CN101984611A - 一种基于ip网络的数字家庭公共网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于IP网络的数字家庭公共网关。该数字家庭公共网关包括：接入模块、基本功能模块、操作系统模块、硬件层模块；所述接入模块，用于实现数字家庭公共网关与外部IP网络以及家庭内部网络的连接；所述基本功能模块，用于提供数字家庭公共网关的基本功能；所述操作系统模块，用于负责管理数字家庭公共网关的各项功能，对相应设备进行控制；所述硬件层模块，用于提供与外部网关交互、联系的各种接口。本发明提供的技术方案能够利用目前的IP网络使数字家庭中的网络设备通过数字家庭公共网关进行互连互通并且与外部网络进行通信。

Description

一种基于IP网络的数字家庭公共网关

技术领域

本发明涉及数字家庭技术领域，具体涉及一种基于IP网络的数字家庭公共网关。

背景技术

伴随着广播电视网、电话网，互联网的飞速发展，三网融合的概念已经引起学术界和产业界越来越多的关注，三网融合已经成为未来信息网络发展的必然趋势。应当指出的是，三网融合在现有的技术水平和产业情况下并不是指三大网络在物理形态的融合，或者以某种网络取代其它网络的存在。目前的三网融合应该是指业务层面的融合，即借助现有网络技术，尤其是IP技术，在一个具体网络的应用层上可以同时开展数据、语音、和视频等多种不同业务，向人们提供全方位的网络信息服务，即为国际上通称的Triple Play(三重服务)。

随着三网融合的不断发展，基于IP网络进行数字家庭互动应用和服务的开发成为未来的一个发展趋势。因此，采用IP网络的接入方式也将不断发展和普及。数字家庭公共网关作为数字家庭的多媒体中心和设备管理中心，需要为家庭内部设备提供外部网络的访问出口，因此也需要支持基于IP网络的接入和通信方式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于IP网络的数字家庭公共网关，能够利用目前的IP网络使数字家庭中的网络设备通过数字家庭公共网关进行互连互通并且与外部网络进行通信。

