信息家電網絡技術

1 概述

 

計算機技術發展至今，已經在科學、工業、國防、教育等眾多領域發揮了巨大的作用；集成電路技術的飛速發展，使各類CPU能嵌入到與人們日常生活密切相關的各種家用電器之中，從而賦予其更多的智能。同時，伴隨著Internet技術的迅猛發展，這些家電能夠與Internet連接起來，從而構成了新一代家電的控制藍圖，產生了一個新的產品家庭——信息家電（information appliance）。

 

信息家電的主要特點是數字化、智能化和網絡化。信息家電包括機頂盒、WEB游戲機、WEB電視，還有掌上電腦、手持PC、可穿戴PC等所有能通過網絡系統交互信息的消費類電子產品，其產品種類在未來將只為我們的想象力所束縛。另外，將數字網絡技術植入電冰箱、洗也機、微波爐等傳統的家電也是未來信息家電技術重要的發展方向。例如，智能化的、聯網的冰箱，可以根據冰箱內儲藏物品的消耗情況，自動通過電子郵件超市發出訂單，然后超市就會把需要的物品送上門來。

 

信息家電技術將通信技術、計算機技術和消費電子技術集成在家用電器上，并在此基礎上建立起家庭網絡化環境。其實質就是：從現有的移動通信設備及傳統個人電腦中剝離出一些常用的功能，再與數字技術和網絡技術緊密結合，使之以一種更趨于簡單精巧的分解形式滲入到諸多的實體中，從而將計算機與家電設備完美地融為一體。

 

2 家電網絡的架構

 

未來的家庭中，多件信息電將組成一個家庭的內部網，并通過內部網的網關接入Internet。

 

網關是家電網絡與Internet間的接口。一方面，內部網中的家電可以通過網關訪問Internet上的資源。例如，網絡電視機每個星期六都自動訪問用戶喜歡的某個電視臺的網站，自動下載下個星期的節目表，并通過內部網把數據傳給打印機，把節目表打印出來，另一方面，用戶可在Internet上的任何一點通過瀏覽器對自己家里的家電進行遠程控制。例如，用戶剛剛得知馬上有一場精彩的足球比賽，但自己正在上班，他就可以在辦公室上網，通過瀏覽器向家里的錄像機發出指令，要求它把某段時間內體育頻道的節目錄下來，這樣，用戶就可以回家后欣賞這場比賽。

 

家庭內部網中的每件家電本質上都是內置了CPU的嵌入式設備。這些嵌入式設備的應用程序中都包含了一個獨立的通信任務：監測該設備中預先定義的各個變量，并將結果反饋到網關；同時，還可以解釋網關的命令，修改設備中的變量，或進行某種控制。該通信任務的代碼不多，不會影響處理器的正常工作。這樣，僅通過增加一個網關，就解決了嵌入式設備接入Internet的問題。

 

圖1就是一個信息家電網絡接入Internet的示電圖。需要注意的是，雖然圖1中網關與信息家電網絡畫的分開了，事實上，網關是信息家電網絡中最核心的一部分。 
 
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3 家電網絡中設備的連接

 

家電網絡中連接設備的技術有多種，總的來說，分有線和無線兩種方式。

 

3.1 有線

 

（1）電話線

 

一般家庭的墻壁上至少有一個電話線插座，如果有多個時就可以在每個插座上插入一件信息家電，組成一個家庭內部網。其標準為：家庭電話線連網電器（Home Phoneline Network Appliance,HPNA）標準。該標準1.0版本支持的速率為1Mb/s，2.0版本支持的速率為10Mb/s，同時88Mb/s和100Mb/s 的方案也正在研制之中。該技術不需要任務新的電纜，成本很低，尤其適合于連接固定的家電設備。但缺點是帶寬較低，不適宜傳輸速數據；同時，許多老住宅不可能每個房間都安裝電話插座，所以仍面臨著重新布線的問題。

 

（2）電源線

 

家庭內的電源系統把各種電器聯系了起來，所以可使用電源線作傳輸介質，在多件家電間傳輸數據。因為不用改動家庭布線，利用現有的插座就可以使家電方便地連入網絡，所以成本較低，非常方便。但缺點是各種干擾較大，所以速度難以提高，難以滿足多媒體數據的傳輸，而且目前也沒有統一的標準。

 

（3）以太網

 

