家庭网络的关键技术、业务及标准化

彭海清，冯涛，童登金
（中兴通信股份有限公司深圳 518057）
摘要：本文对家庭网络的发展及其关键技术进行了探讨，从电信业务在家庭中如何开展的角度探讨了未来家庭网络的发展趋势，对相关标准组织在家庭网络方面的工作内容和工作方向进行了总结，论述了家庭网络与NGN的关系。
关键词：家庭网络；家庭网关；数字家庭；下一代网络业务
1 引言
随着信息技术的迅猛发展，人类社会已经从工业社会进入信息社会，信息社会对人们的生活产生了巨大的影响，它改变着我们的行为、思维方式，80年代初美国学者托夫勒在其著作《第三次浪潮》中就预言信息社会中人们的生活中心将从工业社会的以社会为核心回归以家庭为核心，家庭将重新成为社会的中心，在信息社会中具有重要的地位。
家庭在信息社会中的角色决定了家庭网络将成为电信网络的重要部分，目前家庭的宽带接入可以看做未来家庭网络的最初雏形，随着宽带业务的发展，越来越多的家庭用户将开始构筑家庭网络，根据相关市场研究机构的报告，家庭网络市场在几年内将达到近200亿美元的规模。
家庭网络的概念提出已经有十几年的时间了，用于家庭组网的技术很多也比较成熟，但由于市场和用户需求的原因，一直没有得到太多的应用，随着宽带业务以及NGN的发展，家庭网络逐渐成为一个比较引人注目的领域，其研究内容也和以前有所不同。现有的宽带业务将如何深入发展？如何在家庭侧实现NGN提出的网络融合？如何将丰富多彩的电信业务引入家庭？家庭网络中应该有哪些设备？它们之间如何共享、交互各种信息？这些都是家庭网络研究的内容[1]。
2 家庭网络的关键技术
家庭网络有以下几个关键技术：
（1）家庭网络架构
目前的家庭没有真正意义上的网络，各个网络都是独立引入用户家庭的，如电话网络、Internet接入、移动网络等，它们之间没有交互，家庭网络的目的就是将它们统一起来，实现不同网络、不同设备甚至电信、家电以及移动终端之间的信息互通。
目前业界提出了未来的一种家庭网络组织形式，其主要思想有以下几方面：首先采用统一的接入手段将网络引入家庭，可以是家庭网关或其他设备形式，实现目录服务功能和安全功能；其次IP域和家电、移动终端以及其他设备域之间采用网关的形式实现信息互通和协议转换功能；不同域设备之间能够通过网关实现信息共享和交互，真正实现家庭中信息随处可得；在家庭信息服务方面需要一种媒体适配器和服务器，用于不同设备之间媒体格式的转换和家庭中媒体信息的存储、下载，未来家庭网络架构如图1所示[2]。
在图1框架中，整个家庭网络通过家庭网关安全地接入外部网络，网络按性质划分为IP域、信息家电域等，IP域是核心，其他域通过网关实现无缝互通。家庭网络中提供目录服务功能，使用户能够浏览、定位并操作家庭网络中各种设备，另外对于不同类型的设备有统一的命令协议实现控制。
未来在架构方面还要解决一些问题，如家庭网络与数字电视等广播系统是什么关系？有哪些互相影响？如何将不同类型的设备跨域连接？网络架构与业务平台之间是什么关系？
（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，有线方面有以太网、ADSL、HomePNA、IEEE1394、USB、电力线等，无线方面有802.11、UWB、蓝牙等。
图2是家庭网络的一个实例，其中可以采用的组网技术有WLAN、以太网、ADSL、IEEE1394等，根据家庭中区域功能的不同可以选择。
上述传输技术有些已经比较成熟，有些还正处在发展阶段，家庭网络中上述技术可以混合使用，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。
除了物理传输技术，还必须解决其上的协议问题，目前家庭网络中主要分为IP域和非IP域，IP域将来采用IPv6协议，实现家庭网关、边界网关以及IP设备之间的通信，非IP域主要指家电、消费电子类以及移动终端类产品，它们需要特有的协议实现互通。在协议上还要实现应用层面的协议，如控制各个设备的协议、目录服务、浏览服务等，这些都是组网需要解决的方面[3]。
（3）家庭网络安全技术
家庭网络的安全问题是很重要的一个方面，家庭网络中安全涉及三个层面，首先是家庭中数字媒体内容的安全机制，可以采用主动的加密安全机制，也可以采用被动的数字水印安全技术，目的是实现家庭媒体内容的安全保护和版权机制；其次是家庭中网络设备、终端设备本身的安全机制，主要涉及到家庭中设备的认证方面，能够接纳经过授权的移动设备到家庭网络中，拒绝未经授权的设备接入；安全的第三个层面是实现整个家庭网络的安全机制，家庭网络采用统一的家庭网关设备接入外部网络，需要在家庭网关上实现防火墙一类的安全机制，保证家庭网络与外部网络的信息隔离，保护家庭的隐私性。