本发明提供一种基于IP网络的数字家庭公共网关：

所述数字家庭公共网关包括：接入模块、基本功能模块、操作系统模块、硬件层模块；

所述接入模块，用于实现数字家庭公共网关与外部IP网络以及家庭内部网络的连接；

所述基本功能模块，用于提供数字家庭公共网关的基本功能；

所述操作系统模块，用于负责管理数字家庭公共网关的各项功能，对相应设备进行控制；

所述硬件层模块，用于提供与外部网关交互、联系的各种接口。

所述接入模块包括有线接入模块和无线接入模块；

其中，所述有线接入模块包含直接接入模块、IP隧道模块、PPP隧道模块、路由接入模块、多协议标签交换MPLS方式模块；

所述无线接入模块包括站点、基本服务单元、分配系统、接入点、扩展服务单元、关口六个子模块。

所述直接接入模块直接接入IP网络；

所述IP隧道模块的具体形式包括：根据起源地验证、无连接数据的完整性验证、数据内容的机密性、抗重播保护、有限的数据流机密性保证；

所述PPP隧道模块，使用第二层隧道协议L2TP构成用户到ISP的一个PPP会晤的隧道，即一个PPP会话在隧道间传输，在第二层采用包交换形式或采用电路交换形式；

所述路由接入模块中，接入点可以是一个第三层路由器或虚拟路由器；

所述多协议标签交换MPLS模块中，接入点是一个MPLS的ATM交换机或具有MPLS功能的路由器。

所述站点作为网络最基本的组成部分，具有为鉴权、结束鉴权、隐私、MAC数据传输的功能；

所述基本服务单元是用来描述站点的集合，包括两种类型：IBSS独立基本服务单元和基础设施基本服务单元；

所述分配系统用于连接不同的基本服务单元，分配系统具有联接、结束联接、分配、集成、再联接功能；

所述接入点是提供无线站点和有线网络的连接点的设备，接入点具有接收无线局域网的无线电信号的功能；

所述扩展服务单元具备增强无线网的覆盖范围的功能；

所述关口是一个逻辑层，关口具备将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来的功能。

所述基本功能模块提供的功能包括：支持网络应用、通信应用、接收管理、设备管理、软件在线升级、扩展功能。

所述基本功能模块提供的网络应用功能中，包括数字转发功能；

对于数据转发，包括：

支持路由工作模式、桥接工作模式或桥接路由混合工作模式；

在路由工作模式下，支持静态路由；

在路由工作模式下，支持动态路由，支持RIP v1/v2；

在桥接工作模式下，支持IEEE 802.1d透明桥协议；

在桥接路由混合工作模式下，分别支持路由工作模式下和桥接工作模式下的功能。

所述操作系统模块提供的功能包括：进程管理、记忆空间管理、文件系统、网络通讯、安全机制、驱动程序。

所述硬件层模块支持不同控制网络协议和多媒体网络协议；

所述硬件层模块提供的接口包括：以太网接口、无线局域网接口、无线家庭控制网络接口、有线家庭控制网络接口、音视频流输出接口。

上述技术方案可以看出：本发明实施例采用的一种基于IP网络的数字家庭公共网关，包括了接入模块(包括有线接入模块和无线接入模块)、基本功能模块、操作系统模块、硬件层模块，可以实现不同功能，能够利用目前的IP网络使数字家庭中的网络设备通过该数字家庭公共网关进行互连互通并且与外部网络进行通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的数字家庭公共网关结构示意图；

图2是本发明的数字家庭公共网关中的有线接入模块的参考模型示意图；

图3是本发明的数字家庭公共网关中的无线接入模块的参考模型示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种基于IP网络的数字家庭公共网关，能够利用目前的IP网络使数字家庭中的网络设备通过该数字家庭公共网关进行互连互通并且与外部网络进行通信。

以下结合附图对本发明技术方案分别进行详细说明。

如图1所示是本发明的数字家庭公共网关结构示意图。

基于IP网络的数字家庭公共网关主要包括：接入模块、基本功能模块、操作系统(OS)模块、硬件层模块。

一：接入模块

接入模块，用于实现与外部IP网络以及家庭内部网络的连接。可以包括两种接入方式：有线接入方式和无线接入方式。其中，有线接入方式包括直接接入、IP隧道、路由接入、多协议标签交换(MPLS)模块、PPP隧道方式。

接入模块包括有线接入模块和无线接入模块。

(一)有线接入模块

图2是本发明的数字家庭公共网关中的有线接入模块的参考模型示意图。

如图2所示，有线接入模块包含直接接入模块、IP隧道模块、PPP隧道模块、路由接入模块、多协议标签交换(MPLS)方式模块。

1)直接接入模块

用户直接接入IP网络，此时IP接入网仅有二层，即IP接入网中仅有一些级联的传送系统，而没有IP和PPP等处理功能。此方法简单，是目前采用的较多的IP接入方式。

2)IP隧道模块

具体形式包括：根据起源地验证；无连接数据的完整性验证；数据内容的机密性；抗重播保护；有限的数据流机密性保证等。

由于L2TP本身并不提供任何安全保障，仅提供较弱的安全机制，并不能对隧道协议的控制报文和数据报文提供分组级的保护，采用IP隧道来保护通道安全，同时也能实现非IP数据的保护。L2TP对第二层包进行通道处理。它们对第三层协议来说，就可以用通道处理来实现，如果事实上一个第二层的VPN已经建立起来了，两个异种网通过外部网络从逻辑上连接到目的地，然后可用IP隧道来保护这个第二层的VPN，并提供必要的机密性保证。这就是第三种接入方式IP隧道，它可有效地保护数据包的安全。

