清华大学建筑技术科学系 常东来 江 亿
1 家庭网关的定义 智能家庭网络是信息时代带给人们的又一个高科技产物。它借助现有的计算机网络技术，将家庭内各种家电和设备连网，通过网络为人们提供各种丰富、多样化、个性化、方便、舒适、安全和高效的服务。家庭网络化也是整个社会信息化的一个重要的部分。智能家庭网络系统的基本结构见图1所示。实现家庭内部信息与家庭外部信的交换，无疑是家庭连网的目的所在。它的实现需要设计一个理想的家庭网关。 家庭网关应具备的两个主要功能
是： (1)作为所有外部接入网连接到家庭内部，同时将家庭内部网络连接到外部的一种物理接口； (2)使住宅用户可以获得各种家庭服务（包括现有的服务和未来可能出现的服务）的平台。 不同的人或不同的厂商对家庭网关有着不同的定义。Residential Gateway Group（RG）是一个在1995年建立的正式的工业论坛组织，它率先采用家庭网关来代表一个集中式智能接口，将外部的家庭接入网络和家庭内网络联系起来。 RG的家庭网关定义为：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费设备。借助引入家庭网关的概念，希望能够为集成不同的外部网络和丰富新的应用提供一个有效的途径。 在过去的几年当中，许多生产厂商的努力共同推动家庭网关走出了其概念阶段。同时，家庭网关被用于代表不同类型的产品，因此也引起了一些混淆。其中已有的部分产品包括：网络接口单元/设备（如电话接口盒）、DSL调制解调器、电缆调制解调器、机顶盒、结构布线系统的Hub、增强的PC机、结合家庭网络解决方案的宽带调制解调器，提供某些专门服务的特殊家庭设备，以及RG所推崇的整个家庭网关产品等。 Cisco System公司的家庭网关定义是：一个在家庭内的网络化信息设备与智能宽带接入网之间的智能化网关。2Wire公司的家庭网关定义是：一种将家庭网络无缝连接到宽带网络，使所有家庭内连网设备同时享有高速连接的设备。上面这两种定义都认为家庭网关是一种将外部宽带网络与家庭内部网络连接的设备。 Parks Associates认为家庭网关应是：连接一个外部网络或多个接入网络，通过某种类型的家庭网络分配服务给一个或多个设备的设备。即一个集中式整个家庭的网关才能视为一个真正的网关。但由于现有一些产品已具备其中的某些功能，而且目前存在许多不同的观点，因此家庭网关应有一个比较广义或普遍的意义上的定义。
2 家庭网关所实现的应用及其产品 家庭网关的基本类型见图2。 不同的家庭网关可以提供不同水平和类别的应用。由RG定义的家庭网关设备可以使家庭消费者使用几乎所有主要的应用。如TIA制造的家庭网关可以满足以下几类应用：远程通讯、Internet接入、远程教育、远程医疗、可视电话、家电管理和集成、安全系统管理、家庭能源调节和管理、自动计量读表、邻里无绳漫游电话、视频传送和分配、虚拟VCR和视频点播、视频交互通讯、CD点唱机、在线广告和电子公告。 集中式网关倾向于在一个宽带网络上集成视频、音频和语音应用，如高级的机顶盒产品、
Motorola的DCT－5000、Scientific－Atlanta的Explorer2000、NextLevel Communication的LP系列N3家庭网关。前两种允许通过HFC提供集成化服务，最后一种一般应用于VDSL网络，可为不同终端设备提供声音、视频和数据信号。近来市场上出现一种新型集中式网关，它集成了一个宽带Modem（DSL或Cable Modem）和一个家庭网络解决方案（如HomePNA或HomeRF的解决方案）。这样的网关有Cisco System公司的Internet 家庭网关，2Wire公司的HomePortal，ShareGate公司的ISIS/Jupiter网关，以及Caymen System公司的3220HW网关。 大多数专用服务网关和瘦服务器网关所允许的应用被限制在特定的应用类型，诸如Internet接入，电话，能量管理，和家庭控制与安全。新出现的瘦服务器网关可以允许多种类型的应用。例如Ericsson公司的e－box，被设计用于能源管理、家庭自动化、家庭护理、家庭安防，以及共享Internet接入。其他的专用和瘦服务器网关包括Coactive Networks公司的Connect2000和3000系列，Emerald Gateway公司的ESG400，Sage System公司的Aladn网关节点等。 随着新的家庭网关产品的不断出现，不同类型的应用集中于一个装置将是家庭网关研究和开发的未来趋势。
