家庭网络的关键技术与业务应用浅析

中央电视台技术管理办公室 韩强

    2、家庭数字版权保护（Digital Right Management，DRM）

    现在得到广泛应用的DRM系统，如Windows Media，XCP，SmartRight，OCCAM都采用严格的与终端捆绑的策略，也就是终端上必须运行DRM的播放软件，并且以密文的形式存储在家庭内部的媒体服务器上。但是，高昂的价格、严格的时间、播放次数的限制、繁多的媒体格式，都将导致家庭购买内容需求的下降。

    数字家庭存在的基础和吸引用户的地方在于媒体资源的共享，CPSA推出的DTCP-IP较好地解决了这个问题。DTCP-IP理念的核心是，购买的内容的DRM保护，在家庭网络设备（如家庭网关HGW）上终结后，可以在家庭内部加密传输，从而实现媒体资源的共享。

    3、数字家庭自助业务定制

    一个家庭允许申请多个业务，而且支持多个业务能同时上网。一个家庭只有一个账号称之为父账号，所有业务的费用最后多归结于这个账号下进行统一计费；父账号下可以申请多个业务，称之为子账号，家庭父账号可定制个性化的业务属性和计费策略，以不同业务名进行区分，且业务名不能重复。

    4、统一的多业务认证平台

    数字家庭的业务使用需要进行两个阶段的认证，接入认证和业务认证。接入认证和业务认证是两套不同的认证体系，都是基于用户开户，获取一个用户名/密码。现有的数字家庭的业务平台在如下方面可以得到优化和改进：

    （1）接入认证和业务认证都是基于用户名/密码，需要预先开户，对最终用户来说，不安全、不方便；

    （2）目前业务认证阶段是HTTP方式，业务名和密码都是明文的，十分不安全；

    （3）现阶段方案中，计费是按照包月实现的，不能对用户提供实时点播、实时扣费的功能；

    （4）统一的SIM接入业务认证平台（AS）可以融合接入认证和业务认证。

    5、安全技术

    通过家庭网关可为家庭网络提供一个全面的网络安全解决方案，包括用户验证、授权、数据保护等。家庭网关所采用的安全技术包括多SSID和VLAN、802.1X认证、WEP和WPA、备份中心、AAA、CA技术、包过滤技术、地址转换、VPN技术、加密与密钥交换技术、ASPF、安全管理等。

    （1）多SSID和VLAN技术

    无线家庭网关可以通过802.11x进行家庭内部组网，家庭网关支持多SSID可以实现虚拟AP功能。不同的SSID可以采用不同的认证方式及访问权限，也可映射为不同的VLAN，实现公共热点与家庭内部网之间的网络隔离。

    （2）802.1x认证

    802.1x认证可以实现双向认证、动态密钥管理等安全特性。IEEE 802.1x是一种基于端口的认证方法，它为每个端口（物理端口/逻辑端口）都定义了一个受控子端口和一个非受控子端口。非受控子端口主要用于认证消息包，而受控子端口在认证成功之前是关闭的，只有在认证成功之后才完全打开，用户从而可以进行正常的通信。802.1x解决的是用户与网络之间的鉴别机制问题，另外802.1x还定义了一套动态密钥协商管理机制，支持无线口组播和单播密钥的动态协商。802.1x具体认证协议由EAP方法决定，其体系结构非常灵活，EAP-TTLS，EAP-SIM，EAP-AKA，PEAP等EAP方法支持双向鉴权、用户账号信息匿名传输、动态密钥协商管理等机制。EAP-MD5等认证方式支持单向鉴权认证。

    （3）WEP和WPA

    WEP是802.11标准，定义了链路级安全机制，支持共享密钥方式鉴权和MAC层数据加密，密钥长度为40或104位，使用RC4对称流加密算法。WEP安全性非常脆弱，其密钥很容易破译，容易实施各种攻击，如DoS、重放等。WPA V1.0采用802.1x认证或共享密钥认证，在加密算法上采用基于WEP算法的TKIP。TKIP在WEP基础上增加了一些新的辅助算法函数，以支持对MSDU的加密、分片、数据源的验证及防重播保护等功能。
    （4）AAA认证