3)PPP隧道模块

从该节点至ISP使用第二层隧道协议(L2TP)构成用户到ISP的一个PPP会晤的隧道，即一个PPP会话在隧道间传输，第二层既可采用包交换形式，也可以采用电路交换形式，但无论如何要传送的数据都从一个物理实体定址到另一个，并不存在路由跨越的概念，可以认为是以点到点形式进行的，是一种仿真连接技术。用户可以通过PPP层选择ISP。

4)路由接入模块

接入点可以是一个第三层路由器或虚拟路由器。该路由器负责选择IP包的路径和转发下一跳。路由方式包括基于ISDN的连接和基于FR及租用专线的连接，支持FR、IP/IPX、PIP/RIP2、OSPF、IGRP等协议。

5)多协议标签交换(MPLS)模块

接入点是一个MPLS的ATM交换机或具有MPLS功能的路由器。

目前MPLS为IP overATM的标准，MPLS的许多控制选项都有明确的规定，公用的ATM网络引入了MPLS的技术方案。

移动IP主要定义了三个主要功能实体：

(1)移动节点，是一台主机或路由器，它在切换链路时从一条链路到另一条链路不改变它的IP地址，也不中断正在进行的通信。

(2)住地代理(Home Agent)，它是一台路由器，有一个端口连接在移动节点的住地链路上，这个端口截获所有发往移动节点住地地址的数据包，并通过隧道将它们送到移动节点最新报告的转交地址上。

(3)外地代理(Foreign Agent)。这是一台有一个端口在移动节点的外地链路上的路由器，它帮助移动节点完成移动检测，并向移动节点提供路由服务，例如在移动节点使用外地代理转交地址时对通过隧道到达的IP包进行拆封。

(二)无线接入模块

无线接入模块的主要功能是接收外部无线信号。同时，将数字家庭公共网关的信息，处理后转换成对家电的控制或查询信息。

图3是本发明的数字家庭公共网关中的无线接入模块的参考模型示意图。

如图3所示，无线接入模块包括站点、基本服务单元、分配系统、接入点、扩展服务单元、关口六个子模块。

1)站点

站点是网络最基本的组成部分，提供了一个连接到一个固定的分销系统。站点具有为鉴权、结束鉴权、隐私、MAC数据传输的功能。

2)基本服务单元

基本服务单元是指是用来描述站点的集合。基本服务单元应有两种类型，IBSS独立基本服务单元和基础设施基本服务单元。IBSS独立基本服务单元之间可以独立的交互，不需要任何基础设施；而基础设施基本服务单元由站点和接入点AP组成。

3)分配系统

分配系统用于连接不同的基本服务单元。分配系统具有联接、结束联接、分配、集成、再联接功能。

4)接入点

接入点是提供无线站点和有线网络的连接点的设备，接入点具有接收无线局域网的无线电信号的功能。

5)扩展服务单元

扩展服务单元ESS具备增强无线网的覆盖范围的功能，使越来越多的站点需要更有意义的放置在网络环境中去提高接入点的密度。

6)关口

是一个逻辑层，关口具备将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来的功能。

二、基本功能模块

基于IP网络的数字家庭公共网关的基本功能模块，提供基本业务功能，即至少包括支持网络应用、通信应用、接收管理、设备管理、软件在线升级、扩展功能等功能。

1)网络应用

基于IP网络的数字家庭公共网关至少具备了数据转发、IP网络与非IP网络互联和拓扑管理网络应用功能。

对于数据转发，包括：支持路由工作模式、桥接工作模式或桥接路由混合工作模式；在路由工作模式下，支持静态路由；在路由工作模式下，支持动态路由，支持RIP v1/v2；在路由工作模式下，支持NAT，NAPT，符合RFC2663、RFC3022协议规范；在桥接工作模式下，支持IEEE 802.1d透明桥协议；在桥接路由混合工作模式下，分别支持路由工作模式下和桥接工作模式下的相关功能。

