• 沒有找到結果。

家庭網路的相關議題與解決方案

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "家庭網路的相關議題與解決方案"

Copied!
84
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)國立交通大學 資訊管理研究所 博 士 論 文. 家庭網路的相關議題與解決方案 Issues and Solutions of the Home Automation Network. 研 究 生:陳宇佐 指導教授:羅濟群. 教授. 中 華 民 國 九 十 三 年 六 月.

(2) 家庭網路的相關議題與解決方案 Issues and Solutions of the Home Automation Network. 研 究 生:陳宇佐. Student:Yu-Tso Chen. 指導教授:羅濟群. Advisor:Chi-Chun Lo. 國 立 交 通 大 學 資訊管理研究所 博 士 論 文 A Thesis Submitted to Institute of Information Management College of Management National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Ph.D. of Business Administration in Information Management. June 2004 Hsinchu, Taiwan, Republic of China. 中華民國九十三年六月.

(3) 家庭網路的相關議題與解決方案 學生:陳宇佐. 指導教授:羅濟群 國立交通大學資訊管理研究所博士班. 摘. 要. 人類社會是一個動態變化的大環境,近幾年來由於資訊科技與網路技術的高 度發展與應用,使得產業活動與人類生活因而產生相當大的變化。面對網路家庭 化的變革趨勢,家庭網路(Home Automation Network,HAN)已被視為網際網路 的延伸,成為未來相當重要的資訊應用平台。許多號稱與家庭網路相關的標準及 技術不但已被陸續提出,而且也已經在產官學界被熱烈地討論著。然而,截至目 前為止,家庭網路的定義及協定架構,無論在學術領域或產業發展上,遲遲無法 達到認知及實作上的一致。 本論文以家庭網路架構為研究核心,以家庭網路的相關議題為探討細項,內 容除了描述近幾年來家庭網路在學術界與產業界的發展現況外,並根據現況與發 展趨勢的剖析,提出一套以 TCP/IP 為基礎,適合資訊家電進行合理運作的分散式 家庭網路架構。本文所提出的家庭網路架構,由 Residential Gateway、Room Manager 及 Managed Information Appliance 組成,在此架構下,進一步探討與家庭 網路密切相關的議題,包括:遠端操作與管理、網路位址轉換與服務品質保證。 在 遠 端 操 作 與 管 理 部 分 , 透 過 簡 單 網 路 管 理 協 定 ( Simple Network Management Protocol)及代理人(Agent)技術的搭配,家庭網路能提供穩固的遠 端操作與管理功能;在網路位址轉換部分,本論文提出一套針對家庭網路特性, 修改自 Realm Specific IP 的機制—Realm Specific IP for HAN(RSIPH),RSIPH 能 在兼顧安全通訊的需求下完成網路位址轉換;在服務品質保證部分,本論文提出 一套根據家庭網路中資訊家電使用之行為特性為依據的封包分類方法 (Behavior-oriented Service Classification,BSC),並提出一套適用在家庭網路的 緩衝區管理機制(Class-based queuing Priority Buffer Management for HAN, CPBMH),透過 BSC 及 CPBMH 的搭配,家庭網路能針對資訊家電操作特性提供 合宜的服務品質保證。 關鍵字:家庭網路、遠端操作與管理、網路位址轉換、服務品質保證. i.

(4) Issues and Solutions of the Home Automation Network Student:Yu-Tso Chen. Advisor:Dr. Chi-Chun Lo. Institute of Information Management National Chiao Tung University. ABSTRACT The home automation network (HAN) has become an important research topic for the past few years. Standards and technologies of HAN have been proposed and frequently discussed in both academic and industrial circles. In this thesis, a distributed home automation network architecture is proposed. This architecture consists of three components:residential gateway, room manager, and managed information appliance. Issues and solutions based on this HAN architecture, including remote operation and management, network address translation (NAT), and quality of service (QoS), are discussed. To remotely operate and manage an information appliance on HAN, intelligent agents are used to carry out operation and management functions. As to the management aspect of HAN, the simple network management protocol of the Internet is adopted. As for NAT on HAN, a modified version of Realm Specific IP, called Realm Specific IP for HAN (RSIPH) is proposed. As for QoS, we propose a behavior-oriented service classification for IA and suggest a novel buffer management scheme, called the class-based queuing priority buffer management for HAN (CPBMH), to enforce QoSs on HAN. Keywords:HAN,Remote Operation and Management,NAT,QoS. ii.

(5) 誌. 謝. 資管博士的養成是一項全面而漫長的過程,過程中所經歷的各種歷練,除了 自身的堅持外,更需要他人的從旁協助、指導與鼓勵。 愛妻佩雲與愛女昱婷是我精神層面上最大的支柱,也是取自心靈最大的力量 來源。 淑惠、美玉、志坤、之寅、耕億…等好友是豐富我博士班生涯的最佳伙伴, 除了知識的成長,更讓我獲致許多難忘的生活經驗與樂趣。 指導教授羅老師所賦予我的不只是博士資格的培訓,更重要的是兩項讓我終 身受用的態度:待人謙卑及處事積極。或許我並不是最優秀的博士,也不會是最 優秀的博士,但今日的簡單成就,絕非一人之力可得,我堅信取之社會即應回饋 社會,盡一己之力謀眾人之利。 對於資管博士的學位取得,我心懷感激,感謝家人、朋友及所有指導我的人 師。謝謝!. iii.

(6) 目. 錄. 中文摘要............................................................................................................................i 英文摘要...........................................................................................................................ii 誌謝..................................................................................................................................iii 目錄..................................................................................................................................iv 表目錄..............................................................................................................................vi 圖目錄.............................................................................................................................vii 壹、前言...........................................................................................................................1 貳、家庭網路的發展現況...............................................................................................4 2.1 家庭網路的相關標準.........................................................................................4 2.1.1 架構完整的家庭網路標準.....................................................................4 2.1.2 偏向 OSI 底層的家庭網路標準 ............................................................5 2.2 家庭網路的研究文獻.........................................................................................6 2.3 家庭網路概念性架構........................................................................................7 2.4 家庭網路的運作設備:資訊家電....................................................................8 參、以 TCP/IP 為基礎的家庭網路架構....................................................................... 11 3.1 家庭網路研究議題..........................................................................................13 肆、分散式遠端操作與管理.........................................................................................15 4.1 分散式操作與管理運作典範..........................................................................15 4.1.1 遠端操作...............................................................................................15 4.1.2 遠端管理...............................................................................................16 4.2 分散式家庭網路架構......................................................................................17 4.2.1 Residential Gateway...............................................................................18 4.2.2 Room Manager.......................................................................................20 4.2.3 Managed Information Appliance ...........................................................21 4.2.4 分散式家庭網路架構特性...................................................................21 4.3 分散式遠端操作案例......................................................................................22 4.4 小結...................................................................................................................23 伍、家庭網路的網路位址轉換機制.............................................................................25 5.1 Realm Specific IP..............................................................................................25 5.2 RSIP 混亂現象 .................................................................................................26 5.3 RSIPH ................................................................................................................28 5.3.1 RSIPH 協定.............................................................................................28 5.3.2 RSIPH 參數設定.....................................................................................30 5.4 RSIPH 混亂現象的解決方案............................................................................32 5.5 RSIPH 模擬系統實作........................................................................................35. iv.

