基于對等P2P技術的家庭智能網關架構設計

黃自蘭　梁楠楠

摘 要

近年以來，智能家居的發展已經為我國智能建筑市場的主流，但由于價位過高，家庭內部網絡布線較為困難等多方面原因，使得智能家居在普通家庭用戶家庭無法普及。而本次研究目的為利用P2P的網絡結構使具備計算能力、感知能力、執行能力的各類設備互相通信，將普通的家庭物理空間變成一個基于知識表達和推理，能夠為家居環境中的各類實體提供必要的環境信息和技術支持的有機整體。本文通過闡述家庭智能網關在國內外的發展現狀以及研究的意義，對關鍵技術進行研究，并依據家庭智能網關的需求來設計研究，以供讀者參考。

【關鍵詞】家庭智能網關 網絡布線 設計研究

1 研究背景

1.1 國內外發展現狀

截至目前，國外對于家庭智能網關等方面的研究已經比較深入，一些知名的科研機構都對這個領域進行著開發和探索，其中，麻省理工學院成立的人工智能實驗室曾經建立了一個較為清晰的架構，通過最底層的Vision與用戶直接接觸并且判斷用戶的行為舉止；位于第二的Agent層上為更多的應用提供了接口；第三層是提供特殊應用的應用層，從而實現用戶通過語音來控制演講的圖片以及演示文稿等。除此之外，東京大學的Intelligent Space項目研究、斯坦福大學的Interactive Workspaces項目研究等，都是國際上較為出名的相關研究。

在上世紀90年代末，國內的一些高校與企業也參與到智能家庭網關相關的項目研究，其中較有代表性的就是清華大學人機交互集成研究所自主設計的智能空間管理平臺（Smart Platform），其主要提出了智能環境空間中的服務與依賴關系；另外國內也有一些學者以及研究機構在網絡資源管理上下了不少功夫，曾經提出在互聯網資源聚合模型、機制方面的虛擬計算方法，在網絡資源共享與利用上的質量與可信程度也有著一定的成就。

1.2 研究內容的意義

本研究分析了家庭智能網關的發展現狀，借鑒前人提出的相關優秀理論和成果，并立足于實現家庭智能網關的移動互聯，通過使用拓撲結構對其性能進行驗證和測試。本研究通過分析抽象的智能家庭網關中的軟、硬設施資源，構建更廣泛的家庭智能網關，并通過其與云計算的相契合，開拓家庭智能網關得新研究領域。

2 關鍵技術探究

2.1 P2P技術綜述

P2P技術是一種早在二十世紀六十年代末的網絡出現時就已經采用的對等網絡技術，這種技術以環境共享網絡的分布資源為目標，規定了系統的一些基本原則。從而真正的能夠實現“互幫互助”的資源共享。傳統的C/S架構成為了家庭智能網關應用與發展的短板，而在對等網絡的系統中，每臺主機即是客戶端又是服務器，可以自主的進行資源交流，因此，P2P結構網絡中的各個主機都是對等的地位。

2.2 家庭智能網絡相關協議的研究、分析

在我國家電網絡智能網關尚未有較為統一的行業標準，而國內外一些廠家所聯合制定的標準都是基于各自不同的優勢產品而制定，選取的角度和針對點不盡相同，所以這些標準都只是覆蓋了一部分的領域，現存的一些家庭智能網絡協議主要有X-10、IEEE1394、HomeRF、BlueTooth等。

其中，X-10協議是指將電力傳輸線作為傳輸介質的遠程控制通信協議，在住宅儀表以及電器控制中多為使用，這是最簡單也是歷史最長的一個協議，但是這個協議中的控制系統方案并不完善，由此會引發出傳輸效率較低以及通信媒介單一的情況，其抗干擾性能也不是特別高；而所謂BlueTooth，就是人們常說的藍牙技術，在短距離間通過無線電來傳播，它不同于一般的設備互聯、識別協議，應用至今已經較為廣泛，包括人們的移動電話、無線藍牙耳機、筆記本電腦等一些家用電子產品，在車載系統中也有應用，藍牙技術融合了TDMA以及FH等多種先進技術，甚至可以異步數據通信。其余相關的協議也各有優勢劣勢，由于篇幅所限，此處不再贅述。

3 家庭智能網關的需求分析

為了進一步的實現家庭網絡內外部的移動互聯，需要有一種特殊的傳輸設備作為其中間體，對于根據不同網絡協議的網絡進行解析協議、互助通信，因此本文引入了智能家庭網關的概念，使其除了一般的路由和轉發功能外還架設起家庭內網與公共網絡的橋梁，成為家庭網絡的接入節點，從而真正的能夠實現“互幫互助”的資源共享。更深層次的來說，智能家庭網關位于外網與內網的街入口處，對外要有著獨立的IP地址，對內要能夠對設備進行協調與管理。

4 家庭智能網關研究與設計

隨著互聯網用戶不斷增加，對于各種生活應用的需求不斷上升，傳統的服務器無法很好地滿足人們的需求，或者需要耗費巨大的資源才能使用，所以，傳統的C/S架構成為了家庭智能網關應用與發展的短板，因此我們提出基于對等P2P技術的網關新架構，來負責服務共享，也為以后的智能網關發展打下基礎。按照P2P網絡的拓撲結構我們可以將其劃分為有一定結構的對等網絡以及沒有一定結構的對等網絡，在對等網絡的系統中，每臺主機即是客戶端又是服務器，可以自主的進行資源交流。研究表明，前者在路由算法以及信息雜亂等方面都有著較大的優勢。

5 小結

截至目前，國際上對于家庭智能網關等方面的研究已經比較深入，一些知名的科研機構都對這個領域進行著開發和探索，并取得了較為優秀的成就。在上世紀90年代末，我國一些高校與企業也開始參與到智能家庭網關相關的項目研究，也在網絡資源管理上下了不少功夫，在網絡資源共享與利用上的質量與可信程度也有著一定的成就。目前在我國家電網絡智能網關尚未有較為統一的行業標準，而國內外一些廠家所聯合制定的標準都是基于各自不同的優勢產品而制定，選取的角度和針對點不盡相同，通過闡述家庭智能網關在國內外的發展現狀以及研究的意義，分析部分關鍵協議，提出適當的家庭智能網關需求，其余方面仍有待進一步的研究。

（指導老師：梁楠楠）

參考文獻

[1]劉媛媛.基于對等P2P技術的家庭智能網關架構研究與設計[D].青島：中國海洋大學，2010.

[2]成城.基于Web的社交物聯網體系架構、模型及其安全與隱私關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2014.

[3]張超.家庭智能網關的研究與實現[D].合肥：安徽理工大學，2016.

作者單位

安徽省宿州市宿州學院信息工程學院 安徽省宿州市 234000