2)通信应用

通信应用应包括实现数据广播和数字广播。

数据广播是把数据化的音频、视频、图像、动画、软件包括以及计算机文件等各种数据信息通过数字电视广播信道以“推送”的方式传输；

数字广播是指将数字化了的音频信号、视频信号，以及各种数据信号，在数字状态下进行各种编码、调制、传递等处理。

3)接收管理

接收管理的核心是加扰和加密，基于IP网络的数字家庭公共网关具有解扰和解密功能，具体的，涉及以下方面：

数字权限管理：数字权限管理(DRM)技术一般解决两个方面的问题，一是加密传输，防止内容被窃取或篡改，二是拷贝管理，防止非法拷贝。在数字家庭公共网关参与的情况下存在媒体内容的复制问题，因此可以制定新的DRM系统加入媒体格式转换和传输适配的支持，或者扩展已有的DRM系统，以支持媒体格式转换和传输适配。

密钥管理：基于IP网络的数字家庭公共网关支持密钥管理。

认证：基于IP网络的数字家庭公共网关可以对设备进行设备认证，以验证该设备是否具有合法使用业务的权限，还可以对用户身份进行认证，以保证用户是合法的。某些业务需要认证用户的身份，只有用户提供合法的帐号和密码才可以使用业务，并在认证后始终在同一设备上使用业务。认证过程需要的信息包括：帐号和密码。用户需通过密码操作，才能对网关或设备进行配置或管理。

4)设备管理

某些业务需要对设备进行认证，只有经注册的合法设备才可以使用该业务。认证过程可能需要设备拥有或提供的信息包括：设备认证密钥；设备认证证书；设备唯一标识符。

6)扩展功能

不同的生产商可根据各自产品具体的需求，利用产品的扩展功能对产品功能进行扩展。

三、操作系统模块

基于IP网络的数字家庭公共网关的操作系统模块，负责管理该数字家庭公共网关的各项功能，对相应设备进行控制。即至少应实现进程管理、记忆空间管理、文件系统、网络通讯、安全机制、驱动程序这几项功能。

1)进程管理

进程管理主要提供进程调度、管理功能。是为了提高CPU的利用率而协调多道程序之间的关系，使CPU得到充分的利用。

2)记忆空间管理

记忆空间管理提供寻找可用的记忆空间、配置与释放记忆空间以及交换内存和低速储存设备的内含物等功能。

3)文件系统

文件系统是操作系统用于明确磁盘或分区上的文件的方法和数据结构；即在磁盘上组织文件的方法。也指用于存储文件的磁盘或分区，或文件系统种类。

4)网络通讯

网络通讯设备对图形和文字等形式的资料进行采集、存储、处理和传输等，使信息资源达到充分共享的技术。

5)安全机制

身份认证机制：是证明某人或某个对象身份的过程，是保证系统安全的重要措施。

访问控制机制：是计算机安全领域一项传统的技术，其基本任务就是防止非法用户进入系统及合法用户对系统资源的非法使用。

自主访问控制：在这种机制下，文件的拥有者可以指定系统中的其他用户对其文件的访问权。

强制访问控制：指用户与文件都有一个固定的安全属性，系统用该安全属性来决定一个用户是否可以访问某个文件。

最小特权管理机制：在完成某种操作时赋予每个主体必不可少的特权。

安全审计机制：审计是为系统进行事故原因的查询、定位、事故发生前的预测、报警、事故之后的实时处理提供详细、可靠的依据支持。

7)驱动程序

是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序，可以说相当于硬件的接口，操作系统只有通过这个接口，才能控制硬件设备的工作。

四：硬件层模块

基于IP网络的数字家庭公共网关，可以采用各种方式连接家庭网络。硬件层模块提供各种接口，家庭网络接口根据需要支持各种控制网络协议和多媒体与数据网络协议。

其中，提供的接口包括：以太网接口、无线局域网接口、无线家庭控制网络接口、有线家庭控制网络接口、音视频流输出接口。

其中：

1)以太网接口

数字家庭公共网关可提供2个以上全双工10/100Mbps自适应以太网接口。以太网接口应遵循IEEE Std 802.3 TM-2002标准要求，支持自适应连接网络的功能。

