信息家电网络技术

    摘要：本来的信息家电并不是狐立的，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接入等方面进行了综述。

    关键词：信息家电 架构 互操作 网关

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，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，还有掌上电脑、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、洗也机、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，自动通过电子邮件超市发出订单，然后超市就会把需要的物品送上门来。

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，多件信息电将组成一个家庭的内部网，并通过内部网的网关接入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上的任何一点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，就解决了嵌入式设备接入Internet的问题。

图1就是一个信息家电网络接入Internet的示电图。需要注意的是，虽然图1中网关与信息家电网络画的分开了，事实上，网关是信息家电网络中最核心的一部分。

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入一件信息家电，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1.0版本支持的速率为1Mb/s，2.0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。该技术不需要任务新的电缆，成本很低，尤其适合于连接固定的家电设备。但缺点是带宽较低，不适宜传输速数据；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系了起来，所以可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，所以速度难以提高，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了慢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，这些都是需要解决的问题。

（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，1394a规范的数据传输速率为100、200、400、800Mb/s，适用于消费电子设备；1394b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100m，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、共享无线接入协议（SWAP）和蓝牙技术。这三个技术都工作在2.4G的ISM（工业、科学和医疗）频段，所以，对无线技术的一个挑战，就是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。该技术中，无线覆盖的范围是50～100m，支持的速率是1Mb/s，而升级版本802.11b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，支持的速率可达2Mb/s，可支持127个节点。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。蓝牙技术的健壮性、安全性、低复杂性、低能耗、低成本、体积小、开放性等优点，合适于不同的场合，得到了大量厂商的支持，所以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，既是相互竞争的了慢相互补充的，既有各自的优点也有各自的缺点，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它设备的存在，如何与其它设备通信，如何调用其它设备所提供的服务，都涉及到一个互操作（interoperability）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6种。

（1）Jini技术

Jini是SUN公司推出的基于Java的，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）来使用其它设备提供的服务。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入。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，查录其它服务和使用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Howe 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。Home API与其它方案的同之处，就是它定义了独立于协议的API和通用的编程模型，所以可以在很大程度上补充其它的方案。

（4）Jetsend技术

Jetsend是HP公司的技术，它集中于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，所以它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它资源，所以特别适合实时AY数据流的不间断传输。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，所以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 initiative)支柱由IBM、爱立信、朗讯等公司联合组成的协会开发。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技术和HAVi支持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，所以是家庭网络的核心。

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）网终地址翻译协议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地址资源将大地满足需要，但事实上，为每个家庭的每件家电都分配一个唯一的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都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，当一个节点发起一个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地址将被绑定以确保这个IP地址只能被这个节点建立的这个连接所用。只有连接断开时，才放弃这个IP地址。基本NAT常常有一个IP地址池，这样可以同时允许多个连接，但同时存在的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。

（2）动态主机配置协议DHCP

对家电网络而言，易于配置很重要的。HDCP（Dynamic Host Configuration Protocol）可以让每一个节点在加电时自动配置自己的网络参数。DHCP实行客户机/服务器结构，节点上运行DHCP客户机协议，网关上运行DHCP服务器协议。节点加电后，尚未配置的节点首先会在家电网络上广播一个消息，询问哪个服务器提供网络配置信息。运行DHCP服务器的网关收到这个消息后也会发出一个消息来应答，其中包括了一整套的配置参数。最简单时候，只是一个IP地址，但也可以包括子网掩码、路由器的IP地址、DNS服务器的IP地址以及其它网络参数。节点收到网关的应答消息后，会检查它所提供的参数。如果觉得可以接受，就给网络发送一个消息，表明它将接受这些参数，最后，网关会发出一个确认消息来确认客户端发的消息。这样，节点就完成了网络参数的动态配置，就可以进行正常的网络通信了。

（3）超文本传输协议HTTP

WEB服务器是指存储和发送信息给浏览器的计算机系统，HTTP（HyperText Transfer Protocol）是浏览器和WEB服务器之间请求和发送信息时使用的协议。在网关上运行HTTP协议就是让网关充当WEB服务器的功能。这样，用户在办公室里上网时，就可以通过浏览器来访问运行WEB服务器的网关，通过网关传来的网页来了解家庭网中各个家电的工作情况，并通过点击网页上的某个链接，让网关执行一段程序，这样就可通过网关来控制家是。出于安全考虑，从Internet上访问网关时，会要求访问者输入正确的用户名和密码。

6 家庭网络接入Internet的方式

今天，Internet的接入方式早已不局限于早期的Modem拨号，速度已大大提高，但各种技术互补共存的局面将长期存在。

通过Modem拨号上网是当前家庭用户访问Internet最普遍的方式。

ISDN与Modem一样，也是在公共交换电话网（PSTN）安装的铜线电缆上传输数据，能够提供128Kb/s的速率。尽管相对Modem要高一些，但对需要高带宽的多媒体数据仍显得不足。

ADSL（非对称数字用户环路）也使用PSTN提供的铜线电缆，但其下行速率可达6Mb/s，是一个非常有竞争力的高速接入技术。中国当今的许多家庭已经安装了ADSL来上网，ADSL在未来家电网络连入Internet领域也很有前景。

CABLE MODEM技术利用连入许多家庭的有线电视网来接入，下行速率可达10Mb/s。因为它的速度很快，收费也较便宜，很有潜力。

利用遍布建筑围的电力线接入Internet，也是一种方便的很有吸引力的技术。欧洲一些科学家正致力于上技术的研究，但噪声、电源波动、电压尖刺、传输衰减和极高的温度等都是急需解决的问题。

光纤到户FTTH（Fiber To The Home）是最理想最完美的接入方式。它提供的高带宽足以满足任何多媒体数据的需要，但经济因素仍是妨碍光纤技术大规模推广的瓶颈。

7 展望

今天，许多新颖而有创造力的信息家电产品不断地出现，而许多只是概念意义上的。但可以肯定的是，信息家电产业的潜力预示着它将对我们未来的生活产生巨大的影响，甚至让它焕然一新。我们期待着信息家电的时代早日到来。