    部分高端型号家庭网关具有认证点的功能，可以对接入家庭内部网络的用户进行验证、授权及记账功能。

    （5）条件接收（CA）技术

    CA技术是安全认证技术的一种，它基于公开密钥体系通过安全证书来实现。安全证书采用国际标准的X.509证书格式，主要包括证书的版本号、发证CA的身份信息、持证用户的身份信息、持证用户的公钥、证书的有效期以及其他一些附加信息。证书由发证CA数字签名，保证了证书不可伪造并且不能被更改。安全证书由CA中心分发并维护。家庭网关实现对CA中心的支持，包含两方面的内容。其一是针对CA中心的管理功能完成与CA中心的交互；其二即是家庭网关作为通信实体的认证功能。一般来说，安全证书的操作采取离线分发、本地验证的方式。

    （6）包过滤技术

    IP报文的IP报头及所承载的上层协议（如TCP）报头的每个域包含了可以由路由器进行处理的信息。包过滤通常用到IP报文的以下属性；
    ·IP的源、目的地址及协议域；
    ·TCP或UDP的源、目的端口；
    ·ICMP码、ICMP的类型域；
    ·TCP的标志域；
    ·表示请求连接的单独的SYN；
    ·表示连接确认的SYN/ACK；
    ·表示正在使用的一个会话连接；
    ·表示连接终断的FIN。

    可以由这些域的各式各样的组合形成不同的规则。家庭网关提供了基于接口的包过滤，即可以在宽带上行口的进出两个方向上对报文进行过滤。同时还提供了基于时间段的包过滤，可以规定过滤规则发生作用的时间范围，比如可设置每周一的8：00~20：00允许FTP报文进入以完成必要的服务，而其余时间则禁止FTP连接。在时间段的设置上，可以采用绝对时间段和周期时间段以及连续时间段和离散时间段配合使用，在应用上具有极大的灵活性；并且，这样的时间段可以方便地提供给其他的功能模块使用，如地址转换、IPSec等。

    （7）VPN技术

    虚拟专用网（Virtual Private Network）简称为VPN，是近年来随着Internet的发展而迅速发展起来的一种技术，主要分为Access VPN和Intranet VPN。远程用户可以通过Access VPN接入家庭网关，实现对家庭网络的安全远程访问和控制。家庭网关可通过Intranet VPN接入公司的VPN网关，实现Intranet。

    （8）ASPF技术

    ASPF是一种高级通信过滤。它检查应用层协议信息并且监控基于连接的应用层协议状态。对于所有连接，每一个连接状态信息都将被ASPF维护并用于动态地决定数据包是否被允许通过防火墙或丢弃。家庭网关提供基于报文内容的访问控制，即ASPF，能够对应用层的一部分攻击加以检测和防范，包括对于SMTP命令的检测、SYN flooding、Packet Injection的检测。

    （9）入侵检测系统（IDS）技术

    入侵检测系统（IDS）可以弥补防火墙的不足，为网络安全提供实时的入侵检测及采取相应的防护手段，如记录证据用于跟踪、恢复、断开网络连接等。入侵检测系统全称为Intrusion Detective System，它从计算机网络系统中的若干关键点收集信息，并分析这些信息，检查网络中是否有违反安全策略的行为和遭到袭击的迹象。入侵检测被认为是防火墙之后的第二道安全闸门。

    6、QoS技术

    家庭网络中需要共享和传送多种多样的媒体内容，有话音、视频、网上浏览、静态图片、文字、控制消息等，这些业务对于网络的服务质量有截然不同的要求。家庭网络中采用的组网技术是多种多样的，有无线、有线等，因此如何在这样的环境中保证每类业务的服务质量是一个重要的课题。QoS的实现首先需要在家庭网关上实现外部网络和家庭网络之间的带宽映射分配机制，将外部网络中业务流按照家庭网络情况进行重新映射分配，需要在家庭网关上实现带宽的动态预留和分配功能，家庭网关需要同时实现外部网络和家庭网络的服务质量机制，保证端到端的QoS；另外，需要对家庭中各个终端的QoS能力进行定义，制定终端设备和家庭网关之间的QoS信令机制。

    （1）对数据流的分类和调度

    具体的报文优先级有多种分类办法，在此可将其划分为以下4类：
    ·最低的优先级——普通的数据业务流；
    ·语音优先级——交互式的语音业务流；
    ·视频优先级——视频业务流；
    ·控制报文优先级——网络控制报文数据。

