CN101645857A - 一种通用的家庭网络与外部网络互联的网关架构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种通用的家庭网络与外部网络互联的网关架构，主要包括外部网络接入模块、协调控制模块、家庭网络设备接口模块和信息库，其中，外部网络接入模块由信令代理、数据代理和管理代理组成，协调控制模块由信息提取与融合器、库管理器、执行控制器、信令适配器、数据适配器和管理适配器组成，家庭网络接口模块由数据媒体子网代理、通信子网代理、家电子网代理，信息库收集时变设备、业务和网络环境等相关信息。采用本发明可屏蔽家庭网络的异构性，方便了家庭网络设备管理、业务实现以及用户使用规则定制等相关工作，提出了一种通用的家庭网络与外部网络互联的家庭网关架构。

Description

一种通用的家庭网络与外部网络互联的网关架构

技术领域

本发明属于网络通信与家庭网络中的计算机技术领域，特别是涉及了一种通用的家庭网络与外部网络互联的网络模型及其在家庭网关上的实现方法。

技术背景

随着IP通信技术、计算机技术和消费类电子技术的不断成熟与发展，相关技术极大地推动了广播电视网、电信网和互联网的业务融合(三网融合)。家庭是接收业务服务的重要场合之一，通信类、计算机类和消费类电子产品都会在家庭网络中获取服务，所以家庭网络是三网融合的重要研究对象之一。

在家庭内部，上述设备联网构成家庭网络已经成为必然趋势。目前，家庭网络技术在IT、家电和通信领域中形成了大量的标准与规范。在IT领域中，以UPnP(通用即插即用)、IGRS(闪联)、OSGi(开放服务网关联盟)为代表。在家电领域中，以echonet协会、CEBus(消费电子总线)、ITopHome(e家佳)为代表。在通信领域，以ETSI(欧洲电信标准协会)和ITU(国际电信联盟)为代表。但是，这三个领域中的家庭网络标准基本上是独立发展的，形成异构的家庭网络。相对家庭网络，外部网络分属于广播电视、电信和互联网，而这三类也基本是平行地发展。在三网融合的趋势下，迫切需要能够屏蔽家庭网络异构性家庭网关架构，对外部网络提供同一的信令、数据和管理接口。

在诸多家庭网关架构研究中，OSGi是非常重要的网关架构之一。OSGi标准主要目的在于使服务提供商通过住宅网关，为各种家庭智能设备提供各种服务。通过对应用程序(称为bundle)远程安装、启动、升级和卸载，实现服务的生命周期，利用bundle的导入和导出实现服务资源的共享。OSGi将针对具体的业务开发具体bundle，基于OSGi实现的家庭网络比较难于提供统一的对外接口。

本专利提出一种基于外部网络接入模块、协调控制模块、家庭网络设备接口模块和信息库的通用的家庭网络与外部网络互联的网关架构，并通过家庭网关上的实现说明了该模型的可行性。

发明内容

本发明的目的是屏蔽家庭网络的异构性，对外部网络提供标准的、开放的控制、数据和管理接口，便于家庭网络设备管理、业务实现以及用户使用规则定制，实现家庭网络与外部网络的无缝互联，从而提供一种通用的家庭网络与外部网络互联的家庭网关架构。

为实现上述发明目的，本发明提供的通用的家庭网络与外部网络互联的网关架构，主要包括外部网络接入模块、协调控制模块、家庭网络设备接口模块和信息库，其中，外部网络接入模块包括：信令代理、数据代理和管理代理，家庭网络接口模块包括：数据媒体子网代理、通信子网代理和家电子网代理；

所述的协调控制模块是家庭网关的中枢控制模块，该模块由信息提取与融合器、库管理器、执行控制器、信令适配器、数据适配器和管理适配器组成；

所述的信息库，用于收集时变设备、业务和网络环境信息；信息库中的信息分为设备信息、业务信息和知识信息，这三类信息被维护在三个独立的信息库中，以便于信息库的维护与更新。

