宽带智能网关关键技术及发展趋势

［余勇昌 李林江 朱镜华］



宽带智能网关关键技术及发展趋势

［余勇昌 李林江 朱镜华］

摘要

全球进入智能化时代，随着互联网+以及SDN技术的不断发展，传统的家庭网关已无法满足信息化时代的要求，智能网关应运而生。首先，对基于SDN智能路由器的系统架构和关键技术进行研究，然后提出智能网关在智能家居的应用与解决方案，最后讨论SDN技术的发展趋势。

关键词：智能网关 智能路由器 SDN 智能家居

余勇昌

工学博士，中国电信广东研究院项目经理。主要研究方向：宽带接入网、无线传感器网络，中国电信股份有限公司广东研究院。

李林江

理科学士，广东省电信研究院艾特实验室工程师，主要研究方向为PON宽带接入网、WLAN无线局域网、IP与多媒体子系统，广东省电信公司艾特实验室。

朱镜华

工学硕士，中级工程师。主要研究方向为宽带接入网、移动互联网，中国移动通信集团广东有限公司东莞分公司。

0 前言

随着移动互联网、互联网+的快速发展，我们的生活已慢慢进入WEB3.0的时代。新技术的发展使得人们的工作与生活变得更加高效、方便、快捷和智能，人们可以随时随地与互联网分享、开放、互动，但是，在互联网的接入端也就是路由器和家庭网关的功能已无法满足高带宽、高吞吐量、高性能、低成本以及可扩展、可管理、可控制、可共享的需求。于是智能网关应运而生，智能网关也就是智能化管理的路由器，它具有独立的操作系统，可以自由安装各种应用程序，可以与家用电器互联、可以远程管理及控制，以及强大的媒体共享功能等，真正做到网络和设备的智能化管理。而支撑智能网关关键技术就是SDN（Software Defined Networking，软件定义网络），SDN不是一种具体网络协议，而是一种新型的网络体系结构，通过将网络控制与网络转发解耦合构建开放可编程的网络体系结构，旨在实现网络互联和网络行为的定义和开放式的接口，从而支持未来各种新型网络体系结构和新型业务的创新。

1 宽带智能网关的关键技术

SDN网络体系分为狭义SDN和广义SDN，狭义的SDN特指基于OpenFlow南向接口的网络；而广义的SDN是指具备数据控制分离、软件可编程的新型网络体系架构[1]，如图1所示。在SDN架构中，它采用了集中式的控制平面和分布式的转发平面，两个平面相互分离。控制平面利用控制转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中式的控制，并提供灵活的可编程能力，这部分控制信令的流量发生在控制器与网络设备之间，独立于终端间通信产生的数据流量，网络设备通过接收控制信令生成转发表，并据此决定数据流量的处理，不再需要复杂的分布式网络协议来进行数据转发。SDN体系架构的主要有3个层面，分别为：基础设施层、控制层和应用层，如图1所示，以下分别对SDN体系架构的三个层面的功能简单介绍。

基础设施层：由若干网络设备构成，每个网元可以包含一个或多个SDN 数据路径（SDN Data path），每个SDN 数据路径是一个逻辑上的网络设备，它没有控制能力，只是单纯用来转发和处理数据，它在逻辑上代表全部或部分物理资源。一个SDN Data path 包含控制数据平面接口代理（Control-Data-Plane Interface Agent）、转发引擎（Forwarding Engine）和处理功能（Processing Function）3个部分。

控制层：即SDN控制器，它是一个逻辑上的集中实体，主要负责两个任务，一是将SDN应用层请求转换到SDN Datapath，二是为SDN应用提供底层网络的抽象模型（状态或事件）。一个SDN控制器包含北向接口代理（Northbound Interfaces Agent）、SDN控制逻辑（Control Logic）以及控制数据平面接口驱动（CDPI Driver）3部分。SDN控制层采用集中式控制器来控管不同的网络设备，网络更易于被控制与管理，并且让比特在转发层顺利传输。控制器通过安全通道与OpenFlow交换机进行通信，下发流表与控制原则来决定流量的流向，以此达到路由机制、封包分析、网络虚拟化等功能的实现。

应用层：提供多种应用程序，可以通过北向接口与SDN控制器进行交互，即通过可编程的方式把需要请求的网络行为提交给控制器。一个SDN应用可以包含多个北向接口驱动，同时SDN应用也可以对本身的功能进行抽象、封装来对外提供北向代理接口，封装后的接口就形成了更为高级的北向接口。

图1 SDN体系结构

SDN网络与传统网络的最大区别在于它可以通过编写软件的方式来灵活定义网络设备的转发功能。传统网络中，控制平面的功能分布运行在各个网络节点（HUB、交换机、路由器）中，而SDN将网络设备的控制平面与转发平面分离，并将控制平面集中实现，从而实现快速灵活地定制网络功能。另外，SDN体系架构还有很强的开放性，它通过对整个网络进行抽象，为用户提供完备的编程接口，使用户可以根据上层的业务与应用个性化地定制网络资源来满足其特殊的需求。

2 宽带智能网关的应用

宽带智能网关不仅具备SDN控制与转发的特点，同时还具备SDN网络能力开放化的特点，使得网络虚拟化、服务化，使得网络不仅是基础设施，更是一种服务，SDN的应用范围得到了进一步的拓展。随着SDN硬件集成化、通用化、简单化，宽带智能网关硬件成本将大幅降低，在智能家居方面的应用将更加广泛。宽带智能网关作为接入网的末端，同时也是家庭网络里最重要的组成部分，它就像是一座桥梁将局域网和广域网进行互联，从而实现内部网络与外部网络信息互通与交换。

