信息家電網(wǎng)絡技術

1 概述

 

計算機技術發(fā)展至今，已經(jīng)在科學、工業(yè)、國防、教育等眾多領域發(fā)揮了巨大的作用；集成電路技術的飛速發(fā)展，使各類CPU能嵌入到與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P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(fā)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(chǎn)生了一個新的產(chǎn)品家庭——信息家電（information appliance）。

 

信息家電的主要特點是數(shù)字化、智能化和網(wǎng)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(wǎng)絡系統(tǒng)交互信息的消費類電子產(chǎn)品，其產(chǎn)品種類在未來將只為我們的想象力所束縛。另外，將數(shù)字網(wǎng)絡技術植入電冰箱、洗也機、微波爐等傳統(tǒng)的家電也是未來信息家電技術重要的發(fā)展方向。例如，智能化的、聯(lián)網(wǎng)的冰箱，可以根據(jù)冰箱內(nèi)儲藏物品的消耗情況，自動通過電子郵件超市發(fā)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(wǎng)絡化環(huán)境。其實質(zhì)就是：從現(xiàn)有的移動通信設備及傳統(tǒng)個人電腦中剝離出一些常用的功能，再與數(shù)字技術和網(wǎng)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(wǎng)絡的架構

 

未來的家庭中，多件信息電將組成一個家庭的內(nèi)部網(wǎng)，并通過內(nèi)部網(wǎng)的網(wǎng)關接入Internet。

 

網(wǎng)關是家電網(wǎng)絡與Internet間的接口。一方面，內(nèi)部網(wǎng)中的家電可以通過網(wǎng)關訪問Internet上的資源。例如，網(wǎng)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(wǎng)站，自動下載下個星期的節(jié)目表，并通過內(nèi)部網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳給打印機，把節(jié)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(wǎng)，通過瀏覽器向家里的錄像機發(fā)出指令，要求它把某段時間內(nèi)體育頻道的節(jié)目錄下來，這樣，用戶就可以回家后欣賞這場比賽。

 

家庭內(nèi)部網(wǎng)中的每件家電本質(zhì)上都是內(nèi)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(jiān)測該設備中預先定義的各個變量，并將結果反饋到網(wǎng)關；同時，還可以解釋網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡接入Internet的示電圖。需要注意的是，雖然圖1中網(wǎng)關與信息家電網(wǎng)絡畫的分開了，事實上，網(wǎng)關是信息家電網(wǎng)絡中最核心的一部分。 
 
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3 家電網(wǎng)絡中設備的連接

 

家電網(wǎng)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(nèi)部網(wǎng)。其標準為：家庭電話線連網(wǎng)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(shù)據(jù)；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(nèi)的電源系統(tǒng)把各種電器聯(lián)系了起來，所以可使用電源線作傳輸介質(zhì)，在多件家電間傳輸數(shù)據(jù)。因為不用改動家庭布線，利用現(xiàn)有的插座就可以使家電方便地連入網(wǎng)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(shù)據(jù)的傳輸，而且目前也沒有統(tǒng)一的標準。

 

（3）以太網(wǎng)

 

以HUB 為中心通過無屏蔽雙絞線來組建家庭以太網(wǎng)了慢一個很有吸引力的方案。其優(yōu)勢在于，以太網(wǎng)技術已十分成熟，組網(wǎng)設備也很容易買到，而且千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)也完全可以保證高速數(shù)據(jù)的傳輸。但以太網(wǎng)無法保證以同步運行方式傳輸數(shù)據(jù)，所以不利于多媒體數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)串行總線標準，也是目前獲得廣泛支持的家電娛樂電器聯(lián)網(wǎng)方案。它支持設備熱插拔，可為外設提供電源，支持同步數(shù)據(jù)傳輸，可支持63個設備，而且通過網(wǎng)橋還可以構成更大的網(wǎng)絡。它采用同軸電纜或光纖作為傳輸介質(zhì)，1394a規(guī)范的數(shù)據(jù)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(xié)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(yōu)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(xié)議、共享無線接入?yún)f(xié)議（SWAP）和藍牙技術。這三個技術都工作在2.4G的ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)療）頻段，所以，對無線技術的一個挑戰(zhàn)，就是解決在同一頻段內(nèi)使多個無線技術共存的問題。

 

（1）IEEE802.11協(xié)議

 

該協(xié)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(shù)據(jù)傳輸，所以不是非常適合家庭環(huán)境。

 

（2）共享無線接入?yún)f(xié)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(wǎng)進行設計，采用簡化的IEEE802.11b作標準，可提供4個高質(zhì)量的語音信道，并對語音和數(shù)據(jù)進行了優(yōu)化，覆蓋范圍大約50m，支持的速率可達2Mb/s，可支持127個節(jié)點。但藍牙技術的出現(xiàn)對SWAP提出了很大的挑戰(zhàn)。

 

（3）藍牙（BlueTooth）

 

藍牙技術是一個非常有競爭力的短路無線數(shù)據(jù)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(wǎng)。有效的通信距離為10～100m，數(shù)據(jù)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(yōu)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(fā)展前景。

 

有線方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾矢?，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(wǎng)，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(yōu)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(fā)展尤其值得關注。

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4 家電網(wǎng)絡中設備的互操作

 

