信息家电网络技术

Networking Technologies for Information Appliance

深圳电子产品质量检测中心 杨郑继

      摘  要  未来的信息家电并不是孤立的，而是相互连接，在家庭里形成一个网络，并可通过网关接入Internet。本文对信息家电网络涉及的主要技术，包括架构、连接介质、互操作的解决、网关和Internet接入等方面进行了阐述。

      关键词 信息家电 架构 互操作 网关

      Abstract: The next generation information appliance is not isolated. In stead they are connected to form a network and connected to the Internet with a gateway. This article explains major technologies that concerned information appliance: the framework, the interconnecting media, how to interaction, the gateway and the access to the Internet.

      keywords: information appliance; framework; interaction; gateway

1 概述

      计算机技术发展至今，已经在科学、工业、国防、教育等众多领域发挥了巨大的作用；集成电路技术的飞速发展，也使各类CPU能嵌入到与人们日常生活密切相关的各种家用电器之中，从而赋予其更多的智能。同时，伴随着Internet技术的迅猛发展，这些家电能够与Internet连接起来，从而构成了新一代家电的控制蓝图，产生了一个新的产品家庭——信息家电(information appliance)。
      信息家电的主要特点是数字化、智能化和网络化。信息家电包括：机顶盒、WEB游戏机、WEB电视、掌上电脑、手持PC、可穿戴PC等所有能通过网络系统交互信息的消费类电子产品，其产品种类在未来将只为我们的想象力所束缚。另外，将数字网络技术植入电冰箱、洗衣机、微波炉等传统的家电也是未来信息家电技术重要的发展方向。例如，智能化的、联网的冰箱，可以根据冰箱内储藏物品的消耗情况，自动通过电子邮件向超市发出订单，然后超市就会把需要的物品送上门。
      信息家电技术将通信技术、计算机技术和消费电子技术集成在家用电器上，并在此基础上建立起家庭网络化环境。其实质就是：从现有的移动通信设备及传统个人电脑中剥离出一些常用的功能，再与数字技术和网络技术紧密结合，使之以一种更趋于简单精巧的分解形式渗入到诸多的实体中，从而将计算机与家电设备完美地融为一体。

2 家电网络的架构

      未来的家庭中，多件信息电器将组成一个家庭的内部网，并通过内部网的网关接人Internet。
      网关是家电网络与Internet间的接口。一方面，内部网中的家电可以通过网关访问Internet上的资源。例如，网络电视机每个星期六都自动访问用户喜欢的某个电视台的网站，自动下载下个星期的节目表，并通过内部网把数据传给打印机，把节目表打印出来；另一方面，用户可在Internet上通过浏览器对自己家里的家电进行远程控制。例如，用户刚刚得知马上有一场精彩的足球比赛，但自己正在上班，他就可以在办公室上网，通过浏览器向家里的录像机发出指令，要求它把某段时间内体育频道的节目录下来，这样，用户就可以回家后欣赏这场比赛。
      家庭内部网中的每件家电本质上都是内置了CPU的嵌入式设备。这些嵌入式设备的应用程序中都包含了一个独立的通信任务：监测该设备中预先定义的各个变量，并将结果反馈到网关；同时，还可以解释网关的命令，修改设备中的变量或进行某种控制。该通信任务的代码不多，不会影响处理器的正常工作。这样，仅通过增加一个网关，就解决了嵌人式设备接人Internet的问题。