(7) 5.5.1 以 XML 技術為基礎的模擬系統........................................................35 5.5.1.1 XML Schema 設計 .....................................................................35 5.5.2 RSIPH 的運作案例.................................................................................39 5.5.2.1 Device Installation and De-installation.......................................39 5.5.2.2 A remote operation outside John’s home ....................................39 5.5.2.3 Fire alalm inside John’s home.....................................................39 5.5.3 模擬分析...............................................................................................40 5.5.3.1 效能評比指標............................................................................41 5.5.3.2 模擬結果與分析........................................................................41 5.6 小結...................................................................................................................44 陸、家庭網路的網路服務品質保證.............................................................................45 6.1 Internet 服務品質爭議 .....................................................................................45 6.1.1 缺乏效能保證.......................................................................................45 6.1.2 未落實服務差異化...............................................................................45 6.2 Internet 服務品質保證 .....................................................................................46 6.2.1 資源分配模型.......................................................................................46 6.2.1.1 Integrated Service........................................................................46 6.2.1.2 Differentiated Service .................................................................47 6.2.2 效能最佳化...........................................................................................48 6.3 家庭網路之網路服務品質架構......................................................................48 6.4 行為導向的服務分類(BSC) ......................................................................51 6.5 緩衝區管理機制..............................................................................................53 6.5.1 Tail-Drop ................................................................................................54 6.5.2 CPBM.....................................................................................................55 6.5.3 CPBMH ...................................................................................................56 6.6 實作模擬與結果分析......................................................................................59 6.6.1 模擬系統架構.......................................................................................59 6.6.2 參數使用與設定...................................................................................60 6.6.3 效能指標...............................................................................................61 6.6.4 模擬結果...............................................................................................61 6.7 BSC 搭配 CPBMH 之施行 ...............................................................................64 6.8 小結...................................................................................................................65 柒、結論與未來展望.....................................................................................................66 參考文獻.........................................................................................................................68 附錄一.............................................................................................................................73. v.

(8) 表. 目. 錄. 表 5-1 表 5-2 表 5-3 表 5-4 表 5-5 表 6-1 表 6-2 表 6-3. RG 的 XML Schema ........................................................................................37 RM 的 XML Schema........................................................................................38 MIA 的 XML Schema ......................................................................................38 RSIPH 參數的 XML Schema ............................................................................38 RSIPH 與 RSIP 的模擬執行時間比較表(link load vs. 連線需求數) .......43 功能分類下之 IA 及其應用範例列表 ............................................................52 以行為特性為參考依據的服務分類表 ..........................................................53 緩衝區管理機制模擬實驗的封包大小設定規則表 ......................................60. 附表 1 附表 2 附表 3 附表 4 附表 5 附表 6 附表 7 附表 8 附表 9 附表 10 附表 11 附表 12 附表 13. IP Header (20 bytes).........................................................................................73 UDP Header (8 bytes) ......................................................................................73 TCP Header (20 bytes).....................................................................................73 ICMP messages encapsulated within an IP datagram ......................................74 ICMP message types ........................................................................................74 ICMP message (type=17,18)(12 bytes)............................................................74 ICMP message (type=13,14)(20 bytes)............................................................74 ICMP message (type=12)(8 bytes)...................................................................75 ICMP message (type=11)(8 bytes)...................................................................75 ICMP message (type=5)(8 bytes)...................................................................75 ICMP message (type=4)(8 bytes)...................................................................75 ICMP message (type=3)(8 bytes)...................................................................75 ICMP message (type=0,8)(8 bytes)................................................................75. vi.

(9) 圖 圖 2-1 圖 2-2 圖 3-1 圖 4-1 圖 4-2 圖 4-3 圖 5-1 圖 5-2 圖 5-3 圖 5-4 圖 5-5 圖 6-1 圖 6-2 圖 6-3 圖 6-4 圖 6-5 圖 6-6. 目. 錄. CEBus 網路架構圖 ............................................................................................5 家庭網路及資訊家電的概念性架構圖 ............................................................7 以 TCP/IP 為基礎的家庭網路架構圖 ............................................................13 分散式遠端操作與管理架構圖 ......................................................................18 Residential Gateway 的功能模組示意圖 ........................................................20 Room Manager 的功能模組示意圖 ................................................................21 RSIPH 訊息交換示意圖 ...................................................................................30 RSIPH 的運作案例示意圖 ...............................................................................40 link load=0.1 之埠號產生次數比較圖(使用 port realm vs. 隨機產生)...42 link load=0.3 之埠號產生次數比較圖(使用 port realm vs. 隨機產生)...42 link load=0.5 之埠號產生次數比較圖(使用 port realm vs. 隨機產生)...43 家庭網路之網路服務品質架構圖 ..................................................................50 CPBM 運作流程圖 ..........................................................................................56 CPBMH 運作流程圖.........................................................................................58 模擬系統架構圖 ..............................................................................................59 CPBMH 與 CPBM 在不同 link load 的 Priority1 Replacement Rate 比較圖 .62 CPBMH、CPBM 與 Tail-Drop 在不同 link load 的 Priority1 Lost Rate 比較圖. .................................................................................................................................63 圖 6-7 CPBMH、CPBM 與 Tail-Drop 在不同 link load 的 Total Lost Rate 比較圖.63 圖 6-8 HAN QoS 網路環境想像圖.............................................................................64. vii.

(10) 壹、前言 人類社會是一個動態變化的大環境,而科技是帶領人類社會進步的主要動力 之一,以近幾年來的科技發展情勢來說,資訊設備的使用日新月異,網路延伸的 範圍幾乎無遠弗屆,尤其是網際網路(Internet)的普及,可謂觸發科技快速成長 的最大功臣。由於資訊科技與網路技術的高度發展與應用,使得產業活動與人類 生活因而產生相當大的變化。以資訊設備的發展角度來看,著重在運算能力的個 人電腦(Personal Computer,PC)時代已近尾聲,而強調網網相連、並以服務及 軟體價值為主要訴求的後 PC 時代正式來臨,新型態的電子資訊設備將取代 PC 成 為主流運算設備;根據一般預測,新型態的資訊設備必須整合運算、儲存、溝通… 等系統功能於一身,甚或進一步與傳統家電功能結合在一起,使得人類未來的生 活進入一個更為全面資訊化的境界。而以資訊設備使用環境的角度來看,網際網 路依舊是資訊科技應用的主要平台,因此,可預期的是,面對網路家庭化的變革 趨勢,家庭網路將被視為網際網路的延伸,成為未來相當重要的資訊流通平台。 無可諱言地,具備家電功能的資訊設備(或稱資訊家電)與家庭網路的發展,已 經成為未來電子資訊產業界中一股無法阻擋的發展趨勢。 網路的好處在於能方便且迅速地傳遞資料或訊號,使得建構在網路上的各種 應用能夠在運作時顯著地提昇效率,尤其是網際網路的盛行,憑藉其軟硬體支援 度高,使用成本低廉,成為當前應用層面最廣的網路架構;從早期在國防、學術 上的研究,一直到商務活動的引用,網際網路這個無遠弗屆的科技產物,很快地 改變人類社會的運作模式,而這些模式都被套上「e 化」的字眼,舉凡:e-Business、 e-Learning 乃至於 e-Life;換言之,網際網路的應用已經從商業交易、教育文化傳 承,漸漸滲入日常生活。尤其是近幾年來,電子資訊相關產業紛紛聲稱”後 PC 時 代”已然來臨,導致 3C(Computer、Consumer、Communications)整合趨勢的演 進,更使得硬體設備的發展方向也有所修正,一般的運算設備,如:PC,或傳統 通 訊 網 路 設 備 的 成 長 已 漸 趨 緩 慢 , 取 而 代 之 的 是 資 訊 家 電 ( Information Appliance,IA)與手持式行動通訊設備的研發,這在在證明了 e-Lift 是科技運用 的重要指標與發展趨勢。 e-Life 的意義在於日常生活中資訊設備的使用能否適時適地!在普遍的認知 中,資訊家電是推動 e-Life 的最主要運作設備,而基於 IA 的使用絕大部分還是涵 蓋在家庭裡,所以,家庭網路(home automation network,HAN)自然成為探討 e-Life 時最基本且最重要的主題;或者可以說,HAN 是實現 e-Life 的主要基礎建 設(infrastructure)。然而,截至目前為止,家庭網路的定義及協定架構,無論在 學術領域或產業發展上,都無法達到認知及實作上的多數一致,使得全球產官學 界對於家庭網路的詮釋,一直是各說各話,混沌未明;而資訊家電的情形亦同。. 1.