3 家庭网关的标准 许多公司都开发了自己的家庭网关产品。然而开发出更多复杂的和具有兼容性的家庭网关，迫切要求制定相应的家庭网关标准。目前已有的相关标准见下表所示。 开放服务网关组织（OSGi）当前正在制订他们称之为服务网关的规范。该规范包含的技术的主要特点是：需要开放的和独立的平台；目标是成为一个标准；应有较高的独立性和保密性；应支持不同类型的家庭连网协议；应具有较高的可靠性。 OSGi标准实质上是一系列API（应用编程接口）的集合。这些API包括核心的API和可选的API，它们共同构成了OSGi的网关规范。如果必要，OSGi可以使用已有的Java标准，其重点是如何集成这些相关的标准。 核心的API执行服务传输、从属和周期管理、资源管理以及远程服务管理。所有核心的API可由开发人员或OSGi的技术工作组来完成。 可选的API定义了向一个基于HTTP Web服务器输出资源的机制、客户机与网关的交互作用以及数据管理。 值得指出的是OSGi提供了一种简单的会员制，会员是所有盈利或非盈利公司、政府、组织教育机构，或其他支持OSGi目标的企业。目前已有许多著名公司成为OSGi的会员: AMD, Cisco Systems, Coactive Networks, Compaq, Deutsche Telekom, Domosys, Echelon, emWare, Enikia, Ericsson, France Telecom, Hewlett－Packard, IBM, Motorola, National Semiconductor, Nokia, Oracle, Philips, Schneider Electric, Sharp, Siemens, Sony, ST Microelectronics, Sun Microsystems, Sybase, Tokyo Electric Power, Toshiba等。 家庭网关接口的有效的解决方案，当前比较统一的观点是开发一个集中式网关，然而这只是最终的期望。因为不同的外部接入网络的特点不同，不同的服务提供商有不同的商业模式，存在不同的已有的或正在研发的网络接口设备，它涉及许多不同的技术或商业问题，因此在不远的将来是不会有一个单一的家庭网关解决方案出现。另一方面，尽管一个分布式或多个网关的方案也有许多支持者、制造商和服务提供商，但其同时也面临着集成网关方案的挑战。最终，一个整个家庭集中式网关将提供一个最有效的桥接外部网络和家庭网络或设备的解决方案。
4 家庭网关的应用前景 家庭网关的应用将会是大量的。其最大和最多的应用是在家庭内多个PC同时共享一个宽带网络接入。例如，家中的小孩可以接入Web来学习学校的课程，同时另外一个家庭成员可以同时进行网上购物。多个人可以同时进行网络操作，而不需要等待其他人完成操作。 家庭网关的应用不仅仅是高速Internet的接入,未来的宽带接入进入家庭后，将会带来更多的服务内容，不仅是Internet的接入，还有混合视频和音频信息流的可视电话，以及其它交互形式的娱乐服务，如网络游戏等。家庭网关将执行智能化的路由算法，把这些信息流（数据）分配给各种电话、智能电器、数字电视和音响等设备。例如，高级的家庭网关可以使用呼叫者ID信息来发送电话呼叫给家庭内某个电话，儿童的电话只能送到他们的房间，或晚上10点以后的电话呼叫（不包括紧急电话）只能送到远离卧室的地方。 上述技术如何应用到家庭内存在着许多新的发展趋势。首先是高速宽带Internet接入进入家庭。当前大约有1％的美国家庭拥有DSL、Cable调制解调器，到1999年末有超出1百万的美国家庭安装。Forrester 研究机构预计到2003年将有超出2千万美国家庭拥有通过DSL或Cable调制解调器的宽带接入。 其次，连网家庭的数目到2002年也将快速增长。Jupiter 通讯公司预计届时将有1千5百万的家庭网络。家庭网络的发展趋势将因家庭内存在多个PC，以及其他电气设备的使用而得以加速。在1999年，有60％新的PC购买是来自已有一个PC的家庭。目前已有大约15％的美国家庭拥有多个PC。