［余勇昌 李林江 朱鏡華］

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寬帶智能網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)

［余勇昌 李林江 朱鏡華］

摘要

全球進(jìn)入智能化時(shí)代，隨著互聯(lián)網(wǎng)+以及SDN技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)已無(wú)法滿足信息化時(shí)代的要求，智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。首先，對(duì)基于SDN智能路由器的系統(tǒng)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，然后提出智能網(wǎng)關(guān)在智能家居的應(yīng)用與解決方案，最后討論SDN技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)關(guān) 智能路由器 SDN 智能家居

余勇昌

工學(xué)博士，中國(guó)電信廣東研究院項(xiàng)目經(jīng)理。主要研究方向：寬帶接入網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院。

李林江

理科學(xué)士，廣東省電信研究院艾特實(shí)驗(yàn)室工程師，主要研究方向?yàn)镻ON寬帶接入網(wǎng)、WLAN無(wú)線局域網(wǎng)、IP與多媒體子系統(tǒng)，廣東省電信公司艾特實(shí)驗(yàn)室。

朱鏡華

工學(xué)碩士，中級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)閷拵Ы尤刖W(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司東莞分公司。

0 前言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)+的快速發(fā)展，我們的生活已慢慢進(jìn)入WEB3.0的時(shí)代。新技術(shù)的發(fā)展使得人們的工作與生活變得更加高效、方便、快捷和智能，人們可以隨時(shí)隨地與互聯(lián)網(wǎng)分享、開(kāi)放、互動(dòng)，但是，在互聯(lián)網(wǎng)的接入端也就是路由器和家庭網(wǎng)關(guān)的功能已無(wú)法滿足高帶寬、高吞吐量、高性能、低成本以及可擴(kuò)展、可管理、可控制、可共享的需求。于是智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)運(yùn)而生，智能網(wǎng)關(guān)也就是智能化管理的路由器，它具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，可以自由安裝各種應(yīng)用程序，可以與家用電器互聯(lián)、可以遠(yuǎn)程管理及控制，以及強(qiáng)大的媒體共享功能等，真正做到網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的智能化管理。而支撐智能網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)就是SDN（Software Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)），SDN不是一種具體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而是一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)控制與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)解耦合構(gòu)建開(kāi)放可編程的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)行為的定義和開(kāi)放式的接口，從而支持未來(lái)各種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和新型業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。

1 寬帶智能網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)

SDN網(wǎng)絡(luò)體系分為狹義SDN和廣義SDN，狹義的SDN特指基于OpenFlow南向接口的網(wǎng)絡(luò)；而廣義的SDN是指具備數(shù)據(jù)控制分離、軟件可編程的新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)[1]，如圖1所示。在SDN架構(gòu)中，它采用了集中式的控制平面和分布式的轉(zhuǎn)發(fā)平面，兩個(gè)平面相互分離?？刂破矫胬每刂妻D(zhuǎn)發(fā)通信接口對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)平面上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中式的控制，并提供靈活的可編程能力，這部分控制信令的流量發(fā)生在控制器與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間，獨(dú)立于終端間通信產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過(guò)接收控制信令生成轉(zhuǎn)發(fā)表，并據(jù)此決定數(shù)據(jù)流量的處理，不再需要復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。SDN體系架構(gòu)的主要有3個(gè)層面，分別為：基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和應(yīng)用層，如圖1所示，以下分別對(duì)SDN體系架構(gòu)的三個(gè)層面的功能簡(jiǎn)單介紹。

基礎(chǔ)設(shè)施層：由若干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，每個(gè)網(wǎng)元可以包含一個(gè)或多個(gè)SDN 數(shù)據(jù)路徑（SDN Data path），每個(gè)SDN 數(shù)據(jù)路徑是一個(gè)邏輯上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它沒(méi)有控制能力，只是單純用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)和處理數(shù)據(jù)，它在邏輯上代表全部或部分物理資源。一個(gè)SDN Data path 包含控制數(shù)據(jù)平面接口代理（Control-Data-Plane Interface Agent）、轉(zhuǎn)發(fā)引擎（Forwarding Engine）和處理功能（Processing Function）3個(gè)部分。