(11) 儘管資訊家電自觀點提出,以致於之後的熱烈探討與研究,已歷時近十載, 但其定義及分類依舊沒有公認的標準,我們只能粗略地將資訊家電解釋成具有資 訊處理能力的家電設備。至於更為詳細的軟硬體架構與規格,乃至於相關的應用 方式,都還處於百家爭鳴、混沌未明的階段。本文認為,以功能性的觀點來說, 處理資訊的能力可大致歸成三大類,即運算、儲存及通訊,因為任何與資訊相關 的系統都需要進行資料或資訊的輸入、處理、輸出與回饋,而在運作過程中,仰 賴額外的儲存體作適時適量的支援是必須的,目前被廣為研究的系統單晶片 (system on a chip,SOC) ,即是試圖將以上三類能力合併在一個以低成本、低耗 能、高整合度為設計原則的硬體晶片上;因此,資訊家電的硬體設計應與 SOC 有 極密切的關係。至於 IA 的操作與軟體應用,在考慮使用者親和性與操作方式普 遍性的原則下,理論上應與一般 PC 上的應用軟體類似,但實際上,其使用目的 顯然不同。以目前最常被使用的資訊設備 PC 來說,PC 憑藉其優異的運算處理能 力,被定位成通用型的資訊設備,可用於處理各類型事物。然而,家電設備就不 同了,家電用品很少是通用型的,冷氣歸為空調系統,電視屬於娛樂設備,所以, 我們可以說,讓家電具有處理資訊的能力,並不在於增強它原有之功能,而在於 讓人類使用者操作這些家電時能夠更方便,或是更貼近所謂的人性化或自動化(註 1 ) ;換言之,資訊家電的最終目的不外乎進行遠端操作與管理,或提升家電設備 的相互協調、相輔相成的能力。為達到這樣的目的,通訊網路自然是極為重要的 基礎建設,而以資訊家電為設備所構成的通訊網路即是家庭網路。 家庭網路的發展歷史已經相當悠久,早在 1980 年代,家庭網路的觀念已經萌 芽,而在 1990 年前後,許多重要的家庭網路架構也已經陸續被提出,比較著名的 整體性架構包括:由 Electronic Industries Association(EIA)提出的 Consumer Electronics Bus(CEBus)[1][2]、由 European Home Systems Association(EHSA) 提出的 European Home Systems(EHS)[3]…等。以 CEBus 為例,它制訂了相當 完善的家庭網路相關機制,包括:供作傳輸用途的實體介質規範、各協定層間的 網路封包格式、標準的訊息描述語言 Common Application Language(CAL)…等。 事實上,許多號稱與家庭網路相關的標準及技術不但已被陸續提出,而且也已經 在產官學界被熱烈地討論著。然而,截至目前為止,家庭網路的定義及協定架構, 無論在學術領域或產業發展上,還是無法達到認知及實作上的普遍共識。 由此可知,資訊家電與家庭網路的探討儘管熱烈而豐富,但在最終架構及相 關標準底定之前,想要真正將 e-Life 的理念完整落實到真實的家庭世界裡,實在 還有一段很長的路要走。目前,資訊家電的發展由產業界主導的情形較明顯,畢 竟資訊家電算是施行 e-Life 的最後一哩(Last Mile) ,在整個家庭自動化方式還無 法完整建立之前,那是唯一有利可圖的區域,而學術界在這方面的研究,顯然是 動機較為薄弱,也就無法有豐富的研究貢獻;至於家庭網路的研究發展,雖然同 註1:操作過程毋須人類的介入。. 2.

(12) 樣在產官學界熱烈探討,但業界所提出的方案多是針對自家的獨有架構,而學術 論作所提出的家庭網路架構也多是建構在當代較熱門的業界標準上,且鮮少實作 上的探討。有鑑於此,本論文以家庭網路的相關議題為探討細項,在同時考慮資 訊家電特性及科技實務的前提下,提出一套合理而完整的家庭網路架構。 在下一個章節中,本文將簡單介紹家庭網路的發展現況,除了簡要地描述家 庭網路在產業發展與學術研究上的進程外,並透過家庭網路概念性架構的提出, 進一步剖析家庭網路與運作在家庭網路之上的資訊家電的發展趨勢;第三章提出 以 TCP/IP 為基礎的家庭網路架構,並以此架構為基礎,列舉與家庭網路相關的研 究議題;第四章以遠端操作與管理為研究主題,藉由簡單網路管理協定(simple network management protocol,SNMP)與行動代理人(Mobile Agent)技術的配合, 設計出合理且實用的家庭自動化應用典範;第五章探討家庭網路的必備機制之 一:網路位址轉換,家庭網路的設備定址與位址使用大致依循網際網路,但在必 須兼顧通訊安全的條件下,就需要使用 Realm Specific IP(RSIP)協定,本論文 針對家庭網路特性適度修改 RSIP,並從而提出一套有效而有用的網路位址轉換機 制(RSIP for HAN,RSIPH);第六章探討家庭網路的網路服務品質保證,根據家 庭網路的應用特性,家庭網路的網路服務品質應以差異化服務為基礎,本論文提 出一套以資訊家電使用的行為特性為基礎的服務分類方法(Behavior-oriented Service Classification,BSC) ,以及適用於家庭網路的緩衝區管理機制(Class-based queuing Priority Buffer Management for HAN,CPBMH) ,BSC 與 CPBMH 的搭配能 符合家庭網路服務品質保證的需求。. 3.

(13) 貳、家庭網路的發展現況 本章透過家庭網路的相關標準與以家庭網路為探討對象的學術文獻的介紹, 來說明家庭網路的標準,並以一個概念性的家庭網路架構,來剖析目前在家庭網 路發展上的不足之處。. 2.1 家庭網路的相關標準 家庭網路的建置較一般辦公室的網路建置有相當程度的不同,主要必須考慮 的是資訊家電間彼此串連方式的相互配合,以及在不抵觸家用功能的前提下,可 加諸的附加價值,例如:遠端設定、遠端操作…等。事實上,家庭網路的探討並 非是近幾年來才有的話題,和 Internet 一樣,許多與家庭網路有關的開放標準是 在被大多數人注意之前就已經存在的,早期較著名的相關標準或規格包括定義於 EIA 600 系列的 CEBus、EHSA 提出的 EHS,以及定義於 EIA 709 系列的 LonWorks[4][5]…等。而在這些標準中,CEBus 算是較著名的一個家庭網路標準, 同時也是爾後諸多家庭網路標準的鼻祖,CEBus 屬於架構完整的家庭網路標準, 其架構可完整對應至 Open Systems Interconnection(OSI) Reference Model;但 近幾年來,時有所聞的家庭網路標準鮮少是完整的網路架構,而是比較偏向 OSI 底層的協定集。 2.1.1 架構完整的家庭網路標準 在歷來的家庭網路標準中,屬於完整架構的有 CEBus、EHS、LonWorks…等, 其中最有名的即是 CEBus。CEBus 是 ANSI/EIA 600 的通俗稱呼,ANSI/EIA 600 是以居家型消費性電子產品為使用對象的通訊標準,這個標準詳細制訂了產品之 間傳送資訊的方式、傳送資訊的媒介以及相關的各式通訊協定。CEBus 是一種開 放式的網路架構,其目的在於提供廣泛的家用設備互連機制,使能允許多種傳輸 介質的使用(包括:power line 之 PLBus、twisted pair 之 TPBus、coaxial cable 之 CXBus、fiber optic 之 FOBus、Radio Frequency 之 RFBus 以及 Infrared light 之 IRBus) ,以達到設備間能進行溝通與控制。CEBus 屬於完整的家庭網路標準,其 架構可對應至 OSI Reference Model,其架構圖如圖 2-1 所示。. 4.

