基于XML的家庭网关能力集模型的设计与实现

蔡 浩 熊 驰

1 武汉铁路职业技术学院 武汉 430052

2 武汉船舶职业技术学院 武汉 430050

引言

随着中国社会信息技术的快速发展和网络技术的日益完善，在进入21世纪第2个10年后，逐步推广的光纤到用户(Fiber To The X, FTTx)技术和逐渐普及类型丰富的各类移动终端设备，使得立足于高接入带宽要求的室内网络智能化信息服务得以快步进入千家万户。家庭用户通过各类笔记本电脑、平板电脑、手机和譬如华为密盒、小米盒子等类型的数字机顶盒设备即可实现信息互动，方便、快捷地享受到越来越智能化、高效化、人性化和安全化的数字生活及服务。

家庭智能组网也已经成为一个非常实际的时尚话题，各种家庭终端设备通过相关协议标准组成家庭局域网(Home Area Network/Family Area Network, HAN/FAN)。HAN用于连接和协调多种家庭设备的各种技术组件和信息，实现设备间的数据访问和资源共享。但是，家庭内部信息的互联互通仅仅是组成了家庭内部的局域网(LAN)。在移动互联网时代，家庭用户更加需要将家庭范围内的数据、信息与家庭的外部数据、信息进行传递、交换，无疑这样的场景或者功能才是家庭智能组网的目的所在；因此，家庭网关设备(Home Gateway)能够承担着家庭内外网络数据的“上传下达”功能，满足上述场景。

当前，国内三大运营商在固定宽带接入网技术方面所采用的无源光网络(PON)主流技术由吉比特无源光网络(GPON)和以太无源光网络(EPON)构成。国内的光接入设备厂商(华为、中兴和烽火等)都有各自的光接入产品[1]。这些部署在家庭或者室内区域内的光接入产品通常被称为光网络单元(Optical Network Unit, ONU)。为满足终端用户的不同业务接入场景的大带宽接入需求，这类ONU设备构成了形态各异的产品体系。随着FTTx技术的演进发展和普及，满足家庭用户汇聚到运营商网络需要的家庭网关ONU设备(简称家庭网关)应运而生。如图1所示，这类类型和功能丰富的PON上行家庭网关随着家庭用户大带宽接入需求，被快速部署到万千家庭。

图1 家庭网关连接外部网络和家庭网络示意图

1 家庭网关的能力集

在国内开发PON上行家庭网关的通信产品公司中，华为、中兴和烽火等设备厂商的家庭网关类商用产品占据了宽带接入类家庭设备的主流市场份额。家庭网关的主要功能包括：1)作为所有外部网络连接到家庭内部，同时将家庭内部网络连接到外部的一种物理接口；2)使家庭用户可以获得各种家庭服务(包括视频点播、回看功能和基于位置的服务等各业务)的平台。如图2所示，家庭网关终端的物理接口分为网络(WAN)侧和用户(LAN)侧接口两大类，它通过WAN侧接口接入宽带网络，通过WAN侧接口为家庭内部各种终端设备提供宽带上网、语音、IPTV等服务。

图2 家庭网关的接口

同时，家庭网关设备通过LAN侧接口连接家庭网络内部的各种设备，为家庭用户提供各种服务的接入功能。以华为的一款家庭网关产品HG8247为例(如图3所示)，其通过GPON/EPON技术向家庭/SOHO用户提供对应多业务超宽带接入服务。此款家庭网关设备的端口集合为2POTS+4GE+1USB+1CATV+1WiFi，它可以向家庭用户提供2个语音接口(POTS)、4个自适应以太端口(GE/FE)、1个CATV接口和Wi-Fi接口的接入服务。这类承载多种业务功能的家庭网关设备通过高性能的数据转发能力，有效保障家庭用户的话音、数据和高清视频的业务体验。

图3 华为家庭网关HG8247

通常情况下，家庭网关产品依据能够提供给家庭用户的不同功能的WAN/LAN侧端口划分成不同的功能集合。WAN侧接口和LAN侧接口类型比较多，具体可参考表1。

在家庭智能网中，这类集合称之为能力集(Capability Sets)，它用于表示设备上不同目标业务和相应业务特征的集合。各个运营商正是通过各种不同能力集类型的家庭网关来满足家庭用户多种多样的业务要求和场景。

2 家庭网关业务适配流程

如图4所示，家庭网关设备对经过其上的数据、应用进行转发、控制和管理，并通过WAN侧接口与网元管理系统(Element Management System, EMS)和终端综合管理系统(Integrated Terminal Management System, ITMS)进行交互，实现家庭网络和外部网络的通信，提供各种可管理、可控制的应用。以中国电信的E8家庭网关为例，E8终端分为E8B和E8C两种设备型态，其中E8C具有POTS口，可支持VOIP，而E8B无POTS，不支持VOIP。中国电信通过这两类家庭网关设备的不同形态、接口，为家庭用户提供相类似的用户界面和不同的业务功能功能。并通过EMS或者ITMS平台，远程管理这类家庭网关设备的网络安全、业务性能、运行环境和设备软硬件版本等内容[1]。

