家庭网络技术及其发展.pdf

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1、基金项目: 国务院信息化基金资助项目(2001- 研 1- 010) 作者简介: 霍? 华( 1968- ) , 男, 河南省兰考县人, 博士生 收稿日期: 2002- 03- 11 文章编号: 1000- 5080(2002) 03- 0055- 03 家庭网络技术及其发展 霍 ? 华 1, 曹玖新2, 徐美玉1 (1. 洛阳工学院 计算机科学与工程系, 河南 洛阳 471003 ; 2. 西安交通大学 网络研究所, 陕西 西安 710049) 摘要:首先介绍家庭网络的概念、 产生的背景、 功能及体系结构, 然后阐述家庭网络的关键技术, 接着介绍了家庭 网络的逻辑结构和规范标准, 又给出了家

2、庭网络的通信媒体及接入技术, 最后说明家庭网络技术存在的问题并 对其发展进行了展望。 关键词:家庭网络; 控制协议; 关键技术 中图分类号:TP393? ? ? ? 文献标识码: A 0? 前言 家庭网络是采用一定的拓扑结构和物理媒体, 通过相应控制协议将家庭内部的各种信息电器互连起 来而形成的网络系统, 它通常由数据通信、 家庭娱乐和家庭电器控制三大部分构成 1 , 以实现安全服务、 能 源管理、 数据通信服务、 家庭环境控制和各种智能控制功能。 微软? 维纳斯 计划及我国? 女娲 计划的实施 2 , 推动了信息家电的快速发展, 为我国家庭的网络化奠 定物质基础, 新一代 IPv6 标准为家

3、庭网络的实施提供了足够的 IP 空间, 网络应用在全社会的迅速普及人 们实现家庭网上购物、 家庭办公、 远程学习和医疗、 家庭自动化控制等需求则是家庭网络化的根本动力。 我国具有众多的消费类电器产品生产商和庞大的消费群体, 随着经济的发展及人们生活质量的提高, 家庭 网络及其产业必将在我国快速发展。为此, 本文就家庭网络的关键技术、 逻辑结构、 通信媒体、 连网方案以 及目前存在的问题等进行了阐述, 以期对同行们及家庭网络在我国的发展有所帮助。 1? 家庭网络的关键技术 家庭网络是一种特定的局域网络, 在逻辑结构上与 LAN 具有一定的相似性, 但在其应用环境、 操作功 能、 系统的物理组成及

4、使用对象上都具有自己的特点。家庭网络的具体实现需要以下关键技术的支持 3 。 ( 1) 嵌入式操作系统的设计和嵌入式集成芯片的制造。家庭中的设备种类繁多, 控制方式、 计算能力 及智能程度相差悬殊, 除了少数智能较高的设备如计算机之外, 大多为数据处理能力较弱、 控制方式较简 单的电器设备, 要实现网络的覆盖功能, 必须具有嵌入式 OS 和嵌入式 IC 的支持, 这同时也是信息家电的 核心技术 3 。当前主要的嵌入式操作系统有 Windows CE、 3COM 的 Palms OS、 JAVA2、 JAVA2 Micro Edition、 Pjava、 Ejava 以及具有我国自主知识产权的凯

5、斯集团的 Hopen 嵌入式操作系统 3 。 ( 2)API 级的互操作规范。该规范是家庭网络应用开发的基础, 它屏蔽了下层通信协议的差别, 为上 层提供统一的开发接口。当前有Microsoft 的UPnP、 SUN 公司的 JINI 规范、 Home PNP、 Home API 等 4 。 ( 3) 最顶层的用户接口设计规范确立。用户接口决定了家庭网络的易用程度, 进而决定了最终用户对 系统的接受度, 对于网络接口来说, 它的具体应用环境及特殊的应用对象决定了其自身的如下特点 4 : ! 易用性: 它所面对的用户是一般的家庭成员, 文化程度及相关技能各不相同, 年龄分布参差不齐, 用 户接口