以HUB 為中心通過無屏蔽雙絞線來組建家庭以太網了慢一個很有吸引力的方案。其優勢在于，以太網技術已十分成熟，組網設備也很容易買到，而且千兆以太網的出現也完全可以保證高速數據的傳輸。但以太網無法保證以同步運行方式傳輸數據，所以不利于多媒體數據的傳輸，而且成本較高，這些都是需要解決的問題。

 

（4）IEEE1394總線

 

IEEE1394 標準是一種高速數據串行總線標準，也是目前獲得廣泛支持的家電娛樂電器聯網方案。它支持設備熱插拔，可為外設提供電源，支持同步數據傳輸，可支持63個設備，而且通過網橋還可以構成更大的網絡。它采用同軸電纜或光纖作為傳輸介質，1394a規范的數據傳輸速率為100、200、400、800Mb/s，適用于消費電子設備；1394b采用了新的編碼方案和通信協議，將原先最大4.5m的傳輸距離延長到100m，支持1.6Gb/s和3.2Gb/s的高速傳輸，是一個很有優勢和前景的技術。

 

3.2 無線

 

無線更適用于移動設備。當前有三個有潛力的技術：IEEE802.11協議、共享無線接入協議（SWAP）和藍牙技術。這三個技術都工作在2.4G的ISM（工業、科學和醫療）頻段，所以，對無線技術的一個挑戰，就是解決在同一頻段內使多個無線技術共存的問題。

 

（1）IEEE802.11協議

 

該協議是一個針對無線LAN的標準。該技術中，無線覆蓋的范圍是50～100m，支持的速率是1Mb/s，而升級版本802.11b支持的速率可達11Mb/s。但技術比較復雜，成本較高，且不支持音頻、視頻等同步數據傳輸，所以不是非常適合家庭環境。

 

（2）共享無線接入協議（SWAP）

 

SWAP （Share Wireless Access Protocol）由家庭射頻工作組（HomeRF Working Group）制定，得到了HP、Intel等公司的支持。它針對家庭無線局域網進行設計，采用簡化的IEEE802.11b作標準，可提供4個高質量的語音信道，并對語音和數據進行了優化，覆蓋范圍大約50m，支持的速率可達2Mb/s，可支持127個節點。但藍牙技術的出現對SWAP提出了很大的挑戰。

 

（3）藍牙（BlueTooth）

 

藍牙技術是一個非常有競爭力的短路無線數據傳輸標準。一個藍牙設備可以同時與七個設備之間建立連接，通過設備之間的相互連接，可以提供幾百個設備之間的組網。有效的通信距離為10～100m，數據傳輸速率可達1Mb/s。藍牙技術的健壯性、安全性、低復雜性、低能耗、低成本、體積小、開放性等優點，合適于不同的場合，得到了大量廠商的支持，所以具有很大的發展前景。

 

有線方式數據傳輸的速率高，可靠性強，但靈活性差，布線復雜；無線方式便于移動設備的連網，非常靈活，但速率相對較低，抗干擾性和安全性也是需要解決的問題。

 

有線和無線技術，既是相互競爭的了慢相互補充的，既有各自的優點也有各自的缺點，未來將是多種技術的混合和共存。其中，IEEE1394標準與藍牙技術的發展尤其值得關注。

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4 家電網絡中設備的互操作

 

家電網絡中的每個設備具備不同的功能，使用不同的規范，來自不同的廠商。它們如何知道在該網絡上有哪些其它設備的存在，如何與其它設備通信，如何調用其它設備所提供的服務，都涉及到一個互操作（interoperability）的問題。上面提到的例子中，網絡電視機如何知道打印機的存在，又如何請求打印機執行打印節目表的任務，都是互操作需要解決的。常見的互操作技術有6種。

 

（1）Jini技術

 

Jini 是SUN公司推出的基于Java的，具備即插即用功能的分布式計算環境，利用Java的遠程方法調用（RMI）來使用其它設備提供的服務。Jini技術的目標就是讓網絡上的成員能夠方便地共享彼此的資源。為了讓使用者知道網絡上有哪些服務可被使用，必須首先建立一個聯盟（federation），讓網絡上可用的服務主動加入。當某個服務加入聯盟時，它就向整個網絡宣布：我可以被使用，有誰需要我的服務。這樣，使用者通過聯盟可以得知有哪些服務可以使用，并通過RMI和下載所需服務的方法與相應的設備進行通信。該技術可以創造出一個富有彈性、容易管理、且可隨時隨地使用各種服務的家庭網絡環境，是非常有前途的互操作解決技術。