上述技术方案中，所述外部网络接入模块提供统一的外部信令、数据和管理接口，互联多种外部网络。

上述技术方案中，所述的协调控制模块基于信息库的信息，实现外部网络与家庭网络中的数据媒体子网、通信子网以及家电设备子网之间在信令层面、数据层面和管理层面的两两无缝互联。

上述技术方案中，所述的信令代理，用于实现对外部网络的信令控制层面支持，以实现会话控制的发起、建立、撤销及其他控制；

所述的数据代理，用于实现对外部网络数据层面的支持，以实现数据层面的控制，包括缓存管理、队列调度、包标记和拥塞避免；

所述的管理代理，用于实现外部网络管理层面的支持，以实现外部网络对家庭网关的管理接口，所述外部网络对家庭网关的管理接口包括计费接口和服务水平协议接口。

上述技术方案中，所述的家庭网络接入模块，用于提供该网关与家庭网络的数据媒体子网、通信子网和家电设备子网的接口，该家庭网络接入模块包括：数据媒体子网代理、通信子网代理、家电设备子网代理及家庭网络代理管理器。

上述技术方案中，所述的协调控制模块，用于根据所述信息库的信息，适配外部网络接入模块和家庭网络接入模块，在信令层面、数据层面和管理层面上实现外部网络与家庭网络的互联；其中，在信令层面上，实现外部网络与家庭网络之间协议的语义影射和协议重新封装；在数据层面上，实现外部网络与家庭网络之间的流量整形、业务流分类、网络检测和业务流策略控制，以及数据的重新封装；在管理层面上，实现对外部网络对家庭网关的管理功能、服务规则的生成与维护，以及对信息库的管理。

上述技术方案中，所述的信息库包括：设备描述库、业务描述库和知识库；所述的设备描述库存储家庭网络设备属性的描述信息，设备属性包括设备类别、网络处理性能和媒体处理性能；所述的业务描述库存储业务属性的描述信息，业务属性包括业务类别、业务实现所需要的网络性能要求、设备类别与性能要求；所述的知识库存储业务实现相关的经验信息，具体包括用户习惯和家庭网络负载的经验值。

本发明具有如下技术效果：

(1)提供统一的外部接口，可以与多种外部网络实现互联：

在该网关架构中，信令代理、数据代理和管理代理提供相互独立的外部网络的信令接口、数据接口和管理接口，可较好地适应多种外部网络。同时便于融合家庭网络的业务及相关设备研发。

(2)屏蔽家庭网络异构性，与多种家庭网络设备实现互联：

该网络模型分别通过数据媒体子网代理、通信子网代理和家电子网代理提供了数据媒体子网设备、通信子网设备和家电设备子网设备的接入，屏蔽了家庭网络异构性，保证多种家庭网络设备接入外部网络、家庭网络各个子网之间可进行无缝互操作：协调控制模块保证了这三类子网之间的互通以及它们与外部网络之间的互通。描述库、业务描述库和知识库中的信息保证了融合业务的服务质量。

(3)扩展性强

本模型具有较强的网络扩展性、设备扩展性以及业务扩展性，这三方面扩展性描述如下。

该模型体现在对外部网络的支持方面的网络扩展性：信令代理、数据代理和管理代理对外网络提供了独立的控制层面、数据层面和管理层面的代理，方便了对外部网络的扩展支持；该模型体现在对家庭网络的支持方面的网络扩展性：仅需要对数据媒体子网代理、通信子网代理和家电子网代理的上层协议进行扩展；设备扩展性主要体现在该模型对家庭网络内部设备的支持方面：通过对子网代理的更新升级可扩展支持新的子网设备；业务扩展性主要体现在该模型对家庭网络内、外业务的支持方面，通过对业务描述库的扩展可方便地支持业务扩展与升级。

(4)适合于软件的模块化实现

本模型的各个功能模块相互独立，根据扩展性要求可对其进行单独地更新升级任一功能模块，适合于软件的模块化实现。

附图说明

图1为系统模型图；

图2为基于通用的家庭网络与外部网络互联的网关架构的实现架构图；

图3为业务实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的家庭网络与外部网络互联的网关架构主要包括外部网络接入模块、协调控制模块、信息库和家庭网络设备接口模块。其中：

