基于对等P2P技术的家庭智能网关架构设计

黄自兰　梁楠楠

摘 要

近年以来，智能家居的发展已经为我国智能建筑市场的主流，但由于价位过高，家庭内部网络布线较为困难等多方面原因，使得智能家居在普通家庭用户家庭无法普及。而本次研究目的为利用P2P的网络结构使具备计算能力、感知能力、执行能力的各类设备互相通信，将普通的家庭物理空间变成一个基于知识表达和推理，能够为家居环境中的各类实体提供必要的环境信息和技术支持的有机整体。本文通过阐述家庭智能网关在国内外的发展现状以及研究的意义，对关键技术进行研究，并依据家庭智能网关的需求來设计研究，以供读者参考。

【关键词】家庭智能网关 网络布线 设计研究

1 研究背景

1.1 国内外发展现状

截至目前，国外对于家庭智能网关等方面的研究已经比较深入，一些知名的科研机构都对这个领域进行着开发和探索，其中，麻省理工学院成立的人工智能实验室曾经建立了一个较为清晰的架构，通过最底层的Vision与用户直接接触并且判断用户的行为举止；位于第二的Agent层上为更多的应用提供了接口；第三层是提供特殊应用的应用层，从而实现用户通过语音来控制演讲的图片以及演示文稿等。除此之外，东京大学的Intelligent Space项目研究、斯坦福大学的Interactive Workspaces项目研究等，都是国际上较为出名的相关研究。

在上世纪90年代末，国内的一些高校与企业也参与到智能家庭网关相关的项目研究，其中较有代表性的就是清华大学人机交互集成研究所自主设计的智能空间管理平台（Smart Platform），其主要提出了智能环境空间中的服务与依赖关系；另外国内也有一些学者以及研究机构在网络资源管理上下了不少功夫，曾经提出在互联网资源聚合模型、机制方面的虚拟计算方法，在网络资源共享与利用上的质量与可信程度也有着一定的成就。

1.2 研究内容的意义

本研究分析了家庭智能网关的发展现状，借鉴前人提出的相关优秀理论和成果，并立足于实现家庭智能网关的移动互联，通过使用拓扑结构对其性能进行验证和测试。本研究通过分析抽象的智能家庭网关中的软、硬设施资源，构建更广泛的家庭智能网关，并通过其与云计算的相契合，开拓家庭智能网关得新研究领域。

2 关键技术探究

2.1 P2P技术综述

P2P技术是一种早在二十世纪六十年代末的网络出现时就已经采用的对等网络技术，这种技术以环境共享网络的分布资源为目标，规定了系统的一些基本原则。从而真正的能够实现“互帮互助”的资源共享。传统的C/S架构成为了家庭智能网关应用与发展的短板，而在对等网络的系统中，每台主机即是客户端又是服务器，可以自主的进行资源交流，因此，P2P结构网络中的各个主机都是对等的地位。

2.2 家庭智能网络相关协议的研究、分析

在我国家电网络智能网关尚未有较为统一的行业标准，而国内外一些厂家所联合制定的标准都是基于各自不同的优势产品而制定，选取的角度和针对点不尽相同，所以这些标准都只是覆盖了一部分的领域，现存的一些家庭智能网络协议主要有X-10、IEEE1394、HomeRF、BlueTooth等。

其中，X-10协议是指将电力传输线作为传输介质的远程控制通信协议，在住宅仪表以及电器控制中多为使用，这是最简单也是历史最长的一个协议，但是这个协议中的控制系统方案并不完善，由此会引发出传输效率较低以及通信媒介单一的情况，其抗干扰性能也不是特别高；而所谓BlueTooth，就是人们常说的蓝牙技术，在短距离间通过无线电来传播，它不同于一般的设备互联、识别协议，应用至今已经较为广泛，包括人们的移动电话、无线蓝牙耳机、笔记本电脑等一些家用电子产品，在车载系统中也有应用，蓝牙技术融合了TDMA以及FH等多种先进技术，甚至可以异步数据通信。其余相关的协议也各有优势劣势，由于篇幅所限，此处不再赘述。

3 家庭智能网关的需求分析

为了进一步的实现家庭网络内外部的移动互联，需要有一种特殊的传输设备作为其中间体，对于根据不同网络协议的网络进行解析协议、互助通信，因此本文引入了智能家庭网关的概念，使其除了一般的路由和转发功能外还架设起家庭内网与公共网络的桥梁，成为家庭网络的接入节点，从而真正的能够实现“互帮互助”的资源共享。更深层次的来说，智能家庭网关位于外网与内网的街入口处，对外要有着独立的IP地址，对内要能够对设备进行协调与管理。

4 家庭智能网关研究与设计

随着互联网用户不断增加，对于各种生活应用的需求不断上升，传统的服务器无法很好地满足人们的需求，或者需要耗费巨大的资源才能使用，所以，传统的C/S架构成为了家庭智能网关应用与发展的短板，因此我们提出基于对等P2P技术的网关新架构，来负责服务共享，也为以后的智能网关发展打下基础。按照P2P网络的拓扑结构我们可以将其划分为有一定结构的对等网络以及没有一定结构的对等网络，在对等网络的系统中，每台主机即是客户端又是服务器，可以自主的进行资源交流。研究表明，前者在路由算法以及信息杂乱等方面都有着较大的优势。

5 小结

截至目前，国际上对于家庭智能网关等方面的研究已经比较深入，一些知名的科研机构都对这个领域进行着开发和探索，并取得了较为优秀的成就。在上世纪90年代末，我国一些高校与企业也开始参与到智能家庭网关相关的项目研究，也在网络资源管理上下了不少功夫，在网络资源共享与利用上的质量与可信程度也有着一定的成就。目前在我国家电网络智能网关尚未有较为统一的行业标准，而国内外一些厂家所联合制定的标准都是基于各自不同的优势产品而制定，选取的角度和针对点不尽相同，通过阐述家庭智能网关在国内外的发展现状以及研究的意义，分析部分关键协议，提出适当的家庭智能网关需求，其余方面仍有待进一步的研究。

（指导老师：梁楠楠）

参考文献

[1]刘媛媛.基于对等P2P技术的家庭智能网关架构研究与设计[D].青岛：中国海洋大学，2010.

[2]成城.基于Web的社交物联网体系架构、模型及其安全与隐私关键技术研究[D].北京：北京邮电大学，2014.

[3]张超.家庭智能网关的研究与实现[D].合肥：安徽理工大学，2016.

作者单位

安徽省宿州市宿州学院信息工程学院 安徽省宿州市 234000