6、的易用程度直接影响到用户的接受程度, 在一定程度上决定着家庭网络市场的培育与成熟, 因此其 用户接口的设计必须面向最普通的用户群体, 为使用者提供最灵活、 简单和直观的使用界面。 移动性: 当前的家庭网络是一个异构网络, 它包含了数据网络、 视频 A? V 网络和控制网络。由于多种控制标准和 规范的存在, 控制网络本身也呈现异构化趋势。当家庭内部的各种设备相互连接形成一个统一的网络后, ? ? 第 23 卷 第 3 期 2002 年? ? 9 月 洛? 阳? 工? 学? 院? 学? 报 Journal of Luoyang Institute of Technology Vol. 23? No

7、. 3 Sept.2002 终端用户应该可以从不同的访问点通过用户接口(UI) 配置、 控制、 管理和查询网络性能、 设备状态。 # 伸 缩性: 由于经济、 技术和市场因素, 家庭网络的建设是一个逐步完善的过程, 因而用户接口应能够动态的提 供新增设备的相应接口。 ( 4) 家庭网络接入技术。接入技术是 internet 与家庭网络的连接方式, 接入技术有有线和无线两种方 式, 有线方式有 Modem、 HFC? Cable Modem、 FTTH 和 xDSL 技术, 无线方式有 WAP 和 LDMS 等技术。传统的 Modem 技术传输速率较低( 当前为 56kps) , Cable Mo

8、dem 和 xDSL 将是今后一段时间最具潜力的接入方式, 最终将过渡到 FTTH 和无线接入方式 5 。 2? 家庭网络的一般逻辑结构 图1 为HomeNet 的分层结构图, 逻辑上整个系统共分为五层 5 ( 省略了操作系统层) : 物理媒体层 (Media) 、 底层协议层( Protocol) 、 应用程序接口层( API) 、 应用程序层( APP) 和最终用户接口层(UI) 。其中第 一二两层的标准已经颁布并已在实际应用之中, 第三层( API) 是家庭网络技术发展的关键, 是当前研究的 热点, Home API 和 Jini 技术是 1999 年刚提出的企业规范, 其开发工具将会在

9、近期推出 6 。第四层是应用 程序层, 它是在第三层的基础上由技术人员开发的各种应用程序。第五层是各种用户接口工具, 它不仅只 限于 PC 接口, 同时也包括各种应急按钮、 求助开关、 遥控装置和其它可视接口设备, UI 的简单性、 易用和 灵活性关系到整个系统性能的发挥和使用, 对用户的接受程度有很大的影响, 因此系统的 UI 规划在 HomeNet 的设计中占有很重要的地位。 按上述分层结构, 家庭网络的协议标准可以分为三种 6 : 底层协议规 范( 一、 二层) 、 API 层( 三层) 协议规范和UI 层( 五层) 规范。其中 UI 层还 没有任何企业规范和标准, 随着市场的不断扩大和

10、用户要求的提高, 系 统的UI 规范化设计势在必行 7 。从家庭网络标准的地域分布看, 主要分 布在美洲、 欧洲和日本, 如日本的 HBS 标准 7 ; 欧洲的 BatiBUS、 EIB 和 Europe Home System 标准 7 ; 美国的X- 10、 CEBus 和LonWorks 标准 7 。另 外还有一些工作组发布的互操作和接口规范 8 : HAVI 的 IEEE 1394 、 Bluetooth 、 HPNP、 Home API 和 JINI 技术, 其中 CEBus 和 Lontalk 协议已被 EIA 发布为EIA- 600标准和EIA- 709标准, 并正在向国际标准发

11、展 4, 5 。 3? 家庭网络的通信媒体及内部连网方案 家庭网络的通信媒体有以下几种 2 : 双绞线( TP) 、 家庭电话线 (HomePNA) 、 无 线传 输 ( IEEE802. 11、 HomeRF、 Bluetooth) 、 电 缆 ( cable modem) 、 光纤( FB) 和电力线( PL) , 当前主要以双绞线、 电话线和电力线为 主, 家庭无线网络将以其灵活方便和可移动计算而成为未来的方向。与这些通信媒体相应的家庭网络技 术为 2 : 以太网和快速以太网( 双绞线) 、 家庭电话线网络( HomePNA) 、 无线局域网和电力线网络( X. 10) 。 连网方案的实