    在网络终端设备中，每种优先级的数据流都有相应的优先级队列。在终端产品内部需要根据优化的调度算法进行优先级调度。其基本的方法是：根据基本的优先级元组确定和区分不同的业务流，并将不同的业务流分配到不同的优先级队列中。优先级元组可根据具体的业务情况进行定义。在将不同优先级的数据分流到不同的优先级队列中后，需采用合理的队列调度算法来保证优先的数据先发送，也就是需要对队列进行优先级调度，具体的调度算法有很多，如PQ（绝对优先级）、WRR（按权重的优先级轮询）等。

    （2）有线和无线QoS捆梆

    在终端设备内部，需要将有线的QoS和无线的QoS捆梆起来，才能实现端到端的QoS。在WLAN接口中，最多有8个优先级队列，因此在有线侧也需要有相应数量的优先级队列，这些队列和无线接口中的队列是一一对应的。另外，同样的数据流分类标准要同时应用到有线接口和无线接口。

    （3）客户化的优先级设置

    手工设置Qos是非常麻烦的事情，因此需要有一种动态下发QoS的机制，这样才能有效地管理网络。这种机制可有很多种，如：

    ·通过SNMP MIB下发动态的QoS策略；

    ·通过DHCP服务器回应选项中携带TFTP服务器和配置文件名，终端根据这些选项到预定的TFTP服务器上获取制定的包含QoS定义的配置文件；

    ·通过用户认证过程中的认证返回信息，同时返回用户的QoS定义。

    上述机制是一些动态QoS机制，从中可看出，合理的QoS机制必须有承载网络上的设备配合才能完成。

    7、智能路由技术

    在未来的家庭网络和FMC（固定移动融合）网络环境下，可能出现多个Internet接口、或一个设备有多种接入方式，设备的处理能力、设备的供电方式、设备的安全程度、通信成本将导致不同的路由选择。智能化就显得尤其重要。

    家庭网络或局域网多传送多媒体信息，对于宽带占用大，需要很好的QoS保证。例如，在家庭网络或局域网内部，集成WLAN模块的便携机可能同时有PLC的接入模块、内嵌WLAN模块的设备可能同时有GPRS的模块。因此，在一个网络内部设备可能有两个IP地址，而每种宽带接入手段对应的网络传送能力、网络传输效率、安全等级、耗电量等具体的技术指标不同、存在每种接入手段上的现存的网络流量也不同，仅仅通过传统的路由算法无法最佳地满足业务可靠传送的需求。

    数字家庭的实现需要数字家庭网络，而数字家庭网络是连接数字化的家用电器的网络，需要的是数字化的连接方式。数字接口中，有线的有1394、USB、PCI-Express和DVI/HDMI等，无线的有UWB和WLAN等。目前，还没有任何一种技术可以单独承担建立整个数字家庭网络的能力，未来看到的将是它们有机的结合。

    1、1394总线提供理想的数字接口

    1394即IEEE 1394，目前有3个相关的标准：

    ·1394-1995。定义的是6引脚线缆和插座，可以在一些台式电脑主板上看到，6根引线中有两对差分线和电源。主机需要提供1.5A/12V的电流，所以基本上只能应用在台式电脑。苹果公司注册的“Firewire”商标多见于这类应用中。

    ·1394a-2000。在1394-1995的基础上发展而来，增加了4引脚线缆和插座的定义，不需要向其他设备提供电源，所以非常适合应用在消费电子产品。索尼公司首先在其数码摄像机产品上使用该接口，商标是“i.Link”。由于1394a是1394-1995的扩展，这里只介绍1394a。1394a需要使用STP5的线缆，即带屏蔽层的5类双绞线，传输距离是4.5m，传输速率有100Mbit/s、200Mbit/s、400Mbit/s3种。
    ·1394b-2002。1394b标准的制定来自于两方面的需求，在PC工业界，电脑外部存储的容量越来越大，需要更为快速的传输速率，1394b将传输速率提高到800 Mbit/s、1600 Mbit/s、3200Mbit/s；在消费电子领域，需要将家用电器连接成网，需求传输距离更长，1394b将传输距离提高到100m，并且提供更多的线缆选择。

