住宅網關

家庭網關是由微控制器和乙太網模塊作為核心的硬體平台，或指在家庭中使用的廉價網路設備，與在公司區域網環境中使用的類似設備（通常提供更大服務能力和埠）。在電信網路中，住宅網關（residential gateway）是允許區域網（LAN）連接到廣域網（WAN）的設備。WAN可以是一個更大的計算機網路（例如提供與市內其他住宅的市政WAN），或者網際網路。WAN連接可能通過DSL、纜線數據機、光纖網路、行動電話寬頻網路或其他方式提供。住宅網關也常被稱為家庭網關（Home gateway）。從21世紀初開始，住宅或家庭網關已被不少電信多媒體服務商作為將消費者與寬頻交付網路相聯的終端設備。作為電信公司的一部分，家庭網關支持遠程控制、檢測和配置。家庭網關虛擬化，是指將家庭網關的部分網路功能和業務功能上移到網路側，簡化用戶側的網關設備，甚至將網關變為簡單的橋接設備。

家庭網關主要用於外部網路接入、家庭自動化、家庭娛樂、能耗控制和安防等方面，每一個應用都有不同的成本、帶寬要求。家庭內部組網主要用於解決各種終端之間相互數據傳輸，以及各終端與外部網路的交互。應具有以下功能：

● ● 連通家庭內部網路和外部網路。網路接入是數字家庭的最基本需求，是實現家庭網路各類應用的基礎，具有承上啟下的作用。

● ● 隔離外部網路威脅。家庭網關作為家庭與外部網路的介面，必須要保證安全性，如防火牆功能、上網限制功能等。

● ● 支持家庭組網功能。保障家庭網路中的所有聯網設備能組成統一的網路，使用統一的網路協議，以實現家庭網路內部各個終端的信息共享。管理和配置功能。是家庭網關的核心功能，包括管理、發現、地址解析、包轉發、服務質量（QoS）等。

● ● 家庭網關虛擬化，是指將家庭網關的部分網路功能和業務功能上移到網路側，簡化用戶側的網關設備，甚至將網關變為簡單的橋接設備 。

● ● 對IPv4的網路地址轉換（NAT）。對IPv4的DHCP，並有越來越多的路由器廣播IPv6。

有多種設備可被稱為“住宅網關”：纜線數據機、DSL數據機無線路由器、網路交換、器網際協議通話技術（VoIP）及模擬電話適配器、無線接入點、有線路由器。設備還可能是上述多種設備的組合體。一台數據機（例如DSL數據機、線纜數據機)本身不提供路由器的功能。它只允許ATM或乙太網或PPP流量通過電話線、電纜線、光纖或無線電頻率傳輸。在接收端則是另一個數據機，將傳輸格式重新轉換回數字數據分組。這允許網路依靠電話、電纜、光學或無線電方式連接。數據機也提供握手協議，使連接上各端的設備能夠彼此識別。但是，數據機通常很少提供其他的網路功能。將一個USB數據機插入到一台計算機可以使單台計算機連入WAN。如果配置正確，該計算機還可以作為家庭區域網的路由器。

在單台計算機上可以安裝內置數據機（例如通過PCI卡），這也能使單台計算機連入WAN。同樣，該計算機可以被配置為作為家庭區域網的路由器。

無線接入點可以以類似數據機的方式工作。如果無線路由器或接入點已接入WAN，它可以使家庭區域網（LAN）中的連接直接傳送點廣域網（WAN）。

家庭網關是一個軟硬體相結合的系統，其不僅需要同各種家庭終端連接，實現家庭各個異構網路的互通，同時還需要提供便捷的人機交互方式，方便家庭成員對網關係統的訪問和配置。因此，該物聯網家庭網關在設計時需要參考的主要原則有：

一個系統的實用性是其最基本的價值體現。評價一個產品的好壞，首先要看的就是該產品能不能解決用戶遇到的問題，能不能創造出超越用戶預期的體驗。家庭物聯網、智能家居發展的初期階段，各種各樣的通信協議被提出、應用，並且相互之間不能兼容通信；每一個家庭設備都會配有一個獨立的 APP，隨著家庭設備的增多，用戶手機上往往需要安裝多個 APP，使得家庭設備的管理非常混亂。本文所要設計的物聯網家庭網關，其本質功能就是要解決用戶所遇到的上面提及的問題，通過硬體、軟體層面的設計，給用戶提供一個訪問各個異構網路的介面，能夠通過一個統一的介面實現對各個家庭終端的訪問和控制。

作為家庭網路的核心設備，網關必須要能夠保持長時間的穩定工作，因此網關需要具備可靠運行的能力。當設備運行負荷過高時，設備整體的服務體驗會下降，可以通過降低對低優先順序任務的響應來保證重要任務的服務性能。在硬體上採用冗餘設計，可以在一定程度上確保通信的可靠性，保障數據傳輸到家庭網關以及後台伺服器。

隨著家庭物聯網時代的到來，家庭智能終端的種類、數量和第三方應用軟體都在迅速的增加，為了儘可能兼容新的終端設備和第三方應用軟體，物聯網家庭網關的軟硬體介面單元都需要具備較好可擴展性。

對於普通用戶來說，各種網路名詞和網路設置是非常繁雜混亂的，簡潔的交互界面以及傻瓜式設置引導往往是用戶所期望的。在本文設計的物聯網家庭網關係統中，儘可能的簡化硬體接入操作，使用友好的人機界面與用戶交互，使用戶獲得良好的使用體驗。

由家庭網關的基本概念可知，家庭網關是整個家庭網關的介面單元，使家庭內的各種智能終端接入 Internet，以及實現智能終端之間的相互通信。網路接入與協議轉換是設計一個家庭網關最先考慮實現的功能，只有完成了家庭異構網路通路構建，才能使數據在各網路間傳輸，進而實現家庭智能化管理。

用戶管理是網關係統的重要內容，出於家庭網路安全、穩定以及數據感性等方面的考慮，不同的用戶有不同的許可權，並將用戶的信息與用戶訪問的智能終端進行綁定。首先，家庭網關將第一個登陸交互界面並註冊的用戶當作最高許可權用戶，其他用戶需由該用戶添加之後才能訪問家庭網路；其次，對於數據測量型智能終端（如血氧儀、血壓計的使用），用戶在每次使用之前需要選擇使用者，告知家庭網關是哪位用戶在使用該設備，家庭網關在收到測量的數據之後可以將用戶與數據相關聯，方便用戶日後查看，對於通用家電的控制則不需要選擇使用者（如智能燈具、電視、空調的控制），家庭用戶皆可直接訪問；最後，對於家庭中的兒童用戶，家長可以對其進行一些許可權限制，可以禁止其使用相對有危險性的家電（如電磁爐、微波爐）。

設備的管理與用戶管理方法相似，每一個設備第一次接入家庭網路時都要獲得家庭用戶的同意，並標註設備的名稱和設備類型（如健康數據測量、家庭環境數據測量、多媒體播放等），家庭網關將這些信息與獲取的設備的 ID 綁定在一起，方便之後對該設備的分類管理。

用戶信息、設備信息、以及用戶在使用智能終端時產生的測量數據和日誌文件，均需要通過有效的數據處理與存儲，在用戶查看時可以形象化的展現出來，方便用戶查看。另外，只有與用戶、設備類型關聯起來的數據才能具有價值意義

家庭網路不僅要提高家庭智能終端設備的管理，也需要提高用戶生活的智能化（如 Amazon Echo 提供的一鍵下單、在線訂購披薩、Uber 打車等服務） 。