家庭网络通信协议技术研究

【中心议题】

• 分析了网络协议的组成
• 设计了家庭网络的体系结构
• 提出了电器本地和远程控制的实现方案

【解决方案】

• IP地址不仅分配给传统的互联网接入设备、通信设备,还分配给各种家电设备
• 利用嵌入式技术实现家庭网关
• 实现家电控制网络的三个应用协议:家电信息登记协议、家电控制协议以及小文件传输协议

家庭网络涵盖了多个方面的技术,包括了通信技术,电子技术以及建筑方面的相关技术等。仅就通信技术而言,家庭网络也包括了多个方面,从物理层到应用层,家庭网络都有和其他技术不同的要求。

现代生活,要为居民提供高度的安全性、舒适的生活环境、便利的通讯方式以及综合的信息服务。所以,在家庭网络建设中,家庭网络需要支持小区内安全系统等统一控制系统,也要为居民提供方便的通信接口、易用的电器智能控制机制、简单明了的人机交互界面等等.未来的家庭生活中,不仅家用电脑可以上网,家用电器随着数字化、网络化,也可以接入到网络中.

1网络协议组成

网络协议是网络上所有设备(网络服务器、计算机及交换机、路由器、防火墙等)之间通信规则的集合,它定义了通信时信息必须采用的格式和这些格式的意义。在网络的各层中存在着许多协议,接收方和发送方同层的协议必须一致,否则一方将无法识别另一方发出的信息。网络协议使网络上各种设备能够相互交换信息。常见的协议有NetBEUI协议;IPX/SPX协议;TCP/IP协议;AppleTalk协议;DLC协议;IrDA协议等。

根据组网的不同需要,可以选择相应的网络协议,如果要建立一个小型的工作组或者局域网,并且不打算访问其他网络中的资源,可以使用NetBEUI协议。如果要求微软网络的计算机可以访问Novell NetWare的资源,可以选用IPX兼容协议,如果要将计算机连接到IBM大型机或将计算机作为惠普打印机的打印服务器,可以选用DLC协议。如果要求连接到苹果机或者要使Windows 2000 Server服务器为苹果机提供文件和打印服务,可以选用AppleTalk协议。如果要组建一个大型的网络,或者要将计算机连接到Internet中,就必须使用TCP/IP协议。

2家庭网络设计

CEBus(Consumer Electronic Bus)是ANSI/EIA美国电子工业协会发布的关于主要用于控制的网络标准,1995年开始向国际化标准过渡.它定义了家庭网络的许多方面,网络拓朴结构灵活,电器设备在路由器和桥接器的连接下,可以连接到网络的任何地方.家庭网络主要分成家电控制网络、家庭A/V网络和家庭数据通讯网络.各网络使用不同的通信技术.A/V系统有完整的传输协议;数据通信网络,使用计算机系统的标准,支持TCP/IP网络协议;家用电器处理的都是控制信息,可以组成家电控制网络.介于以上的分析,在上面三个部分的基础上建立一个将三个网络连接到一起的网关.网关是整个家庭网络的通信中心,连接三个网络;另外,网关还要起到把家庭同外部网络(如社区网络,Internet等)连接起来的作用。

2.1家庭网络编址技术

家庭网络对于地址空间有很大的需求,未来家庭网络中IP地址不仅会分配给传统的互联网接入设备、通信设备,还会分配给各种家电设备。因此,对于IPv4和IPv6的选择是编址技术的研究重点。

家庭网络设备IP地址选择,既与现有网络的现状相关,还要考虑到将来家庭业务模式的需求。IPv6从技术上来说,具有几乎无限的地址空间、具有的QOS机制、天然地内嵌了安全机制和移动IP的支持,是理想的家庭设备地址方案。但家庭内部IPv6的使用依赖于整个IP网络的演进和建设的步伐,决定于IPv6网络的建设能否满足目前家庭业务的需求。

除了IP域的编址问题,非IP域的编址问题也是家庭网络领域不可或缺的问题,现实中不可能大大小小各种联网的设备都具备着TCP/IP协议栈,可以无缝地联入IP网络,对于没有IP地址的设备,比如各种简单电气设备,监控设备等如何寻址也是需要解决的问题,虽然目前各种低速总线技术一般会规定自己的地址编码空间,但如何在这些技术中选择,是否需要统一这个编址空间或如何定义这些地址到代理设备中的IP地址的映射,都还有待深入。

2.2网关的设计

在WindowsNT中,如果未安装有TCP/IP通信协议,可选择“开始/设置/控制面板/网络”,将出现“网络”对话框,选择对话框中的“协议/添加”,选取其中的TCP/IP协议.然后单击“确定”按钮。系统会询问你是否要进行“DHCP服务器”的设置?如果你的IP地址是固定的(一般是这样),可选择“否”。随后,系统开始从安装盘中复制所需的文件。在“网络”对话框中选择已安装的TCP/IP协议,打开其“属性”,将出现的对话框。在指定的位置输入已分配好的“IP地址”和“子网掩码”。如果该用户还要访问其它WidnowsNT网络的资源。

还可以在“默认网关”处输入网站的地址。

家庭网关应具备的两个主要功能是:

(1)作为所有外部接入网连接到家庭内部,同时将家庭内部网络连接到外部的一种物理接口;

(2)使住宅用户可以获得各种家庭服务(包括现有的服务和未来可能出现的服务)的平台。

家庭网关类似于一个计算机系统,所有的电器设备都连接在上面,受到它的集中式控制.网关要起到四个作用:Internet接入功能;家庭网络中各种不同通信协议之间的协议转换,以及家庭网络系统与TCP/IP协议之间的转换.运行家电管理软件,以将使用不同通信协议的家电都接入到家庭网络中,并统一管理;运行支持TCP/IP协议和家庭网络协议的控制代理程序。

家庭网关通过不同的网络接口连接家电控制网络、数据通信网络和家庭A/V网络.连接家电控制网络的网络接口可以是红外或其他低速网络接口,连接数据通信网络的可以是802.11a/b/g或其他高速网络接口.尽量使用无线技术,同时注意无线技术的安全问题.利用嵌入式技术实现家庭网关,使用嵌入式芯片等硬件和嵌入式操作系统。

2.3家电控制网络的设计

家电控制网络主要由几个应用系统组成,要实现它们,需要实现家电控制网络的三个应用协议:家电信息登记协议、家电控制协议以及小文件传输协议.家电登记协议是C/S结构的协议,家电设备要主动与家庭网关联系,从家庭网关获得一个地址,登记自己的基本信息,把自己加入到家庭网络中;家电控制协议用来定义家电控制系统,它提供了一个控制指令转发中心,家庭内部的控制程序通过TCP/IP协议将控制指令发送到家庭网关的制定端口,运行在该端口上的控制代理程序再将数据处理后,转发到家庭内部网络的家电所在的网络中.控制代理既可以支持家庭本地控制,又可以通过TCP/IP协议支持远程控制和移动控制,使得即使在外地也可以了解和控制家庭环境.小文件传输协议用来实现家电中的数据库文件传输系统.家电控制网络的协议模型设计参考了OSI开放系统互连模型,划分为四层:应用层、传输层、数据链路层和物理层,各层之间采用服务原语为接口.在以上定义的三个协议中,家电信息登记协议报文最长不超过1024字节;通过协议逻辑通信过程可知,整个传输过程简单,可以很快完成;家电控制协议的传输过程是一个简单的传输和应答的过程,只需两次交互.小文件传输协议是一些功能比较复杂的设备需要的传输处理中所应用的。