（4）家庭网络的服务质量技术
家庭网络中需要传输多种多样的媒体内容，有网上浏览、语音、动态视频、静态图片、文字、控制消息等，这些业务对于网络的服务质量有截然不同的要求，同时家庭网络中采用的组网技术也是多种多样的，有无线、有线等，因此如何在这样的环境中保证每类业务的服务质量是一个重要的课题。服务质量的实现首先需要在家庭网关上实现外部网络和家庭网络之间的带宽映射分配机制，将外部网络中业务流按照家庭网络情况进行重新映射分配，需要在家庭网关上实现带宽的动态预留和分配功能，家庭网关需要同时实现外部网络和家庭网络的服务质量机制，保证端到端的QoS；另外需要对家庭中各个终端的QoS能力进行定义，制定终端设备和家庭网关之间的QoS信令机制[4]。
图3中家庭网关将外部的光纤和同轴线路上的流量根据家庭中应用的不同映射为不同的数据流，为每种流预留一定的带宽，保证家庭中各种应用的服务质量。
（5）家庭网络中内容发现、共享技术
家庭网络中设备涵盖多个领域，有计算机类设备，有消费电子类设备，有固定终端设备，也有移动终端设备，这些设备之间的信息共享是一个很大的问题，采用什么信息格式和传输技术能够实现家庭中信息的随处可得是值得研究的课题，首先要统一信息格式，包括视频、图像、声音等；另外需要定义一套协议实现设备之间的业务发现、协商和即插即用，关于这些方面，相关标准组织已经推出了一些规范，如设备控制协议、UPnP等。
3 家庭网络业务
目前家庭中开展的电信业务主要是电话、拨号上网以及宽带接入等几种，形式比较单一，实际上家庭网络业务非常丰富，下面是一些家庭中可以开展的业务：
家庭工作 (SOHO, 虚拟专网) 通信服务 (电话、传真、会议电视、交谈、社团) 内容传递 (网络浏览、电视、音乐、电影、软件下载) 电子商务 (购物、银行) 家用电器控制 (空调、沐浴) 娱乐 (电视、录像机、音视频、游戏) 教育 (远程教学) 医疗 (传呼医生、照顾老人和残疾人) 安全 (监视器、传感器、门禁、告警) 电子测量 (水、电、气) 远程控制 (通过家庭外的移动终端控制) 远程监视 (在外面应答家庭访问者)
家庭网络需要研究如何将上述业务引入家庭，如何开展这些业务，业务开展中各个环节是如何组织的，价值链上的运营模式是怎么样的。目前宽带接入用户在迅速增加，但其上可开展的业务却非常有限，固网运营商收入增长缓慢，没有合适的业务收入来源，家庭网络中的上述业务开展起来后将是非常巨大的市场。
WWW对于Internet是一个划时代的里程碑，是大家所谓的杀手业务，它极大大促进了Internet的普及，但家庭网络中业务的开展不是这种情况，不会出现一种杀手业务将各个方面带动起来，而是一种个性化的服务方式，用户根据自己的情况和兴趣选择一种或几种业务，可以随意增加、减少业务种类，这就要求业务框架具有灵活性和可扩展性。目前的关键是找到一种合适的业务模式，不是Internet式的粗放模式，而是可运营、可管理的一种模式，这种模式涉及运营商、制造商、内容提供商以及业务提供商等价值链上的各个环节。
为了各种业务在家庭中的开展，实现各种业务的管理、配置功能，业界提出了一种业务网关的概念，如图4所示，业务网关用于实现业务协同和各个业务之间资源的仲裁，它向各个业务提供统一的接口功能，具有开放性和安全性，能够实现各种不同业务之间的交互、协同，业务网关可以和家庭网关是一个实体，也可以分开实现[5]。
4标准发展状况
家庭网络目前尚没有统一的国际标准。谁掌握了家庭网络标准，谁就将在家庭网络产业链中占据主导地位，所以目前家庭网络标准领域相当活跃，竞争也很激烈。目前从事数字家庭网络方面的标准化组织和企业联盟非常多，关于家庭网络的标准、接口也比较多，目前还无法断定哪一种技术或哪几种技术会成为最终的标准，根据侧重点的不同主要分为以下几个方面：
（1）侧重电信技术的标准化组织
这类组织以国际电信联盟（ITU-T）和欧洲电信标准协会（ETSI）为代表，将家庭网络看作是NGN的一部分，是NGN概念在家庭侧的一种具体实现，主要研究如何将NGN业务引入到家庭。他们的研究方向具体包括家庭网络的架构、家庭网络的接入和传送技术、家庭网络的业务、家庭网络的安全、家庭网络的服务质量等方面。ITU-T目前尚未成立专门的研究组对家庭网络标准进行制定，但是ITU-T的几个研究组已经在各自研究方向上制定了家庭网络标准的一些建议书。ETSI则专门成立了NGN@Home工作组，目前正在制定相关的家庭网络系列标准。