家電網(wǎng)絡中的每個設備具備不同的功能，使用不同的規(guī)范，來自不同的廠商。它們?nèi)绾沃涝谠摼W(wǎng)絡上有哪些其它設備的存在，如何與其它設備通信，如何調(diào)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(wǎng)絡電視機如何知道打印機的存在，又如何請求打印機執(zhí)行打印節(jié)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(huán)境，利用Java的遠程方法調(diào)用（RMI）來使用其它設備提供的服務。Jini技術的目標就是讓網(wǎng)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(wǎng)絡上有哪些服務可被使用，必須首先建立一個聯(lián)盟（federation），讓網(wǎng)絡上可用的服務主動加入。當某個服務加入聯(lián)盟時，它就向整個網(wǎng)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(lián)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(chuàng)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(wǎng)絡環(huán)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(fā)，基于IP網(wǎng)絡，為家庭中可能出現(xiàn)的動態(tài)環(huán)境提供了如何發(fā)現(xiàn)服務和如何實現(xiàn)服務的應用程序編程接口（API）。它通過簡單服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議和輕量級目錄幫助協(xié)議來實現(xiàn)網(wǎng)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(chǎn)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(tǒng)或設備制定具體的編程模型，以在網(wǎng)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(yè)界眾多廠商的聯(lián)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(fā)起的Howe API工作組為加速家庭網(wǎng)絡應用軟件的開發(fā)，正在研發(fā)一套適宜于家庭網(wǎng)絡的通用API的工業(yè)規(guī)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(xié)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(xié)議棧的會話層、格式層和內(nèi)容層，其重點是提供了數(shù)據(jù)的表示與協(xié)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(chǎn)品公司的支持。它以IEEE1394為基礎，使來自不同廠商的數(shù)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(wǎng)絡。它支持高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yōu)勢和發(fā)展前景。

 

（6）開放系統(tǒng)網(wǎng)關開創(chuàng)技術（OSGi）

 

OSGi(Open System Gateway initiative)支柱由IBM、愛立信、朗訊等公司聯(lián)合組成的協(xié)會開發(fā)。OSGi也以Java為基礎，是一種嘗試在Internet上實現(xiàn)非IP協(xié)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(yōu)勢得到業(yè)界廣泛的關注。

 

5 家電網(wǎng)絡的核心——網(wǎng)關

 

信息家電網(wǎng)絡中，網(wǎng)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(zhí)行多協(xié)議的轉換、系統(tǒng)管理、多個網(wǎng)絡的連接等功能，所以是家庭網(wǎng)絡的核心。

 

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

 

（1）網(wǎng)終地址翻譯協(xié)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(xiàn)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(xié)議——網(wǎng)絡地址翻譯NAT（Network Address Translation）協(xié)議。

 

NAT 協(xié)議運行在網(wǎng)關上，網(wǎng)絡里的每個家電節(jié)點通過運行NAT協(xié)議的網(wǎng)關可以透明地訪問Internet。網(wǎng)關將節(jié)點的內(nèi)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(wǎng)關時，又被翻譯回節(jié)點的內(nèi)部地址并送給該節(jié)點。NAT有兩個版本：基本NAT和NAPT（網(wǎng)絡地址和端口翻譯）?；綨AT僅僅翻譯輸出包的IP地址，而NAPT不僅翻譯數(shù)據(jù)包的IP地址，也翻譯它的TCP/UDP端口號。在基本NAT中，當一個節(jié)點發(fā)起一個Internet連接時，節(jié)點內(nèi)部地址被網(wǎng)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(jié)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(shù)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(wǎng)只需要一個IP地址，這就節(jié)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(wǎng)絡里每個節(jié)點使用的IP地址是私有的，只能在內(nèi)部使用，不能為外部的網(wǎng)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(wǎng)絡的安全性。

 

（2）動態(tài)主機配置協(xié)議DHCP

 

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

 

（3）超文本傳輸協(xié)議HTTP

 

WEB 服務器是指存儲和發(fā)送信息給瀏覽器的計算機系統(tǒng)，HTTP（HyperText Transfer Protocol）是瀏覽器和WEB服務器之間請求和發(fā)送信息時使用的協(xié)議。在網(wǎng)關上運行HTTP協(xié)議就是讓網(wǎng)關充當WEB服務器的功能。這樣，用戶在辦公室里上網(wǎng)時，就可以通過瀏覽器來訪問運行WEB服務器的網(wǎng)關，通過網(wǎng)關傳來的網(wǎng)頁來了解家庭網(wǎng)中各個家電的工作情況，并通過點擊網(wǎng)頁上的某個鏈接，讓網(wǎng)關執(zhí)行一段程序，這樣就可通過網(wǎng)關來控制家是。出于安全考慮，從Internet上訪問網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)（PSTN）安裝的銅線電纜上傳輸數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)仍顯得不足。

 

ADSL（非對稱數(shù)字用戶環(huán)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(jīng)安裝了ADSL來上網(wǎng)，ADSL在未來家電網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)的需要，但經(jīng)濟因素仍是妨礙光纖技術大規(guī)模推廣的瓶頸。

 

7 展望

 

今天，許多新穎而有創(chuàng)造力的信息家電產(chǎn)品不斷地出現(xiàn)，而許多只是概念意義上的。但可以肯定的是，信息家電產(chǎn)業(yè)的潛力預示著它將對我們未來的生活產(chǎn)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。