3 家电网络中设备的连接

      家电网络中连接设备的技术有多种，总的来说，分有线和无线两种方式。

3.1 有线
      (1)电话线
      一般家庭的墙壁上至少有一个电话线插座，如果有多个时就可以在每个插座上插人一件信息家电，组成一个家庭内部网。其标准为：家庭电话线连网电器(Home Phoneline Network Appliance, HPNA)标准。该标准1.O版本支持的速率为1Mb/s, 2.O版本支持的速率为10Mb/s，同时88Mb/s和100Mb/s的方案也正在研制之中。该技术不需要增加新的电缆，成本很低，尤其适合于连接固定的家电设备，缺点是带宽较低，不适宜传输高速数据；同时，许多老住宅不可能每个房间都安装电话插座，所以仍面临着重新布线的问题。
      (2)电源线
      家庭内的电源系统把各种电器联结起来，因此可以使用电源线作传输介质在多件家电间传输数据。因为不用改动家庭布线，利用现有的插座就可以使家电方便地连入网络，所以成本较低，非常方便。但缺点是各种干扰较大，速度难以提高和难以满足多媒体数据的传输，而且目前也没有统一的标准。
      (3)以太网
      以HUB为中心通过无屏蔽双绞线来组建家庭以太网是一个很有吸引力的方案。其优势在于，以太网技术已十分成熟，组网设备也很容易买到，而且千兆以太网的出现也完全可以保证高速数据的传输。但由于以太网无法保证以同步运行方式传输数据，所以不利于多媒体数据的传输，而且成本较高。
      (4)IEEE1394总线
      IEEE1394标准是一种高速数据串行总线标准，也是目前获得广泛支持的家电娱乐电器联网方案。它支持设备热插拔，可为IEEE外设提供电源，支持同步数据传输，可支持63个设备，而且通过网桥还可以构成更大的网络。它采用同轴电缆或光纤作为传输介质，IEEE1394a的数据传输率为100、200、400、800Mb/s，适用于消费类电子设备；IEEE1394b采用了新的编码方案和通信协议，将原先最大4.5m的传输距离延长到100 m，支持1.6Gb/s和3.2Gb/s的高速传输，是一个很有优势和前景的技术。

3.2 无线
      无线更适用于移动设备。当前有三个有潜力的技术：IEEE802.11协议、共享无线接人协议(SWAP)和蓝牙技术。这三个技术都工作在2.4 G的ISM(工业、科学和医疗)频段，但需解决在同一频段内使多个无线技术共存的问题。
      (1)IEEE802.11协议
      该协议是一个针对无线LAN的标准，其无线覆盖的范围是50-100m，支持的速率是1Mb/s，而升级版本IEEE802.11b支持的速率可达11Mb/s。但技术比较复杂，成本较高，且不支持音频、视频等同步数据传输，所以不是非常适合家庭环境。
      (2)共享无线接入协议(SWAP)
      SWAP (Share Wireless Access Protocol)由家庭射频工作组(HomeRF Working Group)制定，得到了HP、Intel 等公司的支持。它针对家庭无线局域网进行设计，采用简化的IEEE802.11b作标准，可提供4个高质量的语音信道，并对语音和数据进行了优化，覆盖范围大约50m，支持的速率可2Mb/s，可支持127个点。但蓝牙技术的出现对SWAP提出了很大的挑战。
      (3)蓝牙(BlueTooth)
      蓝牙技术是一个非常有竞争力的短路无线数据传输标准。一个蓝牙设备可以同时与七个设备之间建立连接，通过设备之间的相互连接，可以提供几百个设备之间的组网，有效的通信距离为10-100m，数据传输速率可达1Mb/s。蓝牙技术具有安全性、低复杂性、低能耗、低成本、体积小、开放性等优点，适合于不同的场合，得到了大量厂商的支持，具有很大的发展前景。
      有线方式数据传输的速率高，可靠性强，但灵活性差，布线复杂；无线方式便于移动设备的连网，非常灵活，但速率相对较低，抗干扰性和安全性也是需要解决的问题。
      有线和无线技术既相互竞争又相互补充，有各自的优势，而未来将是多种技术的混合和共存。其中，IEEE1394标准与蓝牙技术的发展尤其值得关注。