    非屏蔽5类双绞线其实就是普通的5类网线，目前正在制定可以支持到S1600的规格，这对在家庭中的应用既方便又实惠。

    1394采用对等传输的方式和公平竞争的原则，连在总线上的设备（节点）都会向总线发送数据，不需要一台主机来控制，这很适合消费电子产品的特点。1394支持异步传输和等时传输，可以即插即用，其中1394b还支持闭环连接方式，对用户更友好。1394采用分层处理的模式，其中物理层和链路层与硬件相关，传输层和应用层与软件相关，比较方便工程师设计。

    2、USB2.0是PC与其外设连接的理想选择

    PC机向外扩展的接口有很多，在其发展的过程中出现了并口、串口、PS-2、红外、ISA、PCI等，这些接口称为传统接口。传统接口发展到今天多多少少已成为系统的瓶颈，速度比较慢、没有统一的标准、成本较高、占用空间，都需要一种方便、简洁和标准化的接口来取代，USB就满足了这些需求。

    USB是通用串行总线的简称，现在的版本是2.0。USB2.0支持3种传输速率：低速（1.5 Mbit/s）全速（12 Mbit/s）和高速（480 Mbit/s）。习惯上把支持低速和全速的USB称为USB1.1，其实今天不应该再有USB1.1的叫法，而应该叫做USB2.0的全速。

    USB采用主从的架构，主机控制所有的数据传输。这非常适合PC机与其外设之间的连接，PC机是主机，PC机强大的处理器和巨量的存储空间可以轻易实现主控制器的硬件和软件，而外设只需要实现它自己的功能，简化了设计也降低了成本。

    一个USB的根接口可以支持127个外设，如果主机上的USB口不够，可以使用集线器来扩展，集线器最多可以有5层，每层之间的线缆长度可以达到5m。目前，很多芯片组都提供多达8个的USB根接口，基本可以满足PC机的外设扩展需求。

    USB的主从架构决定了外设与外设之间无法直接通讯，所以不适合应用在消费电器的互联。USB的主机还需要提供500mA的电流，也不适合应用在手持设备的互联，这是USB OTG标准出现的主要原因。

    3、USB OTG为手持设备的连接提供便利

    在诺基亚、摩托罗拉这些手机制造商的推动下，业界制定了USB OTG标准。OTG是On-The-Go的缩写。USB OTG的基本目标是实现外设与外设之间的连接。

    在实现上，可以把USB OTG简单理解成一个简化的USB主控制器，这个主控制器只需要提供有限的主控功能，而不用像PC机上的主控制器那样，必须有全部的主控功能。USB OTG需要提供的最小电流仅为8mA，这对手机、PDA这些用电池供电的手持设备尤为重要。如果台式设备要读取U盘，它也可以提供更大的电流。

    USB OTG实现点对点（point-to-point）的连接，只能在两个设备间通讯，无法实现联网功能，所以USB OTG是对USB标准的补充，它也无法取代1394在消费电器之间互联的作用。

    4、PCI-Express将为3C融合带来革命

    PC机发展到今天，CPU的时钟越来越快，PCI总线已成为瓶颈，单纯靠加快时钟和加宽数据线的方法已无法满足需求，特别是在PC机内部如此拥挤和复杂的环境中。由于是并行总线，加快时钟和加宽数据线都会带来无法解决的电磁辐射干扰。

    另外，过多的I/O接口也会增加芯片的成本。还有一个问题是PCI的扩展槽在PC机的内部，用户必须关机并打开机箱，插入PCI扩展卡也需要小心翼翼，这对用户不够友好。为此PCI SIG制定了PCI-Express这一新标准。

    PCI-Express是串行总线，采用差分数据线，输入输出各一对，称为一个Lane，用x1表示，输入和输出的传输速率都达到2.5 Gbit/s。还可以根据需要增加Lane数，比如用x16取代了显卡的AGP总线，在南北桥之间使用x4，这些都将在新型台式和笔记本电脑中看到。

