[科普中国]-住宅网关

住宅网关是一种将家庭或小型办公室网络连接到Internet上的硬件。住宅网关可提供转换功能，并使用户能够与内部网络上的所有计算机共享DSL或电缆调制解调器Internet连接。住宅网关位于DSL或电缆调制解调器与内部网络之间。也可以将DSL或电缆调制解调器集成到住宅网关中。

简介家庭网关是由微控制器和以太网模块作为核心的硬件平台，或指在家庭中使用的廉价网络设备，与在公司局域网环境中使用的类似设备（通常提供更大服务能力和端口）。在电信网络中，住宅网关（residential gateway）是允许局域网（LAN）连接到广域网（WAN）的设备。WAN可以是一个更大的计算机网络（例如提供与市内其他住宅的市政WAN），或者互联网。WAN连接可能通过DSL、缆线调制解调器、光纤网络、移动电话宽带网络或其他方式提供。住宅网关也常被称为家庭网关（Home gateway）。从21世纪初开始，住宅或家庭网关已被不少电信多媒体服务商作为将消费者与宽带交付网络相联的终端设备。作为电信公司的一部分，家庭网关支持远程控制、检测和配置。家庭网关虚拟化，是指将家庭网关的部分网络功能和业务功能上移到网络侧，简化用户侧的网关设备，甚至将网关变为简单的桥接设备。

功能家庭网关主要用于外部网络接入、家庭自动化、家庭娱乐、能耗控制和安防等方面，每一个应用都有不同的成本、带宽要求。家庭内部组网主要用于解决各种终端之间相互数据传输，以及各终端与外部网络的交互。应具有以下功能：

连通家庭内部网络和外部网络。网络接入是数字家庭的最基本需求，是实现家庭网络各类应用的基础，具有承上启下的作用。

隔离外部网络威胁。家庭网关作为家庭与外部网络的接口，必须要保证安全性，如防火墙功能、上网限制功能等。

支持家庭组网功能。保障家庭网络中的所有联网设备能组成统一的网络，使用统一的网络协议，以实现家庭网络内部各个终端的信息共享。管理和配置功能。是家庭网关的核心功能，包括管理、发现、地址解析、包转发、服务质量（QoS）等。

家庭网关虚拟化，是指将家庭网关的部分网络功能和业务功能上移到网络侧，简化用户侧的网关设备，甚至将网关变为简单的桥接设备1。

对IPv4的网络地址转换（NAT）。对IPv4的DHCP，并有越来越多的路由器广播IPv6。

设备有多种设备可被称为“住宅网关”：缆线调制解调器、DSL调制解调器无线路由器、网络交换、器网际协议通话技术（VoIP）及模拟电话适配器、无线接入点、有线路由器。设备还可能是上述多种设备的组合体。一台调制解调器（例如DSL调制解调器、线缆调制解调器)本身不提供路由器的功能。它只允许ATM或以太网或PPP流量通过电话线、电缆线、光纤或无线电频率传输。在接收端则是另一个调制解调器，将传输格式重新转换回数字数据分组。这允许网络依靠电话、电缆、光学或无线电方式连接。调制解调器也提供握手协议，使连接上各端的设备能够彼此识别。但是，调制解调器通常很少提供其他的网络功能。将一个USB调制解调器插入到一台计算机可以使单台计算机连入WAN。如果配置正确，该计算机还可以作为家庭局域网的路由器。

在单台计算机上可以安装内置调制解调器（例如通过PCI卡），这也能使单台计算机连入WAN。同样，该计算机可以被配置为作为家庭局域网的路由器。

无线接入点可以以类似调制解调器的方式工作。如果无线路由器或接入点已接入WAN，它可以使家庭局域网（LAN）中的连接直接传送点广域网（WAN）。

设计原则家庭网关是一个软硬件相结合的系统，其不仅需要同各种家庭终端连接，实现家庭各个异构网络的互通，同时还需要提供便捷的人机交互方式，方便家庭成员对网关系统的访问和配置。因此，该物联网家庭网关在设计时需要参考的主要原则有：

