IPv6家庭局域网初探

【中心议题】

• 探讨了家庭局域网的概念以及IPv6通讯网络的技术优势
• 研究了家庭网关的结构组成和家电的通讯方式

【解决方案】

• 通过家庭网关实现与Internet的连接
• 通过家庭网关实现家庭各种设备的互连

0　引言

随着信息技术和Internet的迅猛发展,人们工作生活的方式都在发生着重大的变化.各大网络设备提供商提出组建家庭局域网,其目的是使用户利用家庭网络安全舒适、轻松方便地实现工作与生活.通过内置在新一代家电产品中的各种嵌入式芯片和处理器,越来越多的家电设备将具备网络连接和数据通信的能力,利用这些信息家电组建的家庭局域网将是信息网络时代发展的必然趋势.

1　家庭局域网的概念

家庭局域网是将信息家电设备接入到家庭网络中,从而实现它们的网络控制或共享.网络拓扑就是把连接在网络中的设备用节点表示,以表达它们相互连接的方法和形式.

如图1显示了家庭局域网的总线形拓扑,家庭网络可以通过家庭网关与外部Internet网相连,各家电设备通过总线与家庭网关相连,从而通过家庭网关实现对家电的远程管理和控制.

2　IPv6网络的优势

IP网络技术是目前通信网络的主流技术,而IPv6作为新一代的网络协议,它能提供巨大的地址空间,以及在安全性、移动性等方面的潜在优势,将在家庭局域网的建设中发挥越来越重要的作用.

IPv4的地址长度为32位,而IPv6有128位.因此在基于IPv6的家庭网络中,为每一台家电分配一个或几个全球唯一的IP地址成为可能.与IPv4相比,IPv6协议具有非常强大的自动配置能力,使得在家庭网络中增添家电设备时几乎不需要做任何配置.IPv6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才可以向家庭网络中的设备传输数据或发送指令.

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,移动IPv6不需要异地代理,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.

3　家庭网关设计

3.1　家庭网关的组成

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.

图2是一种简单家庭网关的逻辑结构,它主要体现了两个方面的内容:一是通过家庭网关实现与Internet的连接,二是通过家庭网关实现家庭各种设备的互连.在与Internet的连接中加入防火墙,可以保证家庭局域网的安全.家电操作平台,主要是实现在家庭内部对家电的控制.

3.2　家庭网关的功能

家庭网关主要是实现了家庭网络设备的网络化,不仅使家庭设备实现与Internet的连接,而且实现了家庭设备的互联,从而对它们的操作更加集中化,并具有方便性.家庭网关的主要功能有:可以通过ADSL或局域网接入到Internet,实现上网的功能;

具有家庭网络操作平台,除了网络设置功能外,可以直接对家庭设备或家电直接进行控制和操作;

具有路由器的功能,家电直接与家庭网关中的路由模块相连,网关可以对接入的家电进行自动配置,生成IPv6的地址格式,并对生成的地址存储,以备操作之用;

可以接收外来的数据包,并对数据包进行解包,分析目标地址和相应的数据,实现对家电的控制;

可以查询家电的状态,对不正常或出现故障的家电及时作出信息统计.

3.3　家庭网关与家电的通信

家庭网关与家电之间的通讯主要分为两部分:一是家庭网关对家电状态的查询,即家庭内部通讯;二是家庭网关接收到外来的数据包后,实现对家电的控制,即家庭外部通讯.同时,家庭网关还可以通过内置的家电控制平台直接对家电进行相应的控制,这也属于家庭内部通讯的范畴.下面将介绍这两种通讯的流程.

图3展示了家庭网关查询家电状态的过程.家庭网关发送家电状态查询的数据包,被家电的信息接收装置收到后,对所收到的信息进行响应,然后返回家电的状态.如果网关收到的家电状态正常,则保存家电状态,以备控制之用;如果家电的状态不正常,说明家电出现故障,需要及时修理,网关就报告错误信息,或者发送错误信息给家电提供商,及时对家电进行维护.

图4展示了家庭网关控制家电的过程.这个过程显示的是家庭外部控制的流程,首先网关接收外来的数据包,对其进行分析后,然后按照数据包中的地址信息找到相应的家电,和家电建立连接后,网关再把数据包中对家电的控制数据发送给家电,家电接收到数据后,执行相应的操作,从而完成家电控制的过程.这个过程完全由家庭网关来自动完成,不需要外界的参与,这也实现了远程控制的概念.

4　家电协议设计

在家庭网关与信息家电的通讯中,确定一个明确而合理的通讯协议是关键.协议中必须对家电信息、数据格式、通讯方式、传输速度、传输步骤、纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一的规定.除此以外,根据信息家电的应用特点,代表信息家电各个状态的代码,也必须明确规定.

4.1　家电信息编码

对家电的各种信息进行编码,能够实现通讯过程的简单和智能化,从而简化了数据格式,有利于通讯的实现.家电状态代码采用十六进制的数字,表示信息家电的各种状态,其规定如表1所示.

信息家电除了名称和状态之外,还有一类最重要的操作,就是功能代码.功能代码表示了一个数据包中所能够实现的功能的编码,功能代码的规定参考电子控制领域通用的Modbus协议,如表2所示.

功能代码表中的对指定点写入数据,如果指定点为家电,家电可依据写入的数据执行相应的操作;如果指定点为网关,则网关保存接收到的家电信息.

4.2　家电通讯协议

对家电的信息作了编码之后,那么数据格式中的相应数据代码就表示了家电相应的状态或信息,从而实现了不同家电设备的一个统一标准.家电通讯协议自定义格式就有了统一的规定,见表3.

4.3　家电地址

家庭局域网中的家电地址都采用IPv6的地址格式,因为家电要接入局域网,就需要为每一个家电分配一个地址.局域网中家电地址的获取,采用了IPv6地址自动配置中的无状态地址自动配置.配置好的家电就接入到了局域网中,就可以通过家庭网关使用了.

5　结论

基于IPv6的家庭局域网是新时代网络发展的一大趋势.对于家庭局域网,首要解决的问题就是家庭网络拓扑结构,它是整个设计的总体框架,其中的核心就是家庭网关.为了解决家电接入网络后,家电的管理和它们的通信,设计了家庭网关和家电通信协议.家庭网关能够很好地对家电进行管理,还能操作家电,实现智能化的概念.家电通信协议的设计能对家电和网关的通信以及家电与互联网的通信实现统一规范化,进而建立一种标准.随着技术的不断发展,相信利用IPv6网络的技术优势,家庭局域网必将迎来广阔的发展前景.