（2）侧重家庭网络设备互通的标准组织
这类组织以国际上的数字生活网络联盟（DLNA）、国内的闪联（IGRS）为代表。这类组织的标准制定方向为娱乐设备、家用电器和信息设备之间的互通，确保电子设备之间的兼容性。支持多种设备之间的设备自动发现、动态组网、资源共享和协同服务，从而提高这些设备间的互操作性和易用性，并创造出新的应用模式和丰富的应用。
目前DLNA和闪联都已经发布了各自的标准（DLNA V1.0和IGRS V1.0），现版本主要集中在视听娱乐功能上，对于通信、家庭控制等其他应用模式尚未制定具体标准。市场上已经出现体现家庭网络概念的媒体服务器等产品，但是完全符合标准要求的产品还未面世。标准体系也正在进一步完善和增强，相关的产品认证测试工作正在开展。
（3）以家庭网络传输技术为研究对象的标准组织
这类组织研究如何进行家庭网络设备之间以及家庭内外部网络之间的通信问题，如家庭电力线联盟（HomePlug）、家庭电话线网络联盟（HomePNA）、无线局域网802.11(Wi-Fi)、蓝牙(bluetooth)、IEEE 1394 TA、IEEE的家庭以太网研究小组等标准组织。由于不同家庭现有网络状况和需求各不相同，并且随着家庭网络的发展也会对传输技术提出新的要求，不可能靠某一种技术来满足所有需求，所以不同传输技术将在家庭网络内互相协作、共同发展。
（4）家庭自动控制方面的标准组织
这类组织研究如何解决家中各种照明、安防、电器、基础设施之间的联网以及相互间的自动控制。如日本的echonet协会，旨在制定通过电力线和无线通信等通信技术来连接各种家电设备的标准，透过一套完备的家庭自动控制系统，提高生活品质，增加生活的方便性。消费电子总线（CEBus）是美国电气工业协会（EIA）的消费电子小组制定的家用消费产品的网络通信标准，它描述了家庭电子产品之间的一种通信和控制方法。
（5）家庭网络中间件的标准化组织
家庭网络中间件的功能是屏蔽硬件设备、操作系统平台与通信技术的不同，使各种家庭网络信息设备更容易接入网络，操作简单、智能，同时支持各种信息设备之间交互控制信息和内容，使得各种应用程序可以在具有通用接口的中间件平台上运行，使设备的功能具有良好的可扩展性。这类组织主要有开放服务网关联盟（OSGi）、通用即插即用论坛(UPnPforum)等。
联盟（OSGi）联盟主要从事网关接口标准的制定，制定开放的业务传送和管理平台。OSGi规范为业务提供商、软件开发商、设备供应商、网关运营商提供了开发、实施和管理业务的一个开放的平台。OSGi规范使得服务供应商能够在与本地网络和设备相连的住宅网关中动态装载和升级服务，允许多个网络和设备共享一个网关，同时OGSi降低了为家庭提供宽带和其他增值服务的开发以及生命周期成本。
通用即插即用(UPnP)是实现计算设备间的相互发现和控制的一个规范，UPnP从设备的寻址、查找、控制、事件、表现五个方面定义了设备间互操作机制。UPnP针对IP网络中的设备自动寻址问题采用了自动IP地址分配机制，针对设备间的相互发现问题采用了SSDP（简单服务发现协议），UPnP的主要设计目标集中在如何实现对智能设备的简单控制上。通过UPnP技术，设备可以动态地加入网络，获取IP地址，可以向网络中其它设备表达自己所具有的能力，同时也可以了解网络中存在的其它设备以及那些设备拥有的能力，并且可以接受其它设备的控制，或者去控制其它设备。
5展望
家庭网络技术的发展和应用将对人们的生活方式和整个社会的发展产生巨大的影响。工业化的发展一度使人们的活动远离家庭，家庭网络的发展则使人们重新回归家庭。数字家庭将给人们的生活带来极大的便利，人们将以家庭为中心进行电子交易、远程教育、数字化娱乐、远程保健、家庭监控、家庭办公等各种活动。此外，家庭网络的发展将带动房地产、智能家电、电子商务、家庭网络服务等一大批产业的发展，开拓一个新的大市场。
同时，我们要注意到，家庭网络的应用将分阶段实现。在我国应根据不同发展阶段，对用户群体进行细分，从不同层次用户的实际需求出发，以人为本，提供个性化、人性化的解决方案。
家庭网络是一个庞大的社会系统工程，需要运营商、接入商、增值服务商、设备商和应用软件提供商、智能小区开发商、智能家居厂家、信息家电厂家等一系列商家的合作与配合。只有加强产业链各方的合作，才能共同打造出一个前景广阔的家庭网络市场。