控制層：即SDN控制器，它是一個(gè)邏輯上的集中實(shí)體，主要負(fù)責(zé)兩個(gè)任務(wù)，一是將SDN應(yīng)用層請(qǐng)求轉(zhuǎn)換到SDN Datapath，二是為SDN應(yīng)用提供底層網(wǎng)絡(luò)的抽象模型（狀態(tài)或事件）。一個(gè)SDN控制器包含北向接口代理（Northbound Interfaces Agent）、SDN控制邏輯（Control Logic）以及控制數(shù)據(jù)平面接口驅(qū)動(dòng)（CDPI Driver）3部分。SDN控制層采用集中式控制器來(lái)控管不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)更易于被控制與管理，并且讓比特在轉(zhuǎn)發(fā)層順利傳輸?？刂破魍ㄟ^(guò)安全通道與OpenFlow交換機(jī)進(jìn)行通信，下發(fā)流表與控制原則來(lái)決定流量的流向，以此達(dá)到路由機(jī)制、封包分析、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等功能的實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用層：提供多種應(yīng)用程序，可以通過(guò)北向接口與SDN控制器進(jìn)行交互，即通過(guò)可編程的方式把需要請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)行為提交給控制器。一個(gè)SDN應(yīng)用可以包含多個(gè)北向接口驅(qū)動(dòng)，同時(shí)SDN應(yīng)用也可以對(duì)本身的功能進(jìn)行抽象、封裝來(lái)對(duì)外提供北向代理接口，封裝后的接口就形成了更為高級(jí)的北向接口。

圖1 SDN體系結(jié)構(gòu)

SDN網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別在于它可以通過(guò)編寫(xiě)軟件的方式來(lái)靈活定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)功能。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，控制平面的功能分布運(yùn)行在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（HUB、交換機(jī)、路由器）中，而SDN將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，并將控制平面集中實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)快速靈活地定制網(wǎng)絡(luò)功能。另外，SDN體系架構(gòu)還有很強(qiáng)的開(kāi)放性，它通過(guò)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，為用戶提供完備的編程接口，使用戶可以根據(jù)上層的業(yè)務(wù)與應(yīng)用個(gè)性化地定制網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)滿足其特殊的需求。

2 寬帶智能網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用

寬帶智能網(wǎng)關(guān)不僅具備SDN控制與轉(zhuǎn)發(fā)的特點(diǎn)，同時(shí)還具備SDN網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放化的特點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)虛擬化、服務(wù)化，使得網(wǎng)絡(luò)不僅是基礎(chǔ)設(shè)施，更是一種服務(wù)，SDN的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步的拓展。隨著SDN硬件集成化、通用化、簡(jiǎn)單化，寬帶智能網(wǎng)關(guān)硬件成本將大幅降低，在智能家居方面的應(yīng)用將更加廣泛。寬帶智能網(wǎng)關(guān)作為接入網(wǎng)的末端，同時(shí)也是家庭網(wǎng)絡(luò)里最重要的組成部分，它就像是一座橋梁將局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)信息互通與交換。

智能網(wǎng)關(guān)在智能家居的應(yīng)用中扮演著重要的角色，作為智能家居控制樞紐，除了具備基本的三層路由、協(xié)議轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)功能外，還通過(guò)無(wú)線方式與智能終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具備信息的采集、信息輸入、信息輸出、集中管理、遠(yuǎn)程控制及智能化管理等功能，因此通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)高帶寬、高吞吐量、高性能、低成本、可擴(kuò)展、可管理、可控制、可共享的需求。傳統(tǒng)路由器只是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，不具備可擴(kuò)展能力。與之相比，智能網(wǎng)關(guān)硬件配置更高、計(jì)算能力更強(qiáng)，具有統(tǒng)一接入的云平臺(tái)，可以與路由器保持通信和連接并進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的交互。硬件上也提供了擴(kuò)展接口比如USB/SD卡槽等，可支持接入存儲(chǔ)設(shè)備、視頻設(shè)備、音頻設(shè)備等外設(shè)。下面簡(jiǎn)單介紹智能網(wǎng)關(guān)在智能家居的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)。