(14) 圖 2-1 CEBus 網路架構圖 根據 EIA 的文件紀錄,CEBus 委員會為 CEBus 設定了五個主要目標: 1. 提供分散式而非集中式的控制。 2. 支援對音訊、視訊、資料以及控制訊號…等多重格式的資訊的傳送。 3. 支援使用多種傳輸媒介。 4. 提供單一而具備彈性的應用語言。 5. 支援 CEBus 的消費性電子產品在實作上所需花費的成本相當低廉。 以上述五種目標為設計理念的 CEBus,能夠安裝在許多既有的裝置上,形成 智慧型的分散式系統(不需要中央電腦控制) ,也不受限於任何一種特殊的產品別 或架構,再者,其屬於開放式的設計架構,具有充分的延展性。目前,CEBus 標 準已處於完成階段,也沒有新的規格內容再公佈出來,CEBus 工業委員會也不再 運作。不過,CEBus 標準中的 HomePnP 規範仍然是一個對外公開的標準。而在 實際產品部分,已經沒有廠商生產 CEBus 晶片組,不過,據 Domosys 和 Intellon 這兩家公司表示,如果有客戶需要的話,該公司仍舊有 CEBus 晶片組的存貨,也 願意繼續生產。此外,CEBus 標準在 2003 年完成了它每五年的更新版。 2.1.2 偏向 OSI 底層的家庭網路標準 CEBus 的發展一直是 90 年代家庭網路標準的重要指標,但自 90 年代末期起, 大量號稱以家庭網路為設計訴求的產業標準不斷竄出,同時也有許多實際的產品 被設計出來,包括:以電源線為傳輸介質的 X10[6];以雙絞線為傳輸介質的 Home Phone-Line Network Alliance ( HomePNA ) [7] ; 以 同 軸 電 纜 為 傳 輸 介 質 的 CableHome[8];以及目前最熱門的無線傳輸技術,如:IEEE 802.11 針對家庭網路 部分(IEEE 802.11 frequency-hopping(FH)、IEEE 802.11 direct-sequence(DS)) [9]、broadband radio access networks(BRAN)[10]、digital enhanced cordless. 5.

(15) telecommunications(DECT)[11]、shared wireless access protocol(SWAP)[12]以 及 Bluetooth[13];這些業界標準許多也是由 CEBus 延伸而成的產品,不僅數量多, 而且差異性頗大,倘若將這些標準對應至 OSI Reference Model,則不難發現,這 些規格多屬於 OSI Reference Model 中較底層的模組,尤其多歸類於 physical、data link 及 network 三層,至於較高層級的模組探討與使用,相對地就比較缺乏。. 2.2 家庭網路的研究文獻 家庭網路的概念雖然很早就被提出來討論[14][15],但之後家庭網路在學術研 究上的發展卻一直深受產業發展腳步的影響,當 CEBus 主導 90 年代家庭網路標 準的發展時,CEBus 自然也是在學術研究中最常被探討的家庭網路架構,早期的 研究大多侷限在 CEBus 的細部規格探討[16-20]以及標準訊息描述語言 CAL 的研 究[21-23],而建構在 CEBus 之上的應用也多侷限在單一的家庭網路封閉環境中 [24-27]。直到 1995 年,Olshansky、Ruth 以及 Deng[28]提出 residential LAN 的想 法,認為家庭內資訊服務的存取非僅來自 HAN 本身,也可能來自 HAN 之外的公 眾網路,而溝通的媒介可以是有線或無線的技術。1997 年,Holiday[29]正式提出 一個相當重要的家庭網路元件:residential gateway(RG),RG 是介於 HAN 與其 他戶外通訊網路之中介橋樑,合理的 RG 使用能大幅降低 HAN 在應用架構設計 上的複雜度,而 RG 這個名詞與觀念,從此成為探討 HAN 時最重要的一個元件。 自 1997 年起,Desbonnet 與 Corcoran 探討以 RG 為基礎,建構在 CEBus 之上的軟 體架構[30][31],該架構支援透過 world wide web(WWW)進行分散式運算之主 從式環境;1998 年,Corcoran 更進一步提出三層式的軟體架構[32]。這些以 CEBus 為探討基礎的架構在理論上已經相當完整,然而以 CEBus 為設計基礎的實作模組 或實際產品卻不多,軟硬體的支援度不足與通訊協定的應用普及度不高是主要瓶 頸。 自 2000 年以後,探討整體性家庭網路架構的文章開始陸續在學術期刊及研討 會中被提出[33-35];而資訊家電的硬體研發廠商也開始在硬體規格制訂之外,重 視軟體架構的研究,例如:Hewlett-Packard 所提出的應用平台 Chai[36]…等。換 言之,對於家庭網路的研究,已漸漸不再以硬體或資料傳送技術為研究主題,開 始注意建構在資訊家電之上的應用與管理,朝向更為合理的軟硬體整合方向作研 究。. 6.

(16) 2.3 家庭網路概念性架構 事實上,家庭網路牽涉的技術層面相當廣泛,而除了 CEBus、EHS 及 LonWorks…等幾個屬於架構完整的知名標準外,以整體架構觀點分析家庭網路的 文獻其實並不多,為能清楚描述及分析家庭網路,本文根據參閱的相關文件繪出 家庭網路的概念性架構圖,如圖 2-2 所示,並依此圖分項說明家庭網路以及運作 在家庭網路之上的資訊家電在發展上的不足之處,並藉以延伸而導引出本論文中 與家庭網路運作密切相關的其他議題。. 圖 2-2 家庭網路及資訊家電的概念性架構圖 家庭網路架構通常是以資料交換的角度進行分析,無論是大量的多媒體資訊 或是簡短的控制訊號,都是必須在資訊家電之間藉由家庭網路進行相互傳遞,因 此,將家用設備連成類似區域網路的型態是 HAN 的基本想法。家庭網路的網路 架構,基本上與一般的通訊網路架構類似,在一般探討家庭網路標準的文獻中, 多是將家庭網路架構對應至 OSI Reference Model,不過,本文為求描述上的簡明 扼要,將家庭網路架構概念性地簡化為四層: 1. Network Access Layer: 截至目前為止,已知許多號稱家庭網路的業界標準所提出的家庭網路架構, 都只是侷限在本網路存取層。網路存取層包括資料實際傳輸時使用的傳輸媒介以 及相關周邊所使用的介面標準。一般來說,可在家庭網路中使用的傳輸介質種類. 7.