——外部网络接入模块

外部网络接入模块为家庭网关提供统一的外部网络接口，由信令代理、数据代理和管理代理组成。信令代理实现对外部网络的信令控制层面支持，以实现会话控制的发起、建立、撤销及其他控制。数据代理实现对外部网络数据层面的支持，以实现数据层面的控制，如缓存管理、队列调度、包标记和拥塞避免等。管理代理实现外部网络管理层面的支持，以实现外部网络对家庭网关的管理接口，如计费、服务水平协议等接口。

——协调控制模块

协调控制模块是家庭网关的中枢控制模块，基于信息库的信息，实现外部网络与家庭网络中的数据媒体子网、通信子网以及家电设备子网之间在信令层面、数据层面和管理层面的两两无缝互联。在信令层面上，实现协议的语义影射和协议重新封装。在数据层面上，实现流量整形、业务流分类、网络检测和业务流策略控制，以及数据的重新封装。在管理层面上，实现对外部网络对家庭网关的管理功能、服务规则的生成与维护和信息库的管理。

——信息库

开展具有服务质量保障的家庭网络与外部网络融合业务，需要收集时变设备、业务和网络环境等相关信息。把这些信息分类为设备信息、业务信息和知识信息，将这三类信息维护在三个独立的信息库中，即设备描述信息库、业务描述库和知识库等三个数据库，以便于信息库的维护与更新。

(1)设备描述信息库：

设备描述信息库存储时变的家庭网络内部设备属性信息，如设备状态(如在线状态(空闲或忙碌)、下线状态)、类别(如数据媒体类、通信类和家电类)、所支持的协议，以及通过统计方法估计的设备所支持最大的网络带宽、计算能力、缓存能力等。

(2)业务描述库

业务描述库存储家庭网络所支撑的各种业务的相关特征，如业务的类别、资源需求属性、实现方式等。

业务类别可按实时性、数据流向进行分类，如按实时性分为实时业务和非实时业务，按数据流向可以分为单向类业务和交互类业务。

资源需求主要包括业务开展所需的网络资源和计算资源需求，网络资源主要包括带宽、时延、和抖动，计算资源是指处理该业务所需要的计算能力。

业务的实现方式定义了业务数据层面、控制层面和管理层面的具体实现，如数据层面的传输协议、数据封装格式和内容编码方式，控制层面所使用的控制协议，管理层面所使用的管理协议。以及实现业务的源端设备和目的端设备的要求。

(3)知识库

知识库存储了大量的家庭网关所提供服务的规则信息，记录了用户习惯、传感器信息、网络状况(负载)和服务时间等信息到服务规则的映射关系。

——家庭网络接口模块

家庭网络接口模块为各家庭的子网提供外网接入的代理。根据设备和业务属性，分别实现数据媒体子网代理、通信子网代理、家电子网代理以支持家庭网络的数据媒体子网、通信子网和家电子网中的相关设备。

基于本发明的家庭网络与外部网络互联的网关架构，实现融合业务的流程如下：

按业务的发起端和终结端分类，融合业务实现流程主要有三类：(1)融合业务流程A(简称流程A)：发起端在外部网络中，终结端在家庭网络中的某一子网中；(2)融合业务流程B(简称流程B)：发起端在家庭网络中的某一子网中，终结端在外部网络中；(3)融合业务流程C(简称流程C)：发起端在家庭网络中的某一子网中，终结端在家庭网络中的同一子网中或另一子网中。

