关于数字家庭网络应用的研究

【中心议题】

• 对数字家庭网络进行了简单的介绍
• 针对组网数字家庭网络的技术进行了阐述
• 对实现家庭网关的技术进行了重点分析

【解决方案】

• 家庭网关作为家庭外部TCP/PI网络和局部家庭网络之间的连接点
• 家庭网关同时处理多种类型的接入网技术,即完成不同网络间的协议转换和路由选择功能

1数字家庭网络的介绍

数字技术的飞速发展不断催生出众多的数码产品,个人电脑、PDA、手机、数字电视、DVD、MP3、DV/DC等数字产品逐步进入普通生活中,与此同时,宽带通信与互联网的普及极大地促进了数字媒体内容的发展。变得越来越频繁,设备间如何方便、智能的互联和协同工作已经日益成为人们关注的焦点。但是,由于缺乏统一的信息格式、接口协议,而导致不同设备之间信息传递和工作协同很不方便。加上设备越来越多,使得管理也越来越麻烦。如何更有效地发挥这些设备的作用,提高居家生活的智能化和方便性,已成为现代人生活乃至办公的重要问题。人们自然地产生了将各种电脑、家电之间合理地互连互通起来的强烈需求。于是,数字家庭网络便应运而生了。从产业发展的潮流看,通信、控制、商务、娱乐等技术迅速成熟并开始融合,3C(即计算机、通讯和消费类电子产品)融合的趋势己经显现,信息资源在个人终端上得以整合,个人用户可以直接面对一个虚拟的信息平台进行操作,设备和信息之间实现无缝的链接,所有这些又使得“数字家庭网络”这个话题越来越热。数字家庭网络从组成上又可以分为以下部分:

(1)家庭网关—它是数字家庭网络的核心,是家庭内部网络的组网和控制中心,也是外部网络进入家庭的桥梁和枢纽,它在我们的数字家庭网络业务中起着重要作用。笔者将在第四章对其进行具体的分析和研究。

(2)各种信息终端设备和智能家电设备,用户通过这些设备享受运营商所提供的各种服务。

(3)家庭内部互连环境—将数字家庭内各类终端互联并与家庭网关相连,通过家庭内部有线或无线方式的互联技术实现家庭网络各信息终端设备和智能家电设备的自组织联网并提供自动发现和配置。家庭网络系统结构图如下(图1)。

2家庭网络组网技术

家庭网络的组网技术主要指家庭中物理网络的构建。目前用于家庭的组网技术非常多。这些传输技术中,有些己经比较成熟,有些还正处在发展阶段,家庭网络中的技术可以混合使用,可以根据设备的业务情况选择不同的技术,目前,相关标准组织(如DLNA(数字生活网络联盟)比较倾向于使用802.11作为将来标准的家庭网络接口技术。下面对各种技术进行介绍。

2.1有线组网技术

2.1.1 Ethernet

以太网(Ethernet)是Xerox,Digital Equipment和Intel三家公司开发的局域网组网规范,并于80年代早期将此规范提交给IEEE(电子电气工程师协会)802委员会,经修改并通过,成为IEEE的正式标准IEEE802.3。以太网是现有局域网采用的最通用的通信协议标准。基本上所有的局域网络均采用以太网,在大型网络系统中的各个子网也多数构成以太网,从应用来看,办公室自动化、证券、校园网、控制系统等各类应用均以以太网为主要的通讯传输方式,应用非常广泛,而且仍保持很猛的发展势头。以太网采用基带传输,通过双绞线和传输设备,实现10M/100M/100OM的网络传输。

2.1.2 IEEE1394组网技术

IEEE1394又称火线(Firewire)是一种高速串行总线标准,最初苹果计算机是希望将它用于储存设备。出于市场竞争的缘故,IEEE1394开始一直受到冷遇。直到最近几年,由于其出色的性能、高达4OOMbPs的传输速度和成熟的技术,获得Intel等IT业主流PC厂商的支持,并成为开发的热点。

2.1.3 HomePNA

HomePNA(Home Phone Networking Alliance)是3Com、AMD、AT&T、Intel等几家著名公司成立的家庭电话线网络联盟,致力于协调采用统一的标准,在电话线基础上发展高速网络。其目的在于方便家庭范围内的多台PC机的互联,共享打印机及其他资源。HomePNA技术能够分离通过一条电话线传送的声音和数据业务。因此,用户可以用同一条电话线同时访问因特网、打电话或发传真,而不会相互影响。除了物理层的一些编码之外,HomePNA完全符合IEEE802.3标准,用户可以像使用普通网卡一样利用HomePNA实现各种网络的应用。

2.2无线组网技术

在通信发展过程中,人们在充分享受到有线通信带来的便利后,自然会考虑使用无线手段来提供相同的服务,移动电话目前正以高于有线电话增长率的速度发展便是一个明证。同样,在数据通信领域中,以太网的巨大成功同样促使人们考虑利用无线技术来实现有线本地网的应用。