基于智能路由器的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，分為4個(gè)子模塊，API接口模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、存儲(chǔ)設(shè)備管理模塊、離線下載模塊。API接口模塊定義了接口的輸入輸出數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)了接口的遠(yuǎn)程調(diào)用邏輯和權(quán)限管理功能[2]；數(shù)據(jù)傳輸模塊主要對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備上的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，結(jié)合文件系統(tǒng)管理接口[2]，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端與智能路由器存儲(chǔ)設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸；存儲(chǔ)設(shè)備管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)外接存儲(chǔ)設(shè)備的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、管理功能，并對(duì)外提供操作和查詢接口[2]；離線下載模塊定義一組遠(yuǎn)程下載接口調(diào)用功能，通過(guò)對(duì)嵌入式PTSP下載器進(jìn)行封裝[2]，支持遠(yuǎn)程下發(fā)離線下載任務(wù)、實(shí)現(xiàn)任務(wù)狀態(tài)的查詢、暫停、重啟、刪除等操作，支持HTTP、FTP、BT等類(lèi)型資源的下載。從功能劃分，智能家居系統(tǒng)主要由家庭主網(wǎng)和家庭控制子網(wǎng)兩部分組成。家庭主網(wǎng)主要負(fù)責(zé)內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)通信、數(shù)據(jù)傳輸功能；而控制子網(wǎng)主要智能網(wǎng)關(guān)接收和處理外部設(shè)備信令，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能路由器的遠(yuǎn)程控制、外接存儲(chǔ)器設(shè)備的管理、離線下載控制、文件管理等功能。如果將一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)看成一個(gè)信息處理系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的各個(gè)單元就是連接在網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備。智能網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)，由ASP.NET服務(wù)器組件、網(wǎng)絡(luò)連接控件等設(shè)備組成，通過(guò)手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)智能家居（例如空調(diào)，電視、熱水器、冰箱、攝像頭、窗簾等）的控制。

圖2 智能家居實(shí)現(xiàn)方案

綜上所述，家庭網(wǎng)關(guān)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)中各種智能設(shè)備的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，從而對(duì)“智能家居”產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)和控制。此范圍不限制用戶、地點(diǎn)、甚至網(wǎng)絡(luò)接入方式，只要接入網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，便可操作共同的數(shù)據(jù)。但也由此引發(fā)了用戶私密泄露的問(wèn)題。而就此，市場(chǎng)也有生產(chǎn)商順應(yīng)市場(chǎng)需求，研發(fā)私密性好的解決方案。如設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)連接的控件技術(shù)等，同時(shí)可支持家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的家庭網(wǎng)關(guān)體系構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議融合。

3 SDN技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)有SDN技術(shù)發(fā)展過(guò)程，以網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商與IT產(chǎn)業(yè)為主的ONF組織是主要的推動(dòng)者，ONF不定期地發(fā)布技術(shù)報(bào)告與技術(shù)白皮書(shū)，制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并進(jìn)行組織測(cè)試。主要的研究成果為定義基本架構(gòu)、OpenFlow標(biāo)準(zhǔn)、配置與管理協(xié)議。SDN技術(shù)的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有的路由器產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，它改變傳統(tǒng)路由器的軟硬件一體化的封閉架構(gòu)，改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)與控制層的行為[3]。

SDN得以順利地推動(dòng)，一方面來(lái)自通訊設(shè)備商和通訊服務(wù)運(yùn)營(yíng)商的配合，設(shè)備廠商和運(yùn)營(yíng)商希望利用SDN獲得API，讓網(wǎng)絡(luò)設(shè)備得以進(jìn)行控制的特性，針對(duì)IDC和云端應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行SDN網(wǎng)絡(luò)的部署，同時(shí)也在尋找SDN在云端網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)路未來(lái)的應(yīng)用發(fā)展方向，期望使用者得以獲得最佳服務(wù)層級(jí)的存取行為。SDN全新的概念將對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)造成沖擊，現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并不兼容于OpenFlow功能，所以未來(lái)將采取漸進(jìn)式部署具有OpenFlow功能的設(shè)備。未來(lái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層、網(wǎng)絡(luò)控制層、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層和大數(shù)據(jù)4條產(chǎn)業(yè)鏈的方向發(fā)展。

①數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層產(chǎn)業(yè)鏈：轉(zhuǎn)發(fā)硬件（ASICS、NP），硬件高通量交換機(jī)，軟件交換機(jī)，高湍交換機(jī)等；

②網(wǎng)絡(luò)控制層產(chǎn)業(yè)鏈：網(wǎng)絡(luò)控制器，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)配置，網(wǎng)絡(luò)路由，自我修復(fù) ，智能網(wǎng)絡(luò)等；

③網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用，各種SDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用等；

④云計(jì)算/虛擬化、大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈：基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)，通過(guò)云統(tǒng)一控制，提供各種綜合服務(wù)；

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商或芯片商未來(lái)將采用具備網(wǎng)絡(luò)虛擬化及云端運(yùn)算平臺(tái)能力的軟件，后續(xù)SDN關(guān)鍵性的軟件應(yīng)用與硬體設(shè)備整合的技術(shù)，將成為商用化的核心價(jià)值。

在未來(lái)。SDN可能會(huì)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的銷(xiāo)售模式造成極大的顛覆，復(fù)雜的軟件可以在更為廉價(jià)且于簡(jiǎn)單的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)運(yùn)作，讓未來(lái)的客戶市場(chǎng)不再專(zhuān)屬于大型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商。

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收稿日期：（2015-00-00）