12、现与所采用的通信媒体密切相关, 所要遵守的两个原则是网络的易用性及合理的实现 价格。由于家庭网络多种功能的实现及用户经济承受能力不同, 各种通信媒体的性能及可靠性也存在区 别, 因此家庭网络不可能有一个统一的解决方案。以下是对几种方案进行的比较: 以太网和快速以太网 9 : 有一些用户将选择为他们的家庭网络安装新型的以太网布线系统, 就像许 多家庭办公用户那样。在一个以太网中, 两台或多台 PC 位于同一个房间或毗邻的房间内。以太网不仅 便于建立, 技术上的简单、 可靠和低成本更是以太网的过人之处, 其 100? 1000MBPS 的速率足以满足家庭多 媒体应用的需要。 家庭电话线网络 10

13、: 家庭电话线技术使得通过现有的家庭电话布线系统进行高速联网成为了可能, 现在已经发布了 10M( HomePNA 2. 0) 电话网络规范。将 PC 进行互联与接上一部电话一样简单, 所需要的 仅仅是一个低价的网络接口和一个电话插座。不仅如此, 这项技术还可以与数字用户线路( xDSL) 技术实 现兼容, 使用户可以使用同一条电话线同时进行语音、 Internet 接入和家庭网络流量的传送。 56 ? ? 洛? 阳? 工? 学? 院? 学? 报2002? 电力线网络 10 : 电力线网络使用家庭中现有的电力线来连接家庭中各处的设备。电力线网络的一个 最大优势是, 家庭中几乎每面墙上都留有插座

14、, 而且, 大部分的家用电器都已经通过电源面板被互联了起 来。尽管以前的电力线很难成为数据网络的传输载体, 但除去干扰的因素之外, 最新的技术可以实现非常 高的数据传输速率与容错性 11 。 无线局域网: 无线局域网相对于有线网络具有灵活、 机动和易于安装等优势。在股票交易和酒店业 等领域中, 无线局域网技术的成熟性已经得到了验证。WLAN 的潜在市场正在不断增长, 但是当前无线产 品的性能? 价格比限制了其向多种行业应用的发展, 随着其价格的降低及通信速率的提高, 无线家庭网络 将是一个潜在的发展方向 。 4? 家庭网络技术尚需解决问题及展望 首先需要解决的是嵌入式操作系统及其支撑芯片的开发

15、; 由于目前还没有统一的互操作规范, 因而无 法实现设备之间的直接通信; 由于下层多种协议及媒体的存在使得网络的集成复杂化; 对家庭网络用户接 口的规划缺少研究; 接口的非标准性直接影响到家庭网络市场的普及等。随着网络技术的快速发展及 IBM 和Microsoft 等大公司在家庭网络技术研究方面加大投入, 上述问题都将很快被解决, 新一代 IPv6 标准 又为家庭网络的实施提供了足够的 IP 空间 11 , 家庭网络将不再遥远。 参考文献: 1 ? Maury Wright. Home ?automation NetworksMature While the PC Industry Chase

16、s a New Home LANJ. Network And Information, 1998, 4(8): 23- 24. 2 ? 钟西昌. 信息家电 J. PC World China, 2000, 1( 6): 15- 17. 3 ? 曹玖新. 家庭网络接口技术及设计策略 J . 小型微型计算机系统, 2001, 4(1) : 2- 5. 4 ? Home Automation Network Standards and Specs- Alliances and Working Groups EB ?OL . http:? ?www. hometoys. com, 1999 ?06.

17、5 ? Kenneth P Wacs, PH D. Introduction to the CEBUS(r) Communications ProtocolJ. Communication 2.Network Inst. , Xi% an Jiaotong Univ. , Xi% an 710049, China) Abstract: The connotation, background, function and system structure of home network were interpreted firstly, then the key technologies, logic structure, protocol standards, communicating media and system integrating methods of the network were described, in the end, the existing problems and developing prospect were given out. Key words:Home network; Control protocol; Key technology 57 ? ? 第 3期霍? 华等: 家庭网络技术及其发展