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探讨家庭网络技术及其实现方案

我爱方案网| 家庭网络,家庭网关| 2011-11-21
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中心议题:
    *  介绍家庭网络技术
    *  讨论家庭网关的功能
展望家庭网络的未来
解决方案:
    *  基于PC 机的家庭网关
    *  基于调制解调器的家庭网关
    *  基于机顶盒的家庭网关


随着ADSL、Cable Modem 等宽带接入技术的迅速发展,人们在家里可以享受到越来越多的互联网服务。网络应用的普及以及各种信息家电(IA:InformatiON Appliance)的产生都使得在家庭内部对互联网的访问不再局限于以前的单个PC.因此,每个家庭都将面临着如何在家庭内部传送互联网宽带业务以及如何将各种信息家电连接起来的问题。由此,一种新的网络和新的概念--家庭网络应运而生。

家庭网络技术

家庭网络的英文全称是H o m eNetworking,它是指包括可以扩展至整幢住宅、整个社区在内的家庭范畴里的将个人电脑、家用电器、三表(水表、电表、煤气表)、照明系统、安全报警系统与计算机广域网相连接的一种新技术。

目前,真正的智能家庭生活至少需要三种网络的支持:宽带互联网、家庭互联网和家庭控制网络。其中,宽带互联网接入是家庭对外的桥梁;家庭互联网建立在信息家电的基础上,是一个较低速度的,与互联网能很好连接的网络;家庭控制网络则是更低一级,只是简单地把非智能的家电给控制起来。从某种意义上讲,例如Home PNA,它只是信息家电普及前的一个过渡和补充。

宽带互联网方面的竞争比较激烈,各方的优缺点很明显。对于以太网,各方面技术指标都不错,也很适合未来的发展,但造价比较高,一次性投入比较大,适合于新小区的建设。Cable modem 的技术指标也不错,但稳定性较差。由于只对有线电视网络进行改造,费用较低廉,适合于旧小区改造。而卫星通信技术虽说比较有特点,但目前看来费用太高,只能在一些特殊地区使用。xDSL 是目前较受欢迎的技术,由于采用现有的电话线,成本较低,而先进的编码调制技术使得它具有较高的速率。

构造家庭互联网络的众多技术可大体分为两类:有线与无线。家庭网络构建的原则是:使用方便、安装简单,不需要额外布线。因此,只有无线或利用电力线和电话线的技术才比较符合家庭的要求。但目前看来这些利用电力线的技术,如H o m ePlug 都存在着接入设备昂贵、技术成熟度不够的难题。而利用电话线的技术,也面临家庭的电话插头少,接入产品不能芯片化,支持厂商少等问题,推广起来还有一定难度。在无线方面, 目前主要有三种技术:IEEE802. 11 、HomeRF和蓝牙(Bluetooth)技术。

家庭网络与其它网络的最大不同就是设备的复杂性,各式各样的电器设备其接口和控制远比其它数据网络复杂,统一标准的家庭网络是件非常繁琐和费力的工作。因此,家庭网络的实现将是多种网络技术的共存,据IN-STat 分析,未来家庭网络中电话线网络将占据50~70% 的市场;无线将占据3 0 % 左右;电源线则不到10%.

家庭网络最主要的功能就是实现家庭内部和外部信息的交换,为实现家庭内部网络和外部网络的互连,需要一个特别的设备--家庭网关(Home Gateway)。家庭网关是家庭和互联网的集中接入点。图1 是一种典型的家庭网络结构。

图1 家庭网络结构

 

家庭网关

关于家庭网关的概念目前还没有形成一个标准。不同的人或不同的厂商对家庭网关有着不同的定义。

Residential Gateway Group(RG)是在1995 年建立的工业论坛组织,它率先采用家庭网关来代表一个集中式智能接口,将外部的家庭接入网络和家庭内网络联系起来。RG 的家庭网关定义为:简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元,它可以从不同的外部网络接收通信信号,通过家庭网络传递信息给特定消费者的设备。开放服务网关组织(OSGi)当前正在制定他们称之为服务网关的规范,其技术的主要特点是:需要开放的和独立的平台;目标是成为一个标准;应有较高的独立性和保密性;应支持不同类型的家庭连网协议;应具有较高的可靠性。

家庭网关本质上是作为连接家庭内部和外部网络的一种物理接口,提供了一种用户可以获得各种家庭服务的平台。具体功能可以分为以下几个方面:

* 为家庭网络中的设备分配IP地址。每个家庭网络中的设备都必须拥有一个唯一的IP地址(仅限于家庭内部使用)。用户无需对设备进行手工配置而实现即插即用。对这种仅限于家庭内部使用的IP,只能由家庭网关来配置。