流程A：首先，外部网络设备与信令代理建立起会话控制连接，信令代理将外部发来的控制信令转换成业务请求描述，并转发给协调控制模块；然后，协调控制访问业务描述库，获得该业务支撑设备的需求描述、网络资源需求描述，协调控制模块访问设备描述库获得目前家庭网络中各个设备的状态描述。协调控制模块利用上述的业务描述信息、设备描述信息和知识库信息，提取融合业务的接纳控制信息和资源分配策略；接下来，协调控制模块根据业务的接纳控制信息做出决定：拒绝还是允许该业务请求。如果是拒绝该业务请求，那么通过信令代理返回拒绝该业务请求的信令。如果是允许该业务请求，协调控制模块根据资源分配策略完成资源的分配，同时将业务发起信令进行解析、映射、重新按子网协议进行再封装，转发给指定的家庭网络的子网设备。反过来，该家庭网络的子网设备的应答信息经过协调控制模块的解析、映射、外部网络的协议封装，信令代理再把应答协议转发给外部网络设备，以完成业务建立流程。在完成业务流程建立后，数据代理接收外网数据信息、转发给协调控制模块，协调控制模块对数据流进行缓存、按家庭网络的子网要求重新封装、按子网流量要求整形转发，反之，来自子网的数据经过协调控制模块、数据代理转发到外部网络中。

外部网络的管理设备与管理代理对接，协调控制模块接收管理代理发送来的管理信息，然后对管理信息进行解析处理，将其设置到设备描述库、业务库和知识库中。

流程B：首先，家庭网络的子网设备与其所对应的子网代理建立起会话控制连接，子网代理将子网设备发来的信令转换成业务请求描述，并转发给协调控制模块；然后，协调控制访问业务描述库，获得该业务支撑设备的需求描述、网络资源需求描述，协调控制模块访问设备描述库，获得业务所涉及外部网络设备状态描述。协调控制模块利用上述的业务描述信息、设备描述信息和知识库信息，，提取融合出业务的接纳控制信息和资源分配策略；接下来，协调控制模块协调控制模块根据业务的接纳控制信息做出决定：拒绝还是允许该业务请求。如果是拒绝该业务请求，那么通过信令代理返回拒绝该业务请求的信令。如果是允许该业务请求，协调控制模块根据资源分配策略完成资源的分配，同时将业务发起信令进行解析、映射、重新按子网协议进行再封装，转发给信令代理，信令代理向外部网络发出业务请求，由外部网络进行处理，寻址相应的外网设备。反过来，该外网设备的应答信息经过协调控制模块的解析、映射、外部网络的协议封装，相应的子网代理再把应答协议转发给业务发起子网络设备，以完成业务建立流程。在完成业务流程建立后，数据代理接收外网数据信息、转发给协调控制模块，协调控制模块对数据流进行缓存、按家庭网络的子网要求重新封装、按子网流量要求整形转发，反之，来自子网的数据经过协调控制模块、数据代理转发到外部网络中。

子网网络的管理设备可与子网代理对接，协调控制模块接收子代理发送来的管理信息，然后对管理信息进行解析处理，将其设置到设备描述库、业务库和知识库中。

流程C：首先，家庭网络的子网设备与其所对应的子网代理建立起会话控制连接，子网代理将子网设备发来的信令转换成业务请求描述，并转发给协调控制模块；然后，协调控制访问业务描述库，获得该业务的支撑设备需求描述、网络资源需求描述，协调控制模块访问设备描述库，获得业务所涉及家庭网络设备状态描述。协调控制模块利用上述的业务描述信息、设备描述信息和知识库信息，提取融合出业务的接纳控制信息和资源分配策略；接下来，协调控制模块根据业务的接纳控制信息做出决定：拒绝还是允许该业务请求。如果是拒绝该业务请求，那么通过信令代理返回拒绝该业务请求的信令。如果是允许该业务请求，协调控制模块根据资源分配策略完成资源的分配，同时将业务发起信令进行解析、映射、重新按子网协议进行再封装，转发给相应的子网代理。反过来，目的子网设备的应答信息经过协调控制模块的解析、映射、外部网络的协议封装，该子网代理再把应答协议转发给业务发起子网络设备，以完成业务建立流程。在完成业务流程建立后，子网代理接收源子网数据信息、转发给协调控制模块，协调控制模块对数据流进行缓存、按目的子网要求重新封装、按子网流量要求整形转发，反之，来自目的子网的数据经过协调控制模块、数据代理转发到源子网中。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行说明。