智能网关在智能家居的应用中扮演着重要的角色，作为智能家居控制枢纽，除了具备基本的三层路由、协议转换等基础功能外，还通过无线方式与智能终端进行数据交互，具备信息的采集、信息输入、信息输出、集中管理、远程控制及智能化管理等功能，因此通过智能网关的应用移动互联网高带宽、高吞吐量、高性能、低成本、可扩展、可管理、可控制、可共享的需求。传统路由器只是一个网络数据转发节点，不具备可扩展能力。与之相比，智能网关硬件配置更高、计算能力更强，具有统一接入的云平台，可以与路由器保持通信和连接并进行指令和数据的交互。硬件上也提供了扩展接口比如USB/SD卡槽等，可支持接入存储设备、视频设备、音频设备等外设。下面简单介绍智能网关在智能家居的应用及实现。

基于智能路由器的智能家居系统结构，如图2所示，分为4个子模块，API接口模块、数据传输模块、存储设备管理模块、离线下载模块。API接口模块定义了接口的输入输出数据格式，实现了接口的远程调用逻辑和权限管理功能[2]；数据传输模块主要对存储设备上的数据进行存取，结合文件系统管理接口[2]，实现手机终端与智能路由器存储设备之间数据传输；存储设备管理模块实现对外接存储设备的自动发现、管理功能，并对外提供操作和查询接口[2]；离线下载模块定义一组远程下载接口调用功能，通过对嵌入式PTSP下载器进行封装[2]，支持远程下发离线下载任务、实现任务状态的查询、暂停、重启、删除等操作，支持HTTP、FTP、BT等类型资源的下载。从功能划分，智能家居系统主要由家庭主网和家庭控制子网两部分组成。家庭主网主要负责内网与外网通信、数据传输功能；而控制子网主要智能网关接收和处理外部设备信令，实现对智能路由器的远程控制、外接存储器设备的管理、离线下载控制、文件管理等功能。如果将一个家庭网关看成一个信息处理系统，组成系统的各个单元就是连接在网络各个节点的设备。智能网关的操作系统基于Android系统，由ASP.NET服务器组件、网络连接控件等设备组成，通过手机客户端实现智能家居（例如空调，电视、热水器、冰箱、摄像头、窗帘等）的控制。

图2 智能家居实现方案

综上所述，家庭网关还可实现对家庭网络中各种智能设备的远程管理和监控，从而对“智能家居”产品进行简单的维护和控制。此范围不限制用户、地点、甚至网络接入方式，只要接入网络访问，便可操作共同的数据。但也由此引发了用户私密泄露的问题。而就此，市场也有生产商顺应市场需求，研发私密性好的解决方案。如设计网络连接的控件技术等，同时可支持家庭网络标准协议的家庭网关体系构架，实现多协议融合。

3 SDN技术发展趋势

现有SDN技术发展过程，以网络运营商与IT产业为主的ONF组织是主要的推动者，ONF不定期地发布技术报告与技术白皮书，制定相关的标准规范并进行组织测试。主要的研究成果为定义基本架构、OpenFlow标准、配置与管理协议。SDN技术的发展，对现有的路由器产生深远的影响，它改变传统路由器的软硬件一体化的封闭架构，改变传统网络设备的转发与控制层的行为[3]。

SDN得以顺利地推动，一方面来自通讯设备商和通讯服务运营商的配合，设备厂商和运营商希望利用SDN获得API，让网络设备得以进行控制的特性，针对IDC和云端应用服务进行SDN网络的部署，同时也在寻找SDN在云端网络和通讯网路未来的应用发展方向，期望使用者得以获得最佳服务层级的存取行为。SDN全新的概念将对传统网络造成冲击，现今网络设备并不兼容于OpenFlow功能，所以未来将采取渐进式部署具有OpenFlow功能的设备。未来网络设备将在数据转发层、网络控制层、网络应用层和大数据4条产业链的方向发展。

①数据转发层产业链：转发硬件（ASICS、NP），硬件高通量交换机，软件交换机，高湍交换机等；

②网络控制层产业链：网络控制器，网络拓扑发现监控，网络配置，网络路由，自我修复 ，智能网络等；

③网络应用服务产业链：网络服务应用，各种SDN网络应用等；

④云计算/虚拟化、大数据产业链：基于云计算、大数据中心的网络管理平台，通过云统一控制，提供各种综合服务；

网络设备商或芯片商未来将采用具备网络虚拟化及云端运算平台能力的软件，后续SDN关键性的软件应用与硬体设备整合的技术，将成为商用化的核心价值。

在未来。SDN可能会对现有网络设备的销售模式造成极大的颠覆，复杂的软件可以在更为廉价且于简单的设备上实现运作，让未来的客户市场不再专属于大型网络服务商。

参考文献

1郑毅,华一强,何晓峰. SDN的特征、发展现状及趋势[J].电信科学, 2013(09):102-107

2乔龙飞,郑建生,陈鲤文.基于智能路由器的远程存储管理系统[J]. 计算机工程与设计，2015(10):36-65

3边丽丽. 路由器的关键技术及其发展趋势[J]. 计算机与信息技术,2007(28):64-100

收稿日期：（2015-00-00）