* 路由功能。家庭网络的复杂性使得内部可能存在多个具有不同物理层协议的子网,家庭网关必须具有路由功能,将来自互联网的宽带信息送到相应的设备,同时也可实现设备间的通信及分工合作。家庭网关的路由功能比较简单,Windows2000 所具有的路由功能就足够了,当然也可以安装专用的路由器。

* 共享宽带连接。使家庭内部的多个PC 机及其它信息设备有效地共享宽带接入。对大多数只有一个服务提供商的用户来说,有两种途径可以实现:代理服务器是目前非常流行的一种方法,家庭内部所有的PC 机和信息设备都共用一个IP接入。但这种方法是运行在协议栈的应用层,因而对网关的配置相当复杂,每个设备都要在网关指明它的应用;另外,一种更简单的方法是采用网络地址转换N A T ( N e t w o r k A d d r e s sTraNSlation)机制。与代理服务器不同,NAT 运行在网络层,网关无需知道应用层的内容,只完成将内部的IP地址转换成外部IP.对于连接到多个ISP 的用户来说,就需要为每个设备和相应的ISP 之间建立连接,对不同设备的配置也会有所不同,比较适合于采用面向连接的端到端协议PPP.

家庭网关提供的统一平台可以满足大多数消费者的需求,为他们提供信息、娱乐和通信服务。在此基础上,网关自身的功能也在不断变化。

在最基本的形式中,将结合数字调制解调器、家庭网络芯片组以及相应的软件。数字调制解调器芯片组提供到不同宽带网络的连接,家庭网络芯片组则提供家电间的互连技术。此外,所有的网关都会有相应的计算资源,以支持设备运营所需要的软件。运行于家庭网关中的软件使家庭内的信息家电和服务可以实现平滑的互通,弥补和消除了系统不同单元间的复杂性以及传输技术上的不同。

实现方案

目前,家庭网关的实现方案包括PC 机、宽带调制解调器、机顶盒等类型。

* 基于PC 机的家庭网关(家庭服务器)基于PC 机的家庭网关是实现家庭网关最容易的途径。用一台装有Windows2000 的计算机作为服务器,通过设置其中的互联网connectionsharing(包括NAT、DHCP、DNS),就可以完成家庭网关的功能。然而,PC 机也有一些不利因素,传统操作系统不够稳定,作为提供关键功能(如安全功能)的网关,PC 机经常死机和需要重新启动,这是不能接受的。

* 基于调制解调器的家庭网关采用电话线的模拟调制解调器不能提供超过56kb/s 以上的带宽,但数字调制解调器,如电缆、DSL 和卫星,却可以提供高速的互联网接入。卫星调制解调器可提供400kb/s到38Mb/s 的带宽,DSL 调制解调器可提供1.5Mb/s 到52Mb/s 的带宽,有线电视电缆调制解调器可提供达30Mb/s 的多媒体传输速度。网关的实现是在调制解调器的基础上增加网关寻址、路由功能以及处理控制功能。这种类型的网关很容易安装,服务供应商也将初始投资降到最低。

* 基于机顶盒的家庭网关最初的机顶盒是作为一种家电产品,用来完成视频信号的解密功能的, 随着软硬件技术的发展,现在的数字机顶盒在增加了网络通信单元、数据采集和处理单元以及相应的控制单元模块之后,其功能也得到了很大的提升,可以实现家庭网关的功能。

基于机顶盒解决方案既有基于电话线的机顶盒,也有基于有线电视同轴电缆的机顶盒,还有一种全软件的解决方案,它的核心是利用微并行处理器,其他功能全部用软件实现。

* 其它可能的网关机顶盒、PC 机和基于调制解调器的网关是比较容易想到的技术,而游戏机、数字视频录像机(DVR 或数字VCR)以及电力计费设备也是一些可能进化成网关的潜在的平台。高速度的游戏机具有足够的处理能力,并具有作为未来数字化家庭网关的接口。目前,DVR 提供了宽带数字网络接口,D V R 制造商还可以增加对几种家庭网络技术连接的支持接口,当然还有可能DVR 被集成到机顶盒中。

 

家庭网络的未来

家庭网络的出现,使得人们可以更容易享受到丰富的宽带服务。第一代家庭网络产品是对办公室应用的模仿,如外设共享、互联网访问等;而正在实现的应用将集中于通信和娱乐方面,当消费者开始使用数字技术,如用于视像传播的MPEG-2、声音传播的MP3 及数码相机时,家庭网络市场将会发展。不过,家庭网络还未完全成熟,由于家庭网络设备的复杂性,其通信和控制接口没有统一的标准。

当前,家庭网络在中国尚未有较大的影响。一方面,家庭网络技术本身只有达到10Mb/s 这一门限后才能在图像传输方面得到广泛应用;另一方面,家庭网络技术是随着互联网高速接入的发展而发展的,这方面中国发展还较慢;同时拥有2 台以上P C机的中国家庭还较少。但从长远来看,中国家庭网络的发展空间非常巨大。

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