    PCI-Express是PCI的延续和继承，在软件上是兼容的，因此系统升级只需要升级硬件部分。

    5、DVI/HDMI连接显示器

    DVI指数字视频接口，HDMI是高分辨率多媒体接口，DVI只支持视频信号，HDMI还支持音频信号。DVI/HDMI实现并串/串并转换，在发送端把并行的音视频信号转换成串行的TMDS信号，在接收端再把TMDS信号还原成音视频信号，这里的音视频信号是指未经压缩的原始信号。

    DVI/HDMI可以支持到UXGA的分辨率，已经超过了高清电视需要的分辨率。DVI可以通过HDCP提供内容保护的功能，而HDMI本身就含有HDCP的内核。基于这两个因素，带HDCP的DVI或HDMI已被美国FCC强制规定必须加在与高清电视有关的电子产品上，例如高清电视机、有线机顶盒、DVD播放机等，欧洲、日本和韩国很快也会有类似的要求，我国可能会先将DVI接口作为一个可选项。

    DVI/HDMI是点对点的连接，其应用范围比较单一，只能用在与显示器有关的产品上，所以在数字家庭网络中属于终端接口。

    家庭网关设备（Residential Gate-way，RG）是整个家庭网络与外部网络发生联系的桥梁，也是数字家庭各种业务和应用的关键。家庭网关是一种简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个设备。

    ITU-T已经将家庭网络纳入到了NGN网络的一部分，而RG将在其中扮演重要的角色。

    家庭网关应具备以下能力：

    ·同时连接多个或不同种类的接入技术，同样家庭网络可以使用多种技术来构建；能够同时处理多种类型的接入网技术和多种类型的网络技术。

    ·家庭网关必须能桥接接入网QoS和家庭网络的QoS；保障访问的内容不依赖于用以传送内容的硬件和传输机制；灵活的支持最新技术，建立在灵活的平台上，能够很容易升级。

    按照业务和应用不同，家庭网关可以分为控制网关、应用网关和数据网关三种类型。

    音频和视频流是应用网关中的重要特性，因为它们使用户可以预订基于Web的服务，如点播和VoIP通话特性。

    通过家庭应用网关可以完成以下业务。家庭上网业务：IPTV业务，包括家庭网关支持视频点播、直播业务及远程教育；网上游戏业务，包括网关设备支持网络游戏终端开展游戏业务；IP电话、可视电话、家庭视频监控业务，控制网关可以实现远程网络上的家庭控制和安全服务管理。例如，拥有家庭控制网关的用户可以在工作或外出期间，访问自动化照明、供热和安全系统。

    家庭控制网关还允许网络服务供应商提供全新的服务程序包，并创造新的收入来源。例如，通过与本地公共事业单位的联合，服务供应商可以安全地向消费者提交能源消耗的形式，并提供日使用定价等多样的通知方式。

    家庭网络首先要解决的问题就是通过有线或无线方式的互联技术，实现家庭网络各信息终端设备和智能家电设备的物理联网。目前家庭网络中的互联技术五花八门，其技术特性及经济性也不尽相同，因此，具体技术的选择将取决于家庭网络支持的业务和应用对带宽、QoS及安全等方面的需求。

    1、现有业务

    数家家庭在短期内能实现IPTV、数字电视等。

    IPTV是指交互式网络电视，是利用宽带网的基础设施，以家用电视机或计算机作为主要终端设备，集互联网、多媒体、通信等多种技术于一体，通过互联网络协议IP向家庭用户提供包包括数字电视在内的多种交互式数字媒体服务的崭新技术。

    在“IP机顶盒+电视机”上将告别单一被动的节目接受，走向集互联网内容、网络游戏、电视节目在内的更为丰富多彩的互动数字娱乐生活。

    数字电视是指从演播室到发射、传输、接收的所有五环节，都使用数字信号或对该系统所有的信号传播都通过数字流来传播的电视。

    数字电视的信息量是普通电视的四五倍，水平清晰度较普通模拟电视提升3倍以上，不但支持未来扫描格式信号，还支持一定行频的有线电视、AV、DVD、逐行DVD、电脑、数码相机、数码摄像机等的信号。

    2、未来的发展

    “数字家庭”不仅为用户提供新的体验，使人们的生活更加便利舒适，而且为已经陷入没落的消费电子和PC制造业创造了令人鼓舞的行业前景。网络带宽的增加、数字终端连接的无缝化、IT设备性能的提高都将为“数字家庭”梦想的早日实现提供必要的技术支持。相信不久以后，数字家庭的时代就将到来，科技即将再次改变生活！