 

（2）通用即插即用技術（UPnP）

 

UPnP （Universal Plug & Play）由微軟公司開發，基于IP網絡，為家庭中可能出現的動態環境提供了如何發現服務和如何實現服務的應用程序編程接口（API）。它通過簡單服務發現協議和輕量級目錄幫助協議來實現網上設備和服務的自動查錄，并用XML描述設備的操作界面且產生控制信息。

 

UPnP并未定義應用程序編程模型，而是由第三方針對不同操作系統或設備制定具體的編程模型，以在網上宣告設備提供的服務，查錄其它服務和使用UPnP設備，與Jini技術一樣，該技術的成功將取決于業界眾多廠商的聯合以及制定一個公共可擴展的API。

 

（3）家庭API技術（Home API）

 

由微軟、Intel、飛利浦等公司發起的Howe API工作組為加速家庭網絡應用軟件的開發，正在研發一套適宜于家庭網絡的通用API的工業規范以及相應的SDK。Home API與其它方案的同之處，就是它定義了獨立于協議的API和通用的編程模型，所以可以在很大程度上補充其它的方案。

 

（4）Jetsend技術

 

Jetsend是HP公司的技術，它集中于互操作協議棧的會話層、格式層和內容層，其重點是提供了數據的表示與協商機制。Jetsend不制定任何特定的傳輸機制，所以它能夠使用任何可靠的傳輸。

 

（5）家庭音頻/視頻互操作技術（HAVi）

 

HAVI （Home Audio Video Interoperability）技術得到了索尼、飛利浦和其他消費電子產品公司的支持。它以IEEE1394為基礎，使來自不同廠商的數字音頻、視頻設備能夠相互連接和操作，以構成家庭娛樂性的AV（音頻和視頻）網絡。它支持高速數據傳輸，允許設備預定帶寬和其它資源，所以特別適合實時AY數據流的不間斷傳輸。它還具備即插即用功能，提供直觀的用戶界面和將來的可擴展性，所以很有技術優勢和發展前景。

 

（6）開放系統網關開創技術（OSGi）

 

OSGi(Open System Gateway initiative)支柱由IBM、愛立信、朗訊等公司聯合組成的協會開發。OSGi也以Java為基礎，是一種嘗試在Internet上實現非IP協議之間的通信機制。

同樣，以上各種互操作解決方案也是相互競爭和補充的，其中，Jini技術和HAVi支持以其獨特的技術優勢得到業界廣泛的關注。

 

5 家電網絡的核心——網關

 

信息家電網絡中，網關要完成媒體轉換、速率匹配、防火墻、加密證實、IP地址獲得、地址解析等功能，同時還要執行多協議的轉換、系統管理、多個網絡的連接等功能，所以是家庭網絡的核心。

 

網關上運行的網絡協議比較多，除了最基礎的TCP/IP協議外，網關上還運行著三個主要的協議：網絡地址翻譯協議、動態主機配置協議和超文本傳輸協議。

 

（1）網終地址翻譯協議NAT

 

信息家電要連入Internet，必須要有一個全球唯一的合法的IP地址，但現在的IPV4可用的IP地址資源已日益枯竭。雖然下一代Internet的 IP地址將有128位，可用的IP地址資源將大地滿足需要，但事實上，為每個家庭的每件家電都分配一個唯一的IP地址會顯得有些浪費，也不利于管理，而且用戶出于安全的考慮，可能也不希望每件家電都有一個外界可訪問的IP地址。這樣，就引入了可以共享IP地址的協議——網絡地址翻譯NAT（Network Address Translation）協議。

 

NAT 協議運行在網關上，網絡里的每個家電節點通過運行NAT協議的網關可以透明地訪問Internet。網關將節點的內部地址翻譯成全球唯一的IP地址并送出請求。當應答返回到網關時，又被翻譯回節點的內部地址并送給該節點。NAT有兩個版本：基本NAT和NAPT（網絡地址和端口翻譯）。基本NAT僅僅翻譯輸出包的IP地址，而NAPT不僅翻譯數據包的IP地址，也翻譯它的TCP/UDP端口號。在基本NAT中，當一個節點發起一個Internet連接時，節點內部地址被網關映射成一個全球唯一的IP地址。這個IP地址將被綁定以確保這個IP地址只能被這個節點建立的這個連接所用。只有連接斷開時，才放棄這個IP地址。基本NAT常常有一個IP地址池，這樣可以同時允許多個連接，但同時存在的連接的數目也將受限于IP池的大小。NAPT既翻譯輸出包的IP地址，也翻譯它的TCP/UDP端口。因此，只要不同的連接使用不同的端口號，就可以使整個家庭網只需要一個IP地址，這就節省了IP地址。但由于修改IP 地址的同時還要修改端口號，所以增加了技術的復雜性。