图2给出了基于通用的家庭网络与外部网络互联的网络模型的家庭网关实现架构图。该网关架构包括硬件层、基础软件层和互联模型层。

以下是家庭网关的具体实现：

硬件层为网关提供基础的硬件平台，需要为外部网络和家庭网络提供灵活、高效的外部接口。该网关的中央处理器可选用通用的处理器，也可选用专用的网络处理器。外围接口应该至少包括以太网络接口、PCI/PCI-E接口、USB接口，通过这三类接口可以灵活地扩展家庭网络和外部网络所需的各种接口。

基础软件层主要包括板级支持包、操作系统和基础协议等三个部分。板级支持包为上层软件提供硬件抽象，保证操作系统及其以上软件对硬件的正常访问。操作系统负责支撑应用程序多任务的运行环境。基础协议主要包括IP/TCP协议栈、HTTP协议栈、UPnP协议栈、闪联协议、e家佳协议、X.10协议、会话初始化协议(SIP)等协议，基础协议与互联模型层是相互独立的，可随着网络所支持协议要求进行灵活扩展。

互联模型层包括外部网络接入模块、家庭网络接入模块、协调控制模块、信息库。各个组成部分的描述如下：

(1)外部网络接入模块：提供该网关与外部网的信令接口、数据接口和管理接口，主要包括信令代理、数据代理、管理代理及外部网络代理管理器。网关利用信令代理、数据代理和管理代理实现与外部网络的互通与互操作。外部网络代理管理器提供代理的管理容器，保证各个代理实现的独立性。根据外部网络要求，可灵活更新信令代理、数据代理和管理代理，以支持对外部网络扩展性的要求。

(2)家庭网络接入模块：提供该网关与家庭网络的数据媒体子网、通信子网和家电设备子网的接口，主要包括数据媒体子网代理、通信子网代理、家电设备子网代理及家庭网络代理管理器。网关利用媒体子网代理、通信子网代理、家电设备子网代理实现与家庭网络设备的互通与互操作。家庭网络代理管理器提供代理的管理容器，保证各个代理实现的独立性。根据家庭网络要求，可灵活更新数据媒体子网代理、通信子网代理、家电设备子网代理，以支持对家庭网络扩展性的要求。

(3)协调控制模块：通过对网关的知识库、业务描述库和设备描述库的提取与融合，以生成执行策略(即接纳控制信息和资源分配策略)，适配外部网络接入模块和家庭网络接入模块，实现外部网络与家庭网络的互联。该模块由信息提取与融合器、库管理器、执行控制器、信令适配器、数据适配器和管理适配器组成。信息提取与融合器通过库管理器提取外部网络与家庭网络互联业务所需的设备描述信息、业务描述信息和知识信息，并对这些信息进行融合处理以生成执行策略。执行控制器利用执行策略协调控制信令适配器、数据适配器和管理适配器，保证外部网络和家庭网络的互联互通，同时保证业务的服务质量。库管理器负责对知识库、业务描述库和设备描述库进行操作、管理与维护，实现对库信息动态地提取、添加、删除和修改操作。信令适配器负责外部网络与家庭网络之间、家庭网络内部的信令协议互通。数据适配器负责外部网络与家庭网络之间、家庭网络内部的数据速率和封装的匹配。管理适配器负责外部协调外部网络和家庭网络之间、家庭网络内部的业务管理。

(4)信息库：包括了设备描述库、业务描述库和知识库。设备描述库存储家庭网络设备属性的描述信息，设备属性包括设备类别、网络处理性能和媒体处理性能。业务描述库存储业务属性的描述信息，业务属性包括业务类别、业务实现所需要的网络性能要求、设备类别与性能要求。知识库存储业务实现相关的经验信息，具体包括用户习惯和家庭网络负载的经验值。