    家庭网络存在的基础是宽带入户、终端的数字化和信息的共享。按照终端的功能，家庭网络由网关和4个子网组成，即娱乐子网、通信子网、工作子网和控制子网。

    数字家庭网络通过家庭网关将公共网络功能和应用延伸到家庭，并以有线网络或无线网络连接各种信息终端（如家电、PC等），提供集成的话音、数据、多媒体、控制和管理等功能，达到信息在家庭内部终端之间及其与外部公网的充分流通和共享。通过数字家庭网络可以实现以下业务和应用：通过与Internet互联，以及机顶盒和电视机或电脑实现VOD点播，并提供基于ASP的海量存储和个性化的信息服务及互动的Internet娱乐游戏等服务。

    实现家庭内部各种信息终端的高速信息共享，如PDA、PC之间的数据共享。通过家庭网关实现远程对各种家用电器设备的控制、调节和监测，比如对微波炉、洗衣机、空调、灯光、电动窗帘、温度和湿度控制器、风量调节器等的控制。

    实现防盗报警器、自动烟雾探测器、有害气体检测装置自动报警并通过网络发送到用户的手机、电子信箱或者小区的管理中心。

    通过在家中安装摄像头，利用家庭网关作为视频服务器，用户在远端通过Internet可以实时监控家庭安全。

    未来宽带网络与数字家庭互相结合后，将会带给使用者在“衣、食、住、行、育、乐”方面极大的便利。举例来说，在“乐”的方面可以提供包括高画质影片欣赏，在线院线电影播放以及随选KTV播放，加上透过遥控器的简易操作接口，提供使用者不同的数字体验。

    “数字家庭”实际上就是数字化的信息产业（包括服务）向终端用户渗透的过程，它将给用户带来人性化娱乐感受、时尚高效的家庭办公方式和互动共享式的生活。

    人性化的家庭娱乐：数字家庭的实现改善人们休闲生活环境乃至娱乐方式，让人们的娱乐生活更为多彩。用户可通过网络游戏、家庭影院、数码电子等来营造家庭娱乐气氛。

    时尚的家庭办公方式：数字家庭的实现使人们的办公效率更高，沟通更为方便，获取信息渠道和内容更为丰富。高性能电脑为用户提供了全新的数字媒体控制方法，无线移动技术则帮助克服了墙壁、出口和线缆的障碍。房间布局、楼层规划、网络连接和电脑本身的位置等将不再成为消费者享受数字办公乐趣的障碍。

    互动共享式的生活：在人们的生活中，信息共享将真正实现数字家庭，无限的沟通、便捷的生活都将成为一种现实。数字家庭将有效利用资源，实现电视、电脑资源共享以达到人们的愿望。比如硬盘上好多照片，可以在电视上“秀”给家人看，其他家庭成员，老人、小孩等能加入电脑用户群体，数码娱乐内容不再是一人独享，那才是真正的家庭生活共享；把所有的图片一网打尽，做成电子相册保存在硬盘上，然后在电视机的大屏幕上，随时与家人、朋友分享，一切美妙尽在掌握之中。

    家庭网络不是独立存在的，对外与宽带电信网连接、对内支撑各个子网设备的使用。家庭网络是电信网络由最后一公里向最后一公尺的延伸，凭借电信网络业务融合的优势可为家庭网络提供端到端的服务内容。

    （1）从运营商角度

    从下图可以看出，家庭网络是传统电信网络延伸入家庭的部分，是电信多业务运营和管理的桥头堡。利用家庭网络，延续和保证传统电信运营商的端到端业务及新业务的落地与运营。图中白色家电指冰箱、空调、洗衣机大型家用电器。 

    （2）从用户角度

    3C融合趋势过程中，保证家庭内IT、消费电子设备、电信终端设备的持续有效工作，和家庭内部3C设备的互联与信息共享。

  传统的集中控制的典型网络对于家庭同样适用，而传统消费电子产品与带宽的限制使各终端采用对等通信的方式。集中控制可解决网络管理问题、DRM问题、QoS问题、安全问题、操作便利性问题。对等通信可解决带宽问题、单故障点问题、网络扩展问题。