图4 中国电信家庭网关相关业务

如表2所示，PON上行的家庭网关主要通过以下各种外部系统或模式进行相应业务功能的配置及修改。

当前，上述各种配置方式，都不支持家庭网关能力集的配置功能。

表2 ITMS/EMS等家庭网关配置方式

3 家庭网关能力集管理的问题

伴随3G/4G业务全面开展、“光进铜退”以及FTTx技术进入万千公司、企业和家庭用户，我国互联网已经进入宽带时代[2]。各种类型的家庭网关一方面依托不同能力集端口能够很好地适用于公司、企业及家庭用户的各种场景，另一方面也给家庭网关生产厂商的项目、版本管理和运营商的海量运维管理带来了巨大挑战[3]。如图5所示，各运营商也因为各个厂商的家庭网关的各种不同能力集，需要在ITMS或者EMS平台上维护各种类型家庭网关的部署、控制、业务管理、维护升级等树形结构信息。

图5 EMS上增加家庭网关能力集管理

在FTTx技术中，家庭网关的注册授权管理是PON的关键技术之一，过去各运营商一般都通过唯一识别的类型码来管理各种不同类型的家庭网关[4]。家庭用户的宽带接入场景多种多样，必然导致家庭网关设备类型也越来越多。不同的家庭网关，其端口种类、端口数目、软件功能的差异等都会唯一对应一个类型码，因此，通过类型码管理家庭网关的管理成本就会提高。而且，不同厂家的家庭网关的类型码无法统一，互通性很差。如图6所示，ITMS对于一个厂家类型码对应的物理属性和功能属性，其他厂家无法下发对应的配置参数，也就无法对该类型码的家庭网关进行精确配置管理。

图6 ITMS管理家庭网关能力集

宽带运营商在运维、管理过程中，希望有一套统一的策略，能够对不同厂商不同类型的家庭网关进行“无差别”管理。家庭网关生产厂商也希望生产的家庭网关设备既能够充分满足客户不同接入业务的场景需求，又能够在硬件成本持续降低的前提下，对硬件进行必要的冗余处理，使之能够通过软件配置方式降低后期项目、版本的维护管理成本。同时，家庭用户也能够更加灵活、主动的对家庭网关设备进行比如业务定制、业务变更等个性化的操作配置，方便自己的个性化需求被快速实现。

为了增强家庭网关设备的互联互通性，降低家庭网关设备的管理成本，并方便家庭用户的个性化需求，家庭网关厂商可以考虑在家庭网关的数据适配层和驱动配置模块间，抽象出一层模版配置层(如图7所示)。这样，不同类型、不同厂商的家庭网关就可以被ITMS或者EMS平台以各种能力集模版来区分，并以一种数据模版集的方式统一管理。

图7 家庭网关模版适配层

4 能力集XML模版

在计算机领域中，标记语言(Markup Language)指承载计算机所能理解的信息符号，通过XML(Extensible Markup Language，可扩展标记语言)语言，计算机之间可以处理各种信息，比如文章、数据等[5]。XML是一种用于标记电子文件使其具有结构性的标记语言。XML类似于HTML，它用于传输和存储数据信息，其焦点是数据的内容(如图8所示)。HTML用来显示数据，其焦点是数据的外观呈现效果[5]。

图8 XML语言

在移动互联网技术和物联网技术发展应用中，XML元素指的是从开始标签(且包括)直到结束标签(且包括)的所有部分。XML元素可包含其他元素、文本或者两者的混合物。图8中＜to＞是一个开始标签，＜/to＞是一个结束标签，＜to＞Candy＜/to＞是一个元素。XML元素也可以拥有属性，例如＜heading color="red"＞Reminder＜/heading＞的XML元素中，color="red"是其属性部分。开发人员通过创建一个应用程序，就可将＜to＞、＜from＞以及＜body＞元素提取出来，并产生如图9的文件格式输出。

图9 XML文件可输出mail格式内容

借助XML元素可以存储数据信息的特性，家庭网关通过XML模版配置层功能，解析网管平台(ITMS和EMS)下发的配置，可以在相同类型设备上设置不同的能力集信息。在硬件条件允许的前提下(随着硬件成本的不断降低，涉及家庭网关的能力集硬件能够冗余匹配)，相同出厂设置的家庭网关就可以由运营商或者最终用户依照需求进行配置，配置后就能够呈现不同的业务特性。GPON ONU家庭网关的LED点灯特性的XML配置X_GponLed，可以用XML模版适配方式下发。如下XML配置所示，此类家庭网关的LED点灯特性与GPON ONU注册上线流程匹配。借助XML配置文件，可以配置家庭网关在GPON ONU注册上线不同阶段的不同LED点灯效果(包括设置LED灯的ID，LED灯颜色、频率及名称等)。