下面结合一个实例论述本发明的技术内容：

参考图3，外部网络业务发起业务信令，本家庭网关的外网信令代理接收业务信令并将其转换成业务描述，然后传递地协调控制模块的信令适配器；信令适配器将业务描述提交给信息融合与决策器；信息融合与决策器根据业务描述向库控制器发出信息提取命令；库控制器器根据信息提取命令从知识库、业务描述库和设备信息库中提取信息，然后将这些信息提交给信息融合与决策器；信息融合与决策器根据库控制器提供的信息做信息融合处理以产生执行策略(即接纳控制信息和资源分配策略)，并将执行策略发给执行控制器；执行控制器根据执行策略控制三个适配器：完成信令适配、数据适配和管理适配，将适配后的信令转发给相应的子网代理，建立起业务会话连接；同时数据适配器和管理适配器对业务数据和管理信息进行适配，保证业务高质量地开展。

需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1、一种通用的家庭网络与外部网络互联的网关架构，主要包括外部网络接入模块、协调控制模块、家庭网络设备接口模块和信息库，其中，外部网络接入模块包括：信令代理、数据代理和管理代理，家庭网络接口模块包括：数据媒体子网代理、通信子网代理和家电子网代理；

所述的协调控制模块是家庭网关的中枢控制模块，该模块由信息提取与融合器、库管理器、执行控制器、信令适配器、数据适配器和管理适配器组成；

所述的信息库，用于收集时变设备、业务和网络环境信息；信息库中的信息分为设备信息、业务信息和知识信息，这三类信息被维护在三个独立的信息库中，以便于信息库的维护与更新。

2、根据权利要求1所述的家庭网络与外部网络互联的网关架构，其特征在于，所述的外部网络接入模块提供统一的外部信令、数据和管理接口，用于互联多种外部网络。

3、根据权利要求1所述的家庭网络与外部网络互联的网关架构，其特征在于，所述的协调控制模块基于信息库的信息，实现外部网络与家庭网络中的数据媒体子网、通信子网以及家电设备子网之间在信令层面、数据层面和管理层面的两两无缝互联。

4、根据权利要求1所述的家庭网络与外部网络互联的网关架构，其特征在于，所述的信令代理，用于实现对外部网络的信令控制层面支持，以实现会话控制的发起、建立、撤销及其他控制；

所述的数据代理，用于实现对外部网络数据层面的支持，以实现数据层面的控制，包括缓存管理、队列调度、包标记和拥塞避免；

所述的管理代理，用于实现外部网络管理层面的支持，以实现外部网络对家庭网关的管理接口，所述外部网络对家庭网关的管理接口包括计费接口和服务水平协议接口。

5、根据权利要求1所述的家庭网络与外部网络互联的网关架构，其特征在于，所述的家庭网络接入模块，用于提供该网关与家庭网络的数据媒体子网、通信子网和家电设备子网的接口，该家庭网络接入模块包括：数据媒体子网代理、通信子网代理、家电设备子网代理及家庭网络代理管理器。

6、根据权利要求1所述的家庭网络与外部网络互联的网关架构，其特征在于，所述的协调控制模块，用于根据所述信息库的信息，适配外部网络接入模块和家庭网络接入模块，在信令层面、数据层面和管理层面上实现外部网络与家庭网络的互联；其中，在信令层面上，实现外部网络与家庭网络之间协议的语义影射和协议重新封装；在数据层面上，实现外部网络与家庭网络之间的流量整形、业务流分类、网络检测和业务流策略控制，以及数据的重新封装；在管理层面上，实现对外部网络对家庭网关的管理功能、服务规则的生成与维护，以及对信息库的管理。

7、根据权利要求1所述的家庭网络与外部网络互联的网关架构，其特征在于，所述的信息库包括：设备描述库、业务描述库和知识库；所述的设备描述库存储家庭网络设备属性的描述信息，设备属性包括设备类别、网络处理性能和媒体处理性能；所述的业务描述库存储业务属性的描述信息，业务属性包括业务类别、业务实现所需要的网络性能要求、设备类别与性能要求；所述的知识库存储业务实现相关的经验信息，具体包括用户习惯和家庭网络负载的经验值。

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