家庭网关的发展与系统结构

【中心议题】

• 介绍了家庭网关的概念
• 讨论了家庭网关的硬软件结构

【解决方案】

• 硬件上采用数个插件模块和一个内部数字接口
• 软件上采用三层体系结构

1引言

随着网络信息技术的发展，对于技术如何在家庭中被应用产生了重大的影响。首先是高速宽带Internet接入步入实用阶段，在宽带接入日益普及的今天，用户数字环线（Digital Subscriber Line，DSL）和电缆调制解调器（Cable Modem，CM）已成为家庭宽带接入的主要手段；其次，家用电器数目的不断增长为家庭网络的出现提供了契机，目前市场上已出现了多种成熟的家庭网络技术，拥有网络家庭的数目正在迅速增加，通过网络人们获得了各种丰富多样、个性化、方便舒适、安全高效的服务。实现家庭内部信息与外部信息的交换是家庭连网的目的，它的实现迫切需要在用户端有一种网络设备将它们连接起来，于是人们将在广域网中的路由器、网关平移到家庭网络中，诞生了家庭网关（Home Gateway，HG）的概念。在宽带接入和家庭网络技术的蓬勃发展下，它可无缝地将家庭网络中的节点同外部接入的宽带网络连接起来，允许这些节点共享高速宽带连接。

2家庭网关的发展动力

2.1发展动力1———宽带接入技术

目前常见宽带接入的技术有非对称数字环路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）、电缆（Cable）、综合业务数字网（Integrated Service Digital Network，ISDN）、卫星（Satellite）等。这些宽待接入技术的多样化和快速发展将促使家庭网关的发展。

2.2发展动力2———家庭网络技术

建立家庭网络会有多种选择，大体上可以分为四类：电话线网络、传统的以太网（Ethernet）、电力线网络和无线网络。关于电话线组网的标准是HomePNA（Home Phoneline Networking Alliance）。HomePNA使用家庭中现有的电话线来连接计算机和其它电子设备。

传统的以太网就是IEEE 802.3，在这种组网方式下，计算机和外围设备通过特殊的配线连接起来并且以10 Mbps或100 Mbps的速率传输数据。电力线网络利用家庭中现有的电力线组网。无线网络主要有三种类型：首先是IEEE 802.11，称为无线以太网，它的数据传输速率可达到11 Mbps；其次是HomeRF（Home Radio Frequency），它的数据传输速率也可以达到11 Mbps。再其次，蓝牙（Bluetooth）标准的数据速率可达到1 Mbps。这些技术都使用低频无线电波在计算机和其它电子设备之间传输数据。

2.3发展动力3———信息家电

信息家电（Information Electrical Appliance）是近年提出的概念，它最重要的特征是使用Internet连接来完成某一功能。信息家电是网络上的家电，本身具有一定的智能性，并支持某种统一的、标准的通信协议和控制协议，能够互相识别。以下列出了可能与家庭网关一起工作组成家庭信息平台（Home Information Platform，HIP）的不同类型的信息家电：MP3播放器；Internet调谐器；数字视频接收机/电视；Web个人数字助理（Personal Digital Assistant，PDA）；Web电话；网络游戏设备等。家庭网关能够自动的将从宽带通道中获得的流传送到与Internet相连的合适的信息家电。

3家庭网关的概念及模型

3.1家庭网关的概念

家庭网关是将家庭内网络连接到外部宽带连接的设备，它使得家庭中网络设备能够和Internet进行通信和数据交换。典型的家庭网关融合了路由器、集线器和调制解调器等设备的Internet接入和计算机互联的功能；更高级的家庭网关模型中还包括了与专用交换机（Private Branch eXchange，PBX）类似的功能，以便在家庭内展开高级的电信服务，还可以接收和路由音频、视频数据和网络游戏等功能。根据这个定义，家庭网关的应用很多：其中最重要和最多的应用就是家庭中的多个网络设备能够同时共享一个宽带网络连接；家庭网关的应用不仅仅是高速Internet的接入，未来将会带来更多的服务内容，譬如混合视频和音频信息流的可视电话、其它交互形式的娱乐服务、网络游戏等；家庭网关将执行智能化的路由算法，把这些信息流分配给电话、数字电视和音响等设备。

3.2家庭网关的硬件结构

家庭网关是介于外部接入网络和家庭内部网络之间的集中式智能接口。

不管今后外部网络技术和家庭网络技术如何发展，我们都可以对家庭网关各个功能模块加以抽象，提出它的硬件结构概念模型。家庭网关由数个插件模块（AGM、PNM和SM）和一个内部数字接口（IDI，Internal Digital Interface）组成。这些插件模块至少包含以下两类：

接入网关模块（AGM，Access Gateway Module）：连接和协商所关联的外部接入，给定每一个具体服务传送技术并用标准的物理和电气接口接入服务；前端网络模块（PNM，Premises Network Module）：连接家庭内部网络技术和服务，会具体到每一个家庭内部网络并用标准的物理和电气接口端接相互关联的服务；附加的服务模块（SM，Service Module）可以支持所提供的特殊服务，针对于家庭网关的扩展应用。这些插件模块的功能和内部互操作及整个家庭网关将被操作系统(OS,Operating System)和一个或多个中央控制单元所控制。家庭网关的OS（Operating System）操作系统模块应能够平滑的支持设备，服务和网络之间的互操作，以对用户屏蔽系统的复杂性，分布性。操作系统可以实现以下操作：管理和分配内部数字接口资源；将多个网关元素的操作统一到单一的一个系统；代理协议；集成对电器，服务，用户的控制；提供目录或命名服务；提供安全功能和不可删除的日志文件；对用户提供容易使用的界面等。

3.3家庭网关的软件结构

从软件角度来说，配合硬件系统结构数字家庭网关分为三层：

1）硬件驱动层：位于软件结构的最底层，通过嵌入式操作系统进行软件硬件的管理。如：驱动通信模块、串口、以太网等。

2）OS层：一般是一个小型操作系统，主要完成进程控制、文件系统管理、中断和中断处理、网络协议栈、各种系统调用等。

3）应用程序层：位于软件结构的最上层，通过嵌入式操作系统的调用实现任何需要的应用服务。如：串口通讯、基于以太网的家庭信息远程查询和远程控制等。

4结束语

家庭网关与其说是一种新生事物倒不如把它看成当前所有流行的软、硬件技术、网络技术在家庭这个特定环境下的应用竞争与融合，它是微电子技术、计算机技术、多媒体技术和网络技术发展的必然产物，是这些技术在家庭环境下融合的具体体现。因此，不同软、硬件技术、网络技术的组合，就形成了许多不同种类的家庭网关，但其实质都是将异质的家庭网络“粘连”起来使它们能够与外部网络互联，从而使网络深入家庭，为人们在信息时代提供更为便捷的生活方式。可以预见，未来的几年中，家庭网关的市场必定蕴含着巨大的商机。在家庭网关今后的发展中，必定会一直朝着融合“多个外部宽带接入方式和多种家庭网络技术”的方向发展，吸纳更多新的技术和标准。随着对产品TTM（Time To Market）的要求的提高，嵌入式Linux技术和Java技术也将会是开发这一类消费性网络产品的主流技术。毫无疑问，家庭网关一定会将人们在信息时代的网络生活推向一个新的境界。