 

家電網絡里每個節點使用的IP地址是私有的，只能在內部使用，不能為外部的網絡所訪問，所以NAT服務器起到了類似防火墻的作用，從而提高了家電網絡的安全性。

 

（2）動態主機配置協議DHCP

 

對家電網絡而言，易于配置很重要的。HDCP（Dynamic Host Configuration Protocol）可以讓每一個節點在加電時自動配置自己的網絡參數。DHCP實行客戶機/服務器結構，節點上運行DHCP客戶機協議，網關上運行 DHCP服務器協議。節點加電后，尚未配置的節點首先會在家電網絡上廣播一個消息，詢問哪個服務器提供網絡配置信息。運行DHCP服務器的網關收到這個消息后也會發出一個消息來應答，其中包括了一整套的配置參數。最簡單時候，只是一個IP地址，但也可以包括子網掩碼、路由器的IP地址、DNS服務器的IP 地址以及其它網絡參數。節點收到網關的應答消息后，會檢查它所提供的參數。如果覺得可以接受，就給網絡發送一個消息，表明它將接受這些參數，最后，網關會發出一個確認消息來確認客戶端發的消息。這樣，節點就完成了網絡參數的動態配置，就可以進行正常的網絡通信了。

 

（3）超文本傳輸協議HTTP

 

WEB 服務器是指存儲和發送信息給瀏覽器的計算機系統，HTTP（HyperText Transfer Protocol）是瀏覽器和WEB服務器之間請求和發送信息時使用的協議。在網關上運行HTTP協議就是讓網關充當WEB服務器的功能。這樣，用戶在辦公室里上網時，就可以通過瀏覽器來訪問運行WEB服務器的網關，通過網關傳來的網頁來了解家庭網中各個家電的工作情況，并通過點擊網頁上的某個鏈接，讓網關執行一段程序，這樣就可通過網關來控制家是。出于安全考慮，從Internet上訪問網關時，會要求訪問者輸入正確的用戶名和密碼。

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6 家庭網絡接入Internet的方式

 

今天，Internet的接入方式早已不局限于早期的Modem撥號，速度已大大提高，但各種技術互補共存的局面將長期存在。

 

通過Modem撥號上網是當前家庭用戶訪問Internet最普遍的方式。

 

ISDN與Modem一樣，也是在公共交換電話網（PSTN）安裝的銅線電纜上傳輸數據，能夠提供128Kb/s的速率。盡管相對Modem要高一些，但對需要高帶寬的多媒體數據仍顯得不足。

 

ADSL（非對稱數字用戶環路）也使用PSTN提供的銅線電纜，但其下行速率可達6Mb/s，是一個非常有競爭力的高速接入技術。中國當今的許多家庭已經安裝了ADSL來上網，ADSL在未來家電網絡連入Internet領域也很有前景。

 

CABLE MODEM技術利用連入許多家庭的有線電視網來接入，下行速率可達10Mb/s。因為它的速度很快，收費也較便宜，很有潛力。

 

利用遍布建筑圍的電力線接入Internet，也是一種方便的很有吸引力的技術。歐洲一些科學家正致力于上技術的研究，但噪聲、電源波動、電壓尖刺、傳輸衰減和極高的溫度等都是急需解決的問題。

 

光纖到戶FTTH（Fiber To The Home）是最理想最完美的接入方式。它提供的高帶寬足以滿足任何多媒體數據的需要，但經濟因素仍是妨礙光纖技術大規模推廣的瓶頸。

 

7 展望

 

今天，許多新穎而有創造力的信息家電產品不斷地出現，而許多只是概念意義上的。但可以肯定的是，信息家電產業的潛力預示著它將對我們未來的生活產生巨大的影響，甚至讓它煥然一新。我們期待著信息家電的時代早日到來。