2)无线局域网接口

数字家庭公共网关的无线局域网，可以支持GB 15629.1102-2003、GB 15629.1104-2006及GB 15629.1102-2003和GB 15629.1104-2006混合模式，或者支持802.11b、802.11g及802.11b和802.11g混合模式，该模式为可选项；

还可以支持用户的链路层认证，支持开放系统(Open System)和WAPI两种认证方式，提供链路层认证；应支持发送速率自动调节和手动配置两种工作模式

还可以支持多SSID功能，个数应该不小于4个，可以根据SSID设置不同的优先级和安全策略。

3)音视频流输出接口

数字家庭公共网关具有接收数字电视信号的能力或支持模拟音视频流的转发功能，至少具备下列信号端口之一：传送流接口、复合视频信号接口：应符合、亮度、色度分离视频信号接口、模拟音频信号接口、RGB模拟基色视频信号接口、YPBPR模拟分量视频信号接口。

为适应数字音视频通过有线方式传输，还可根据设计需求，增加数字音视频接口，如HDMI、DisplayPort等。

另外，数字家庭公共网关还可以选择支持以下类型(不限于)的家庭互连接口，提供家庭网络互联：USB；PLC；HomePNA；Zigbee；UWB等。

另外，对于家庭网络内部通信接口，基于IP的数字家庭公共网关可以选择支持以下类型(不限于)的家庭互连接口之一，提供家庭网络互联：低速率无线接口，应符合IEEE 802.15 IEEE 802.15《蓝牙无线通信规范标准规范》；高速率无线接口，应符合IEEE 802.15 IEEE 802.15《蓝牙无线通信规范标准规范》；蓝牙接口，应符合IEEE 802.15《蓝牙无线通信规范标准规范》。

另外，本发明的基于移动的数字家庭公共网关中的家庭主网关与家庭子网关具备如下地址分配与解析功能。

1)地址分配

11)主网关应给每个子网分配子网标识，以标识不同的子网；

12)子网关向主网关申请符合上层网络协议的地址，该地址包括子网标识和网络地址两部分；

13)网关应实现如下地址分配功能：

对于IP网络，网关应支持DHCP服务器功能，为所管理的家庭网络设备分配IP地址。可通过家庭网关的管理配置接口启动和关闭DHCP服务器功能，并可配置地址池等DHCP服务器的相关数据；

对于IP网络，若所在子网没有DHCP服务器，则终端设备需要支持AutoIP；

对于非IP网络，网关应支持相应网络的地址分配机制，为所管理的家庭网络设备分配地址。

2)地址解析

21)若源设备和目的设备处于同一子网(或主网)中，则网关对数据包不做处理，直接转发；

22)源设备和目的设备不在同一子网(或主网)中：

源设备应知道目的设备的子网(或主网)标识和网络地址；

网关解析源设备发送的数据包，识别源设备和目的设备的子网(或主网)标识和网络地址；

网关根据目的设备的子网(或主网)标识和网络地址确定目的设备所在的网络和地址；

网关从设备注册表中确定出目的设备的网络通信协议；

根据目的网络的通信协议，网关重新将数据打包，发送到目的设备。

23)对于IP网络，网关应支持ARP地址解析协议；

24)在非IP网络中，网关应支持不同种类地址的映射；

25)当家庭网关同时连接IP网络和非IP网络时，应完成IP网络和非IP网络之间的地址解析。

综上所述，本发明实施例采用的一种基于IP网络的数字家庭公共网关，包括了接入模块(包括有线接入模块和无线接入模块)、基本功能模块、操作系统模块、硬件层模块，可以实现不同功能，能够利用目前的IP网络使数字家庭中的网络设备通过该数字家庭公共网关进行互连互通并且与外部网络进行通信。