(17) 相當多,舉凡:電源線(Electric Power Lines)、雙絞線(Twisted Pairs)、同軸電 纜(Coaxial Cable) 、光纖(Optical Fiber)以及無線(Wireless)技術之紅外線傳 輸、射頻傳輸…等;而用於資訊家電彼此串接的傳輸介面標準也有許多,包括: 傳統的 Ethernet 網路介面(RJ-45) 、Universal Serial Bus(USB) 、IEEE 1394…等。 2. Addressing Layer: 任何通訊架構都必須提供設備識別的機制,以 CEBus 為例,CEBus 有自成一 套的設備定址及位址指定方法,但實際上,除了少數幾種屬於完整架構的家庭網 路標準,擁有自訂的定址方式外,IPv4 還是最被普遍接受及使用的定址機制,唯 IPv4 已然面臨 IP 位址不足的問題,而必須適時輔以網路位址轉換機制(Network Address Translation)。 3. Transport Layer: 包括資料傳輸時必須考慮的相關協定,以及資訊傳輸安全機制…等。同樣的, 除了少數幾種屬於完整架構的家庭網路標準外,這一部份的研究成果是相當稀少 的。 4. Application Layer: 涵蓋提供家庭自動化服務的相關協定,包括:設備組態、服務品質保證、身 份識別及存取控制…等。因為 IA 的應用軟體研究很缺乏,所以,探討 HAN 的應 用層協定的文獻自然也不多。 由以上的描述可知,各組成架構間的關係是密切的,且各組成架構的元件也 都有其重要性。但不可不注意的是,真正操作家庭網路的是一般的家庭成員,而 非專業的資訊人員,因此,一個理想的家庭網路架構應該以能提供一個人性化的 居家環境,使得所有與人相關的服務及設備都能彼此適時適地地溝通為主要的設 計原則,且在 HAN 中使用的 IA 都必須能提供充分的方便性、舒適性與安全感。 換言之,設計家庭網路的目的在於將網路應用完全帶入人類的生活,在無法感覺 到網路存在的同時,卻又能隨時享受到網路所帶來的好處。而根據本節的分析, 目前最缺乏探討的議題多屬於家庭網路裡的應用層,而資訊家電使用特性的釐清 與歸類是首要任務。. 2.4 家庭網路的運作設備:資訊家電 家庭網路的運作環境包括家庭網路架構以及運作其上的資訊家電。資訊家電 涵蓋硬體架構、系統軟體與應用軟體三部分。 1. 硬體架構:一般對資訊設備的評估,多以設備功能的角度為依據來探討其硬 體需求,然而,因為資訊家電在應用面(如:遠端操作與管理)的功能需求 上,並不一定需要靠能提供複雜運算能力的資訊設備來處理,所以,資訊家 電對硬體的需求可以較寬鬆。事實上,早期資訊設備的設計多為提供強大的. 8.

(18) 2.. 3.. 運算功能,因此,在辦公室裡使用 PC 來輔助工作進行是合理的,但若為了 處理家庭內的信號,或為了擷取家庭之外的多媒體資訊而使用像 PC 一般的 複雜硬體架構,似乎並不經濟;換言之,當大部分的家電設備在使用上僅需 要適當的運算能力、少量的儲存空間以及相互間的溝通協調功能即可時,將 運算、儲存與溝通功能整合在同一個硬體裡就成為資訊家電在硬體設計上的 基本考量;也就是說,資訊家電的硬體核心理想上是整合性的晶片,或被稱 之為系統單晶片(SOC) ,而將家庭生活功能交由低成本且功能單一的家用設 2 備(註 )來處理是探討家庭網路 HAN 的基本前提。 系統軟體:其主要功能在於輔助軟硬體間的溝通協調,這個中介的元件必須 提供控制或驅動硬體架構中各功能元件或整合性功能元件的方法,包括:處 理器管理、記憶體管理、儲存設備管理…等。因為 IA 的硬體架構強調整合 但精簡,因此,以嵌入式硬體為設計標的的嵌入式作業系統(Embedded Operating System)是當下探討 IA 系統軟體的研究主流。 應用軟體:應用軟體是終端使用者最直接接觸的部分,其範圍涵蓋遠端控制 設備…等操作功能,以及遠端查詢設備狀態…等管理功能。事實上,家庭網 路中多數應用的目地在於達到家庭自動化,而自動化的應用極致並非僅是單 一的遠端操作或遠端管理,而是相關 IA 之間的相互協調及共同運作,而這 部分的研究,一直是 IA 的議題探討中最為缺乏的一環。歸究其原因,在於 資訊家電的定義未明,資訊家電的使用特性尚無公斷,以至於 IA 應用的研 究難有依據,研究成果自然較為貧乏。. 資訊家電的軟硬體架構,看起來與一般的資訊設備的軟硬體架構極其類似, 但在使用特性上卻有明顯的差異,例如:使用目的與應用本質即明顯不同。本文 認為,資訊家電可視為具備資訊處理能力的家電設備,所以,在使用上,其本質 與目的依舊與傳統家電的使用操作絕對相關,而一般而言,傳統家電為滿足使用 者的使用目的必須提供的功能包括: 1.. 2. 3. 4.. 視聽娛樂功能: 提供來自於家庭內部與家庭之外的視聽資訊,包括:家用音響播放音樂 CD、觀賞有線電視提供之電影長片、玩電視遊樂器…等。 溝通功能: 信件往來與電話聯繫…等。 設備之操作與控制功能: 照明設備的操作、空調系統的設定…等。 安全防護功能: 防盜保全系統、消防警示設備、監視系統…等。. 註2:家用設備的內含中央處理器,以低成本、低耗能、高整合度為設計考量,可能是較精簡的 x86 架構或其他系統單晶片架構。. 9.

(19) 而在設備本質方面,傳統家電設備具有以下特性: 1. 種類多且繁雜。 2. 功能訴求單一而明確。 3. 可移動性高。 4. 絕大部分屬於小型設備,僅需要簡單的運算、儲存與溝通能力。 5. 除了視聽娛樂…等多媒體應用外,大部分設備僅需要單純的上網需求及 少量頻寬(遠端控制管理用)。 而資訊家電也自然地延續上述的功能特性及本質,在探討家庭網路的相關議 題時,資訊家電的功能及本質是絕對重要的影響因子,例如:使用者對資訊家電 的功能需求會直接影響網路服務品質保證機制的建立。. 10.

(20) 參、以 TCP/IP 為基礎的家庭網路架構 在第二章裡,我們簡要地介紹了家庭網路及資訊家電,也同時瞭解家庭網路 與資訊家電所面臨的問題,在於缺乏發展共識。換言之,號稱以家庭網路為設計 對象的標準雖然很多,但網路結構卻大異其趣,回顧前一章的描述,本文認為這 些家庭網路標準依協定結構性可分為兩類:一是架構完整的標準,如:CEBus、 EHS 及 LonWorks…等;另一是較偏向以網路存取層為設計訴求的家庭網路標準, 如:X10、HomePNA、CableHome、Wireless LAN(WLAN,IEEE 802.11 series)、 BRAN、DECT、SWAP 及 Bluetooth…等。雖然上列的所有標準都有學術單位或業 界公司支持,並且也已針對部分產品予以商業化,然而,以產業發展歷史來看, 未來的 HAN 發展絕對不可能由上述同時存在且各自發展的所有標準共同主導; 此外,就研究分析的角度來看,也幾乎沒有相關文獻是針對上述標準進行評論, 並進一步分析究竟哪一種標準足以影響 HAN 的實質發展,甚或成為唯一的公認 標準。為此,本文以使用者接受度及成本考量為參考點,認為偏向以實體連結層 為設計訴求的家庭網路標準在後續發展上較有發揮的空間,理由與網際網路 Internet 的普及密切相關。 在知識流通快速的時代,科技的發展與使用,通常受市場力量的影響;而市 場力量決定於顧客群的形成;而主流喜好形成顧客群,方便、易用與普及卻是一 般大眾主流喜好的關鍵。無可諱言地,Internet 是目前全球使用率最普及的網路環 境,Internet 之所以普及,最大的原因在於硬體建置成本低及應用軟體豐富且多 樣,所以,Internet 能成功地吸引人們的注意及使用,無怪乎除了一般個人使用者 外,企業也多採用 TCP/IP 來建置 Intranet 及 Extranet;換言之,除了吸引使用者 外,Internet 也同時吸引了更多軟硬體廠商的投入,使得硬體價格更低廉,應用軟 體發展更快速。 有鑑於此,當通訊需求欲延伸其範圍至住家區域時,以 TCP/IP 為網路架構依 舊是最理想的方式,倘若家庭網路採用非 TCP/IP 為主的架構,那麼,不相同的編 碼方式,不相同的定址模式…等,不相同的通訊協定將有礙通訊之連通性,使得 HAN 與 Internet 的互連產生相當程度的困難,不僅使用者在互連網設定上較為複 雜,同時,設備廠商在硬體研發設計及製造上也較為困難。反之,若以偏向網路 存取層為設計訴求的家庭網路標準作為 HAN 中較底層的協定,而網路層以上依 舊採行 TCP/IP,則其可行性就相對地高出許多。因為,以使用者操作的角度來分 析,一般使用者在操作上需自行設定或實際使用的協定多隸屬於網路層以上,倘 能在毋須重新學習及額外設定的情形下使用 HAN,那麼,這種 HAN 架構對使用 者來說,被接受度自然是可預期的;而反觀實體連結的相關協定部分,Bluetooth, HomeRF…等協定顯然已不同於一般 Internet 所使用的底層協定,但是這些較底層. 11.