2.2.1 IEEE802.11建网技术

IEEE802.11b在无线LANs(WLAN)竞争中具有优势,被作为成熟的标准广泛采用。家庭组建CP网,用户使用安装了相关设备的笔记本电脑,就可激活IEEE802.11b进行接入。但因其价格昂贵而制约了在家庭网络中的应用。采用向下兼容的IEEE802.11g则速率可达54Mb/S,仅可能解决部分问题。

IEEE802.11指定直扩(DSSS)和频率跳频扩频(FHSS)的射频(RF)物理层可选。由于DSSS能满足高速率1MIb/s的要求,所以设备供应商多选择DSSS,并保证从2Mb/S到11Mb/S速率共存。在家庭和小型办公室、家庭办公室(SHOO)应用中,无线以太网成为WLAN的一个选择。IEEE802.11的MAC层能以标准的以太网,经由网桥或接入点(AP)无缝工作,确保ALN上的无线和有线节点在内部互相操作。

2.2.2蓝牙技术

蓝牙Bluetooth(即IEEE802.15)是一种开放性短距离无线通信技术标准。它面向移动设备间的小范围连接,其本质可以说它是一种代替线缆的技术。从应用的角度来讲,它与日前广泛应用于微波通信中的一点多址技术十分相似。因此,它很容易穿透障碍物,实现全方位的语音与数据传输。蓝牙同IEEE802.llb一样,使用2.4GHz频段,采用跳频扩频技术(注:跳频是蓝牙使用的关键技术。对应于单时隙分组,蓝牙的跳频速率为1600跳/秒;对应于时隙包,跳频速率有所降低;但在建链时则提高为3200跳/秒。)。由于使用比较高的跳频速率,使蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。蓝牙支持点对点和点到多点的连接,使用无线方式将多个蓝牙设备连成一个微微网(Piconet),多个微微网又可互连成特殊分散网,形成灵活的多重微微网的拓扑结构,从而实现各类设备之间的快速通信。

3家庭网关技术分析

3.1家庭网关简述

传统的家庭网络为家庭内部各个终端设备之间的信息沟通提供了一个统一的网络平台,使智能化的范围由单个设备扩充到整个家庭,在一定程度上解决了“信息孤岛”问题。但单个家庭网络系统仍然是一个大的“信息孤岛”。因为它还无法实现与外界的信息沟通,这就限制了它的具体应用,如小区化的集中管理和控制;对设备进行远程配置和维护等等。因此,家庭网络必须与外界全球化的信息平台即Internet连接,才能达到信息随时、随时随地地沟通和共享。由于家庭内部网络采用的是轻量级网络协议,要实现它与Internet等外部TCP/IP网络之间的互联,必须有一个用来完成协议转换的设备或功能部件,以作为这两种网络连接的桥梁,家庭网关的作用即在于此。家庭网关设备(Residential Gateway,RG)既是整个家庭网络与外部网络发生联系的桥梁,也是数字家庭各种业务和应用的关键。如图2：

3.2家庭网关的概念和作用

家庭网关是数字家庭的核心和家庭网络的控制中心。主要完成家庭内部网络不同通信协议之问的转换和信息共享,以及同外部通信网络之间的数据交换功能。家庭网关既是家庭网络的中心,负责家庭内部信息终端和智能设备的管理与控制,还是通信网络的接人节点。从图2我们可以看出,家庭网关是家庭外部TCP/PI网络和局部家庭网络之间的连接点。

所以,家庭网关应具备两个主要功能:

(1)作为外部接入网(如Internet接入)连接到家庭内部,同时将家庭内部网络连接到外部的一种物理接口,家庭网关应能同时处理多种类型的接入网技术,即完成不同网络间的协议转换和路由选择功能。需要注意的是,“协议转换”这一功能描述只是原理概念上的一个总体定位,实际设计和实现时决不是将一种协议对应转换成另一种协议那么简单。从信息流动和变换的观点来看,可以将家庭网关视为如图3所示模型:

在图3中,有两条双向的信息流通过家庭网关,家庭网关在其中起着信息格式变换的作用。由于Internet网络的信息处理能力远大于数字家庭网络,所以信息流的内容受限于数字家庭网络,即由数字家庭网络的功能决定。数字家庭网络产生或使用的信息可以分为“数据”和传输数据的“辅助信息”(如网络层、传输层加入的信息,目的地址等),而Internet网络这侧的TCP报文信息也可以分为“首部”和“数据”部分,但数字家庭网络中的两类信息都只能被包含在TCP报文的“数据”部分,而不能被包含在报文的“首部”部分。这是因为TCP报文的首部中无法包含不同协议的首部信息,而数字家庭网络大多都是基于现场总线的轻量级网络,它与TCP/IP网络是完全异构的,它们不仅没有相同的物理层和数据链路层,就连网络层、传输层也完全不同。

4总结

本文对数字家庭网络进行了简单的介绍,针对组网数字家庭网络的技术进行了阐述,对实现家庭网关的技术进行了重点分析了,本人将在以后的工作及学习中进一步研究数字家庭网络应用模型。