,所有这些恰恰为传统家电业的发展带来新的机遇。如果我国的家电制造业,尤其像顺德这样的“家电制造王国”,能抓住面临的机遇,注重家庭网关的自主知识产权的研制,相信在不久的将来,必然能在世界家电行业真正树立“家电王国”的风范。

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