(21) 的協定多與硬體相關(介面卡或硬體晶片) ,一般使用者根本毋須操心,自然也就 沒有使用上的困擾。為了進一步說明這種架構的好處,另以乙太網路(Ethernet) 之變革為例,Ethernet(IEEE 802.3)一直是架構區域網路最重要的協定之一,而 當網路頻寬需求增加時,在眾多的可行方案中,Fast Ethernet(IEEE 802.3u)以最 自然且最快速的方式取代了 Ethernet,而當無線通訊的應用日趨增加之際,Wireless LAN(WLAN,IEEE 802.11x)立即成為重要的通訊協定,Ethernet、Fast Ethernet 及 Wireless LAN 都是屬於網路層以下的協定,都能在上接 TCP/IP 的情形下,讓 使用者毋須學習額外的設定及操作即能順利連上 Internet,而這正是 Fast Ethernet 及 Wireless LAN 能在短時間之內快速普及的最大理由。總而言之,以偏向網路存 取層為設計訴求的家庭網路標準作為 HAN 中較底層的協定,而網路層以上依舊 採行 TCP/IP 的協定,整體建置成本可謂最為低廉,而利用這種觀念將 Internet 延 伸至家庭網路的困難度也最低。 HAN 的網路存取協定攸關 HAN 的實際發展,本文認為家庭網路的實體連結 必定以毋須重新佈線為首要原則,所以,無線技術 WLAN 及 Bluetooth…等,勢 必成為 HAN 中的重要技術,而無線技術雖然方便,卻仍有不足之處,頻寬不足 為其一,因此,適當的有線技術也是必須的,USB 及 IEEE 1394 具有高傳輸率(適 合影音…等大量資料傳輸) 、設備可串接(方便家電的安裝使用)及熱插拔的特性, 再加上一般家電多需要電力的提供,而 USB 及 IEEE 1394 同時也具備基本的電流 傳送,因此,本文認為新一代的 USB 及 IEEE 1394 有可能進一步取代一般通訊媒 介及電源線,成為 HAN 中有線技術的最主要媒體。 家庭網路就像是某一種區域網路架構,倘若將家庭網路視為網際網路的延伸 實不為過,這樣的觀念就好像是企業利用 Intranet 來建置其企業網路(enterprise network)一般,圖 3-1 即是以 TCP/IP 為基礎的家庭網路架構。Network Access Layer 包括 WLAN、Bluetooth…等屬於較底層的家庭網路協定,能讓各式各樣的資訊家 電 能 依 照 設備 特 性順利 地 連 結至 家 庭 網路, 甚 至 若干 高 速 網路技 術 , 如 : Multi-Protocol Layer Switching(MPLS),以及使用優先權觀念為運作基礎的媒體 存取協定。而自 Internet Layer 起至 Application Layer,正好對應 TCP/IP 的前三層, 所使用的協定也是以 TCP/IP 的相關協定為主,換言之,以 TCP/IP 為基礎的家庭 網路架構,除了最底層為了整合各式資訊家電的連結,採用家庭網路的業界標準 外,以上三層的協定直接採用 TCP/IP 的協定,這種以 TCP/IP 為基礎的家庭網路 架構可以立即擁有以下好處: 1. 協定與伺服軟體的移轉或更改較容易。 2. 現行可用的應用軟體及開發工具相當多。. 12.

(22) 圖 3-1 以 TCP/IP 為基礎的家庭網路架構圖 無論如何,家庭網路的網路存取協定,需要業界標準的進一步整合,而家庭 網路應提供的應用或服務,亦需要產官學界的集思廣益。雖然說 HAN 在 Internet Layer 以上的通訊協定以比照 TCP/IP 為主,但基於 IA 的功能特性與一般通訊網 路中電腦的功能特性仍有差異,使得 HAN 適用的協定與傳統 TCP/IP 中的協定之 間會有實作上的若干差異,需進一步研究探討,例如:網路位址轉換機制。. 3.1 家庭網路研究議題 以使用特性的的角度來看,家庭網路裡資訊家電的使用多屬於資訊的傳送分 享與遠端操作管理,其中又以遠端操作管理的使用頻率較高;目前,在網際網路 上已經有許多資訊分享與遠端操作管理的解決方案被提出,但基於家庭設備在使 用目的及設備本質上不同於一般強調運算能力的電腦設備與通訊器材,使得適用 在網際網路上的軟體架構或解決方案,並不能完全適用在家庭網路上。 有鑑於此,在探討由資訊家電所構成的家庭網路時,某些重要的功能特性是 應該被考慮的,這些特性包括: 1. 適當的頻寬分配:因為家用設備的功能明確,所以,可依設備的使用特 性予以適當的頻寬分配,例如:娛樂資訊的傳送需要較大的頻寬,而控 制資料的傳遞就僅需要些許頻寬即可。換言之,家庭網路在資料的傳輸 上需要某種程度的服務品質保證(Quality of Service,QoS)。 2. 隨時連線、隨處連線:以即時(real time)遠端操作管理為需求,所有 資訊家電必須保持 on-line 的狀態;加上資訊家電必須移動的機會很高, 所以,必須具有動態組態(auto-configuration)的特性。. 13.

(23) 3.. 4.. 5.. 人性化操作介面:因為資訊家電的使用者是一般的家庭成員,所以,在 操作介面的設計上必須非常人性化,最好是以自然語言(輔以語音辨識 技術)作為操作上的主要方法。 功能協調機制:資訊家電的設計在於建構更方便的家居生活,所以,對 於資訊家電的使用應考慮如何擺脫傳統家電的桎梏。正如前文所述,家 用設備的功能訴求單一而明確,以致於使用者為滿足某一項使用目的 (如:欣賞影音光碟) ,必須同時操作及調整不同家用設備的功能與狀態 (如:開燈、開電視、開光碟設備、開音響設備,並於坐定位置後再視 需要分別作微調),事實上,在家庭網路中應善用軟體提供功能協調機 制,使資訊家電的應用更具智慧。 穩固安全:家庭網路是一種區域網路,但是這樣的區域網路是建立在公 眾網路之上,所以,在安全性的考量下,家庭網路必須提供類似企業內 網路防火牆…等相關資訊安全防護。. 家庭網路與資訊家電的發展確實是國內外產學界爭相探討的主要方向之一, 即使家庭網路在設備的邏輯分佈上看似一般的通訊網路,但因家庭網路在設備特 性及功能需求上明顯異於一般通訊網路,使得原本在一般通訊網路上可正常運作 的理論或機制,在導入家庭網路時必須進行適度的修正;因此,當家庭網路以 TCP/IP 的協定為設計基礎時,應選用那些協定,是否需對協定作修正以及如何修 正是亟待研究的重要議題。. 14.