4 家电网络中设备的互操作

      家电网络中的每个设备具备不同的功能，使用不同的规范，来自不同的厂商。它们如何知道在该网络上有哪些其他设备的存在，如何与其他设备通信，如何调用其他设备所提供的服务，这些都涉及到一个互操作的问题。上面提到的例子中，网络电视机如何知道打印机的存在，又如何请求打印机执行打印节目表的任务，都是互操作需要解决的。常见的互操作技术有以下6种：
      (1) Jini技术
      Jini是SUN公司推出的基于Java且具备即插即用功能的分布式计算环境，利用Java的远程方法调用(RMI)来使用其他设备提供的服务。Jini技术的目标就是让网络上的成员能够方便地共享彼此的资源。为了让使用者知道网络上有哪些服务可被使用，必须首先建立一个联盟(federation)，让网络上可用的服务主动加人。当某个服务加入联盟时，它就向整个网络宣布：我可以被使用，有谁需要我的服务。这样，使用者通过联盟可以得知有哪些服务可以使用，并通过RMI和下载所需服务的方法与相应的设备进行通信。该技术可以创造出一个富有弹性、容易管理、且可随时随地使用各种服务的家庭网络环境，是非常有前途的互操作解决技术。
      (2) 通用即插即用技术(UPnP)
      UPnP (Universal Plug & Play)由微软公司开发，基于IP网络，为家庭中可能出现的动态环境提供了如何发现服务和如何实现服务的应用程序编程接口(API)。它通过简单服务发现协议和轻量级目录帮助协议来实现网上设备和服务的自动查录，并用XML描述设备的操作界面且产生控制信息。
      UPnP并未定义应用程序编程模型，而是由第三方针对不同操作系统或设备制定具体的编程模型，以在网上宣告设备提供的服务，查录其他服务和使用UPnP设备。与Jini技术一样，该技术的成功将取决于业界众多厂商的联合以及制定一个公共可扩展的API。
      (3)家庭API技术(Home API)
      由微软、Intel、飞利浦等公司发起的Home API工作组为加速家庭网络应用软件的开发，正在研发一套适宜于家庭网络的通用API的工业规范以及相应的SDK。
      API与其他方案不同之处就是它定义了独立于协议的API和通用的编程模型，可以在很大程度上补充其他的方案。
      (4)Jetsend技术
      Jetsend是HP公司的技术，它集中了互操作协议栈的会话层、格式层和内容层，其重点是提供了数据的表示与协商机制。Jetsend不制定任何特定的传输机制，所以能够使用任何可靠的传输。
      (5)家庭音频/视频互操作技术(HAVI)
      HAVI (Home Audio Video Interoperability)技术得到了索尼、飞利浦和其他消费电子产品公司的支持。它以IEEE1394为基础，使来自不同厂商的数字音频、视频设备能够相互连接和操作，以构成家庭娱乐性的AV(音频和视频)网络。它支持高速数据传输，允许设备预定带宽和其他资源，特别适合实时AV数据流的不间断传输。同时，它还具备即插即用功能，提供直观的用户界面和将来的可扩展性，很有技术优势和发展前景。
      (6)开放系统网关开创技术(OSGi)
      OSGi(Open System Gateway lnitiative)由IBM、爱立信、朗讯等公司联合组成的协会共同开发的。OSGi也以Java为基础，是一种尝试在Internet上实现非IP协议之间的通信机制。
      同样，以上各种互操作解决方案也是相互竞争和补充的，其中，Jini和HAVi技术以其独特的技术优势得到业界广泛的关注。

5 家电网络的核心——网关

      信息家电网络中网关要完成媒体转换、速率匹配、防火墙、加密证实、IP地址获得、地址解析等功能，同时还要执行多协议的转换、系统管理、多个网络的连接等功能，是家庭网络的核心。
      网关上运行的网络协议比较多，除了最基础的TCP/IP协议外，网关上还运行着三个主要的协议：网络地址翻译协议、动态主机配置协议和超文本传输协议。
      (1)网络地址翻译协议(NAT)
      信息家电要连入Internet必须要有一个全球唯一的合法的IP地址，但现在的IPV4可用的IP地址资源已日益枯竭。虽然下一代Internet的IP地址将有128位，可用的IP地址资源将大大地满足需要，但事实上，为每个家庭的每件家电部分配一个唯一的IP地址会显得有些浪费，也不利于管理，而且用户出于安全的考虑可能也不希望每件家电部有一个外界可访问的IP地址。这样，就引入了可以共享IP地址的协议——网络地址翻译NAT(Network Address Translation)协议。
      NAT协议运行在网关上，网络里的每个家电节点通过运行NAT协议的网关可以透明地访问Internet。网关将节点的内部地址翻译成全球唯一的IP地址并送出请求。当应答返回到网关时，又被翻译回节点的内部地址并送给该节点。NAT有两个版本：基本NAT和NAPT(网络地址和端口翻译)。基本NAT仅仅翻译输出包的IP地址，而NAPT不仅翻译数据包的IP地址，也翻译它的TCP/UDP端口号。在基本NAT中，当一个节点发出一个Internet连接时，节点内部地址被网关映射成一个全球唯一的IP地址。这个IP地址将被固定以确保这个IP地址只能被这个节点建立的这个连接所用，只有断开连接时才放弃这个IP地址。基本NAT常常有一个IP地址池，可以同时允许多个连接，但存在连接的数目也将受限于IP池的大小。NAPT既翻译输出包的IP地址，也翻译它的TCP/UDP端口，因此，只要不同的连接使用不同的端口号，就可以使整个家庭网只需要一个IP地址，这就节省了IP地址。但由于修改IP地址的同时还要修改端口号，所以增加了技术的复杂性。
      家电网络里每个节点使用的IP地址是私有的，只能在内部使用，不能为外部的网络所访问，所以NAT服务器起到了类似防火墙的作用，从而提高了家电网络的安全性。