以上对本发明实施例所提供的一种基于IP网络的数字家庭公共网关，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于IP网络的数字家庭公共网关，其特征在于：

所述数字家庭公共网关包括：接入模块、基本功能模块、操作系统模块、硬件层模块；

所述接入模块，用于实现数字家庭公共网关与外部IP网络以及家庭内部网络的连接；

所述基本功能模块，用于提供数字家庭公共网关的基本功能；

所述操作系统模块，用于负责管理数字家庭公共网关的各项功能，对相应设备进行控制；

所述硬件层模块，用于提供与外部网关交互、联系的各种接口。

2.根据权利要求1所述的基于IP网络的数字家庭公共网关，其特征在于：

所述接入模块包括有线接入模块和无线接入模块；

其中，所述有线接入模块包含直接接入模块、IP隧道模块、PPP隧道模块、路由接入模块、多协议标签交换MPLS方式模块；

所述无线接入模块包括站点、基本服务单元、分配系统、接入点、扩展服务单元、关口六个子模块。

3.根据权利要求2所述的基于IP网络的数字家庭公共网关，其特征在于：

所述直接接入模块直接接入IP网络；

所述IP隧道模块的具体形式包括：根据起源地验证、无连接数据的完整性验证、数据内容的机密性、抗重播保护、有限的数据流机密性保证；

所述PPP隧道模块，使用第二层隧道协议L2TP构成用户到ISP的一个PPP会晤的隧道，即一个PPP会话在隧道间传输，在第二层采用包交换形式或采用电路交换形式；

所述路由接入模块中，接入点可以是一个第三层路由器或虚拟路由器；

所述多协议标签交换MPLS模块中，接入点是一个MPLS的ATM交换机或具有MPLS功能的路由器。

4.根据权利要求2所述的基于IP网络的数字家庭公共网关，其特征在于：

所述站点作为网络最基本的组成部分，具有为鉴权、结束鉴权、隐私、MAC数据传输的功能；

所述基本服务单元是用来描述站点的集合，包括两种类型：IBSS独立基本服务单元和基础设施基本服务单元；

所述分配系统用于连接不同的基本服务单元，分配系统具有联接、结束联接、分配、集成、再联接功能；

所述接入点是提供无线站点和有线网络的连接点的设备，接入点具有接收无线局域网的无线电信号的功能；

所述扩展服务单元具备增强无线网的覆盖范围的功能；

所述关口是一个逻辑层，关口具备将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来的功能。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于IP网络的数字家庭公共网关，其特征在于：

所述基本功能模块提供的功能包括：支持网络应用、通信应用、接收管理、设备管理、软件在线升级、扩展功能。

6.根据权利要求4所述的基于IP网络的数字家庭公共网关，其特征在于：

所述基本功能模块提供的网络应用功能中，包括数字转发功能；

对于数据转发，包括：

支持路由工作模式、桥接工作模式或桥接路由混合工作模式；

在路由工作模式下，支持静态路由；

在路由工作模式下，支持动态路由，支持RIP v1/v2；

在桥接工作模式下，支持IEEE 802.1d透明桥协议；

在桥接路由混合工作模式下，分别支持路由工作模式下和桥接工作模式下的功能。

7.根据权利要求1至4任一项所述的基于IP网络的数字家庭公共网关，其特征在于：

所述操作系统模块提供的功能包括：进程管理、记忆空间管理、文件系统、网络通讯、安全机制、驱动程序。

8.根据权利要求1至4任一项所述的基于IP网络的数字家庭公共网关，其特征在于：

所述硬件层模块支持不同控制网络协议和多媒体网络协议；

所述硬件层模块提供的接口包括：以太网接口、无线局域网接口、无线家庭控制网络接口、有线家庭控制网络接口、音视频流输出接口。

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