(24) 肆、分散式遠端操作與管理 對家庭網路裡的成員來說,遠端操作與管理是最基本的使用功能,本章即以 遠端操作與管理作為探討主題,提出一套穩固的遠端操作與管理機制。 截至目前為止,大部分以 RG 為基礎的家庭網路研究文獻所提出的家庭網路 架構都是採用集中式的運算方式,不過,集中式或分散式架構的採用卻早有爭議, Holiday [29]提出若干採用分散式架構優於採用集中式架構的理由,他的論述明確 指出分散式的家庭網路架構是一項值得研究的議題。事實上,家庭網路可視為由 許多以房間為基礎的區域網路相互連結所形成的分散式網路,每一個區網包含數 量不一的資訊家電,而大部分的資訊家電卻擁有以下特徵:體型小、具高度移動 性及功能單一;由此可知,HAN 的組成很自然地依家庭空間的配置而被視為分散 式,再加上相同空間內的資訊家電通常具備使用上的相互關聯性(例如:數位電 視、DVD 播放機、5.1 聲道喇叭系統一起安裝在客廳裡,於使用者觀賞 DVD 影 片時一起搭配運作) ,因此,為落實家庭自動化,家庭網路採用分散式架構是比較 理想的方式。而在以往的研究文獻中,Moon and Kang [37]提出一套分散式家庭網 路架構,但卻沒有進一步探討遠端操作與管理的施行方式。Chen [38]介紹了一套 分散式家庭網路架構,不過,其架構中的 RG 卻必須肩負所有作業的處理責任, 所以,並不完全符合家庭空間配置的分散式現況,換言之,既然家庭網路由若干 以房間為基礎的區域網路組成,其架構應該屬於多層式(multi-tiered) ,而非僅是 兩層式(two-tiered)。. 4.1 分散式操作與管理運作典範 家庭網路的最基本功能在於對家庭網路裡的資訊家電進行遠端操作與管理, 而理想的家庭網路屬於多層式的分散式架構,因此,遠端操作與管理也應該屬於 分散式的運算模式。 4.1.1 遠端操作 在本文第 2.4 節中,我們認為應該以系統單晶片(System on a Chip,SOC) [39]作為資訊家電硬體設計時的最重要元件,一般而言,資訊家電可視為功能特 定且訴求簡單的資訊設備,因此,資訊家電的使用通常只需要有限的運算能力、 少量的記憶體空間及基本的通訊能力,在設計上為求降低成本,以系統單晶片作 為其硬體架構是最理想的解決方案,而所有的運作需求能輕易地透過軟體使用來 完成。因此,在 SOC 架構下搭配使用智慧型代理人(Intelligent Agents)的觀念. 15.

(25) 能有效施行家庭網路的遠端操作功能;而基於前文的剖析,家庭自動化的實現勢 必仰賴與自動化目的相關的資訊家電之間的相互協調與共同運作,換言之,一個 自動化命令會涵蓋一連串運作在不同設備上的操作指令,因此,代理人技術就必 須與行動運算(Mobile Computing)[40]的觀念搭配使用。行動運算係透過行動代 理人(Mobile Agent)[41][42]在分散式環境中進行運算或操作來完成既定任務, 行動代理人是一種能在不同執行環境中運作的代理軟體,行動代理人的使用能提 升使用效率、減少網路流量、進行非同步獨立執行、支援即時系統下的互動應用、 支援異質環境、提供線上延伸服務、支援便利的開發環境…等,行動代理人技術 (包括:代理人通訊語言及其執行函式庫)顯然有助於開發分散式系統。根據以 上描述,本論文建議在設計資訊家電時,在系統單晶片的架構上搭配行動代理人 的支援,而這兩種技術的整合能有效支援資訊家電的遠端操作。 4.1.2 遠端管理 因為 HAN 可被視為網際網路的延伸,所以,本文建議採用網際網路的簡單 網路管理協定(Simple Network Management Protocol,SNMP)[43]來支援 HAN 的遠端管理功能。以目前網路管理的應用來說,第一版的 SNMP(SNMPv1)[43] 憑藉其定義及實作上的簡單原則,能被網管人員廣泛地接受並使用,然而,過於 簡單的設計卻也造成 SNMPv1 在功能上的限制,例如:SNMPv1 的本質屬於 manager-agent 典型,是一種純粹的集中式架構,網路管理工作站(Network Management Station,NMS)所存取的資訊來自置身於網路設備中的網管代理人 (agent),網管代理人必須負責監理管理資訊庫(Management Information Base, MIB),MIB 是一個結構化的資訊庫,其中紀錄著網路設備的相關參數。在這種 設定模式下,所有與網路管理有關的運算(例如:statistics)幾乎都是出自 NMS 的需求;NMS 的輪詢(polling)行為其實就是對 MIB 的參數進行 get 或 set 的簡 單動作,而這種極簡單的主從式運算稱為 Micro Management,Micro Management 容易造成 NMS 瞬間的網路流量暴增及增加運算負載 (overhead) ,換言之,SNMPv1 的集中式架構在網路管理需求明顯增加時,會在網路壅塞期間造成運作上失去效 率,基於這種理由,在壅塞環境下使用 SNMPv1 進行網管操作將變得困難且無效 率。Internet Engineering Task Force (IETF) 針對此問題修改網管架構,提出第二版 SNMP(SNMPv2),SNMPv2 的 manager to manager (M2M)協定可以有效支援分 散式網路管理。 本論文以 SNMPv2 支援家庭網路遠端管理,以網路管理的角度來看,HAN 可以被分割成一個一個以房間為基準的子網路,而每一個房間擁有各自的網路管 理者(Network Manager,NM) ,NM 間能透過 SNMPv2 的 M2M 協定彼此通訊, 而 SNMP 的通訊模組(包括:get、get-next、set、get-response、inform-request、 getbulk-request 以及 notification)依舊可以應用在 HAN 的分散式管理架構中;此. 16.