如表3所示，以用户A的宽带接入业务场景为例，在2014年该用户采用了移动运营商的宽带接入业务，并购买了移动运营商提供的家庭网关。而到2015年，电信运营商的接入业务开展活动，该用户可以以相同价格，开通语音、IPTV和宽带接入业务。整个宽带业务更换的过程，客户仅需要按原来方式在网络上进行申请，并完成相应缴费流程，即可实现家庭网络接入需求的变更。这种方式无需更换家庭网关设备，保障了家庭用户的利益和业务变更诉求。

表3 两种方式开通业务比较

在用户变更为其它运营商的场景下，如果采用上述XML模版方式，不但可以节省运营商或用户的变更成本，还可以通过能力集XML配置下发方式，以时间短、风险小的方式平滑完成用户的业务变更要求。这类特性，无需采用家庭网关原来的升级配置方式(即能力集特性被写入到软件代码中固化了，且必须伴随固件升级一起下发后才能修改相应特性)，而是以XML模版来承载，由运营商或者最终用户按业务需求来订制下发。通过网关平台来下发家庭网关的能力集XML模版的处理方式，增强了运营商运维管理家庭网关的灵活度。更重要的是，这类方式为最终用户节省了变更设备及业务的部分投入，并给他们带来了业务实现的便利。

5 能力集XML模版适配流程

家庭网关的能力集配置过程也可以通过上述方式配置下发，能力集配置数据主要经过以下三个内部模块处理，它们是：系统管理处理(SMP，System management processor)模块、适配管理处理(AMP，Adapt management processor)模块和系统设置处理(SSP，System setting processor)模块。

以LED点灯特性为例，家庭网关在获取能力集XML模版后，调用XML模块适配层适配处理能力集模版中的LED点灯配置信息，然后对本地LED点灯的能力集接口功能进行配置更新，最后下发到驱动层。

各功能模块家庭网关的能力集XML模版的配置、下发过程如图10所示。

图10 家庭网关能力集配置流程

家庭网关的AMP模块通过多个通道接收XML能力集配置模版数据，并进行语法、数据的检查。然后将数据转发给XML模版适配层处理。该层逐一解析XML元素及属性相关数据信息，并对数据进行校验。当数据校验正确后，家庭网关将待处理配置数据信息交给SMP模块处理，SMP模块分析待配置的能力集信息，分析待调用处理的SSP接口。最后，SMP模块发送这些配置信息到SSP模块，再由SMP模块依据不同的能力集驱动接口，将这些配置信息下发驱动，完成实际配置。

6 总结与展望

国家十二五规划中已经明确将无线智能家庭产业与新能源、文化创意产业等并列为战略性新兴产业，将投入重金予以扶持发展。随着移动互联网络的飞速发展，当前宽带应用需求越来越多，尤其在视频和端到端应用的兴起后，人们对带宽的需求越来越强烈。

本文基于XML文件格式，提出一种应用于家庭网关的实用性强的能力集模型设计方案。基于上述方案，家庭用户能够以更加灵活、主动的方式，对家庭网关设备进行业务定制，方便实现其个性化的需求。同时，运营商能够快速应对家庭用户多接入业务及其业务变更的需求，并且能够低成本、高效运维管理家庭网关设备。

在家庭网关的固件版本升级运维的实际应用中，由于不同厂商的家庭网关的多种软件功能及特性不同，运营商往往需要配置不同的升级策略，并进行不同的升级时间安排。后续，可以考虑将软件功能模块化，由家庭网关的厂商负责软件升级或者内置到设备上。软件特性是否启用，则由运营商依据家庭用户的实际需求来决定。当用户提出相应需求后，运营商可以通过本文提出的家庭网关的能力集XML模版方案下发配置参数后，启用家庭网关上的软件功能，满足客户的不同业务需求。

参考文献

[1] 中国电信.中国电信家庭网关与终端综合管理系统接口技术要求[S].2012,9

[2] 蔡浩,熊驰,吴春祥.一种基于PLOAM通道的ROGUE ONU检测设计方案[J].襄阳职业技术学院学报,2015(3):24-28

[3] 蔡浩,代博兰,熊驰.基于IGMP协议的家庭网关固件升级系统的设计与实现[J].信息通信技术,2015,9(8):78-84

[4] 烽火通信科技股份有限公司.基于能力集模版管理Onu的方法:201310045721X[P].2013-02-05

[5] 百度百科.可扩展标记语言[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/159832.htm?fromtitle=xml&fromid=86251&typ e=syn#1