实用性

一个系统的实用性是其最基本的价值体现。评价一个产品的好坏，首先要看的就是该产品能不能解决用户遇到的问题，能不能创造出超越用户预期的体验。家庭物联网、智能家居发展的初期阶段，各种各样的通信协议被提出、应用，并且相互之间不能兼容通信；每一个家庭设备都会配有一个独立的 APP，随着家庭设备的增多，用户手机上往往需要安装多个 APP，使得家庭设备的管理非常混乱。本文所要设计的物联网家庭网关，其本质功能就是要解决用户所遇到的上面提及的问题，通过硬件、软件层面的设计，给用户提供一个访问各个异构网络的接口，能够通过一个统一的接口实现对各个家庭终端的访问和控制。

稳定性

作为家庭网络的核心设备，网关必须要能够保持长时间的稳定工作，因此网关需要具备可靠运行的能力。当设备运行负荷过高时，设备整体的服务体验会下降，可以通过降低对低优先级任务的响应来保证重要任务的服务性能。在硬件上采用冗余设计，可以在一定程度上确保通信的可靠性，保障数据传输到家庭网关以及后台服务器。

可扩展性

随着家庭物联网时代的到来，家庭智能终端的种类、数量和第三方应用软件都在迅速的增加，为了尽可能兼容新的终端设备和第三方应用软件，物联网家庭网关的软硬件接口单元都需要具备较好可扩展性。

易用性

对于普通用户来说，各种网络名词和网络设置是非常繁杂混乱的，简洁的交互界面以及傻瓜式设置引导往往是用户所期望的。在本文设计的物联网家庭网关系统中，尽可能的简化硬件接入操作，使用友好的人机界面与用户交互，使用户获得良好的使用体验。

功能需求分析网络接入与协议转换

由家庭网关的基本概念可知，家庭网关是整个家庭网关的接口单元，使家庭内的各种智能终端接入 Internet，以及实现智能终端之间的相互通信。网络接入与协议转换是设计一个家庭网关最先考虑实现的功能，只有完成了家庭异构网络通路构建，才能使数据在各网络间传输，进而实现家庭智能化管理。

用户管理

用户管理是网关系统的重要内容，出于家庭网络安全、稳定以及数据感性等方面的考虑，不同的用户有不同的权限，并将用户的信息与用户访问的智能终端进行绑定。首先，家庭网关将第一个登陆交互界面并注册的用户当作最高权限用户，其他用户需由该用户添加之后才能访问家庭网络；其次，对于数据测量型智能终端（如血氧仪、血压计的使用），用户在每次使用之前需要选择使用者，告知家庭网关是哪位用户在使用该设备，家庭网关在收到测量的数据之后可以将用户与数据相关联，方便用户日后查看，对于通用家电的控制则不需要选择使用者（如智能灯具、电视、空调的控制），家庭用户皆可直接访问；最后，对于家庭中的儿童用户，家长可以对其进行一些权限限制，可以禁止其使用相对有危险性的家电（如电磁炉、微波炉）。

设备管理

设备的管理与用户管理方法相似，每一个设备第一次接入家庭网络时都要获得家庭用户的同意，并标注设备的名称和设备类型（如健康数据测量、家庭环境数据测量、多媒体播放等），家庭网关将这些信息与获取的设备的 ID 绑定在一起，方便之后对该设备的分类管理。

数据管理

用户信息、设备信息、以及用户在使用智能终端时产生的测量数据和日志文件，均需要通过有效的数据处理与存储，在用户查看时可以形象化的展现出来，方便用户查看。另外，只有与用户、设备类型关联起来的数据才能具有价值意义

应用服务管理

家庭网络不仅要提高家庭智能终端设备的管理，也需要提高用户生活的智能化（如 Amazon Echo 提供的一键下单、在线订购披萨、Uber 打车等服务）2。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学