(26) 外,行動代理人技術也能夠在此模式下支援網路管理功能[44-46]。然而,HAN 網 管所需要的 SNMP 資訊模組(包括:Structure of Management Information(SMI) 及 MIB)卻在實際使用時顯得過於複雜與死板。一般而言,在實作 SNMP 時, MIB 是以硬體實作方式嵌在設備裡,但是,現今的網路發展迅速,家庭網路亦同, 當新的網管參數被定義出來,或者操作舊參數的指令顯然已過時的時候,MIB 內 容的更新是必須的,儘管大部分的 SNMP 代理程式都允許當新的參數需要加入 MIB 時,能暫時中止代理程式的運作,並重新編譯新的代理程式執行碼,但是, 這種更新方式相當粗糙且不便,而且也未必適用於所有的網路環境,有鑑於此, 本文採用 eXtensible Markup Language (XML)[47-49]技術來解決這個問題,以 XML Schema 取代 SMI 來建構被管理物件[50],以 XML documents 實作 MIB 實體,儲 存被管理物件的管理參數;因為 XML 技術的使用,使得家庭網路中網管必備的 SMI 與 MIB 能動態地進行更新與組態。本文的遠端網路管理以 XML Schema 建 構被管理物件的結構,以 XML 文件當作 MIB 的實體,主要目的在於善用 XML 技術可以帶來的以下好處: 1. XML 物件只需要比傳統的 SMI 物件更少的儲存空間,不僅能簡化設計,也 能減少整體儲存容量。 2. XML Schema 比傳統 SMI 更適於應付快速發展的資訊家電產業。 3. 家庭網路裡包含許多種各式各樣存取介面的資訊家電(例如:數位電視、小 畫面監視器、行動電話…等),而 XML 技術裡的 eXtensible Style-sheet Language(XSL)能夠藉由適當的存取介面樣版(customer-made templates) 讓使用者方便存取 XML 文件。. 4.2 分散式家庭網路架構 根據本文第二章的介紹,近幾年來討論家庭網路的文獻,多侷限在網路架構 的探討或相關實體設備的研究,實際談到應用模式的文獻並不多,即使若干文獻 探討了家庭網路的應用功能及建議方案,也都是建構在簡單的兩層次(2-tier)分 散式架構下,也就是將所有的 IA 視為客戶端,而 RG 是所有服務的提供者。然而, 隨著資訊家電的發展,資訊家電種類愈來愈多,遠端操作與管裡的需求勢必大量 增加,再加上本文一開始就提到,許多家庭自動化功能的達成必須仰賴相關資訊 家電的協同合作,而這些必須彼此協調的資訊家電通常是座落在鄰近的共同空間 裡(例如:同一個房間) ;有鑑於此,本文認為家庭網路是由若干以房間為劃分單 位的小型區域網路所構成的,而一個理想的家庭網路架構應該是以房間為基礎所 構成多層次(multi-tier)分散式架構,採用多層次分散式架構的家庭網路,一來 可以分攤 RG 的工作負載,二來更能趨近資訊家電實際使用之情境。本文提出的 多層次分散式架構如圖 4-1 所示。. 17.

(27) 圖 4-1 分散式遠端操作與管理架構圖 在本文提出的分散式遠端操作與管理架構中,除了位於家庭網路外部要求遠 端操作與管理的資訊設備外,家庭網路內部包含以下三種元件,即:RG、Room Manager(RM)與 Managed Information Appliance(MIA)。 4.2.1 Residential Gateway RG 是介於家庭網路與外部網路之間的溝通橋樑,本文認為 RG 必須提供許 多重要的機制,包括:封包交換、身份識別、服務品質保證…等。RG 應提供的 功能模組如圖 4-2 所示。 1. Web Server: Web Server 必須提供能讓身處遠端或位居屋內的使用者登入家庭網路的功 能,因為以 WWW 為操作環境是最方便且最重要的方式,使用者可以輕易地 透過瀏覽器進行遠端操作與管理。 2. Message Dispatcher: Message Dispatcher 針對多種不同的遠端操作與管理需求進行訊息分析與配 送的工作,再將訊息配送至正確的 RM。. 18.

(28) 3.. 4.. 5.. 6. 7.. 8.. 9.. Network Address Translator: 基本上,以 TCP/IP 為基礎的家庭網路,採用 IPv4 為其定址模式是最自然且 最方便的作法,然而,未來資訊家電數量之多,必定使得 IPv4 不足以支援所 有資訊家電對於 IP 位址的需求,再加上 IPv6 的應用與普及,仍有相當變數, 因此,RG 在現階段必須提供適用的網路位址轉換機制以解決 IP 位址不足的 問題。 Registration Server: RG 必須保有資訊家電註冊的相關資訊,以作為內部識別或供外部指定存取 的依據,而這些資訊必須統一存放在 Registration Server 裡。 Protocol Builder: 因為 MIA 的種類眾多,而 MIA 的使用特性也多有不同,使得 HAN 中可能 存在多種不同的網路存取協定(例如:X-10、HomePNA、Wireless LAN、 Bluetooth…等) ,Protocol Builder 係根據不同協定提供必要的封包格式轉換作 業。 Mail Server: 建議 RG 提供郵件伺服服務,家庭成員擁有各自唯一的郵件帳號。. Security Controller: HAN 可視為私密的區域網路空間,且 MIA 的使用各有其存取權限,所以, Security Controller 提供必要的安全機制,包括:防火牆(firewall)、金鑰管 理、身份識別、授權及帳號管理(Authentication, Authorization, Account, AAA)…等。 Quality of Service Enforcer: MIA 的使用情況相當多樣,而不同服務所產生的封包也各有其特性,例如: 不同的延遲容忍度,所以,RG 必須提供服務品質保證的機制,服務品質保 證機制的運作仰賴 Quality of Service Enforcer。 Agent DB: 本文以 Mobile Agent 技術支援 HAN 的遠端操作與管理,因此,進行遠端操 作與管理時所需要的命令執行碼,就存放在 RG 的 Agent DB 裡。. 19.

(29) 圖 4-2 Residential Gateway 的功能模組示意圖 4.2.2 Room Manager. 1.. 2.. 3.. 4.. 5.. RM 應提供的功能如圖 4-3 所示。 Message Handler: Message Handler 接受來自 RG 的遠端操作與管理需求訊息,再根據訊息屬於 操作需求或管理需求,將其分配至正確的 Operation Controller 或 Management Controller,再進行後續分析與處理。 Operation Controller: Operation Controller 接受來自 Message Handler 的操作訊息,再根據訊息要求 存取正確的 MIA。 Management Controller: Operation Controller 接受來自 Message Handler 的管理訊息,再根據訊息要求 管理正確的 MIA。 Schema Manager: 本文建議家庭網路管理所需要的設備屬性相關資料,以 XML 文件儲存,而 產生 XML 文件所需的 XML Schema 則存放在 Schema Manager 裡。 Protocol Builder: 因為 MIA 的種類眾多,而 MIA 的使用特性也多有不同,使得 HAN 中可能 存在多種不同的網路存取協定(例如:X-10、HomePNA、Wireless LAN、 Bluetooth…等) ,Protocol Builder 係根據不同協定提供必要的封包格式轉換作 業。. 20.

(30) 圖 4-3 Room Manager 的功能模組示意圖 4.2.3 Managed Information Appliance 所有的 MIA 都是由與之位於同一個房間的 RM 所控管,MIA 使用 HAN 所提 供的協定與 RM 進行溝通。MIA 是遠端操作與管理的最終目的地,以遠端操作來 說,MIA 提供 mobile agent 的執行環境,以遠端管理來說,MIA 存放 XML document,XML document 存放網路管理使用時存取的設備參數。 4.2.4 分散式家庭網路架構特性. 1. 2. 3. 4. 5.. 6. 7.. 綜合以上描述,本論文所提的分散式遠端操作與管理架構具有以下特性: 本架構可視為網際網路管理的延伸。 本架構只擁有一個合法的 IP 位址,所以,現階段 IPv4 位址不足的問題必須 透過網路位址轉換機制來解決。 本架構透過 Security Controller 來提供家庭網路的網路安全機制。 本架構能支援多種家庭網路協定的使用,而 Protocol Builder 能進行必要的封 包格式轉換。 本架構以 XML 技術定義被管理物件及儲存被管理物件的實體,因此,當物 件定義或物件內容改變時,動態更新與組態的方式能顯著降低處理時的複雜 度。 本架構建議結合系統單晶片及行動代理人技術來設計資訊家電,因此,能大 幅減少資訊家電的硬體成本。 基於模組化設計,本架構可以輕易地採用物件導向技術來開發及實現運作平 台,而再考慮 mobile agent 跨平台運作的需求,Java 是目前最適合開發本文 所提之分散式家庭網路架構的技術。. 21.

(31) 4.3 分散式遠端操作案例 正在辦公室上班的 John,想在下班回家前打開家裡客廳的冷氣機,整個操作 過程如以下步驟所述: 步驟 1 至步驟 8 發生在 RG 步驟1.. 步驟2. 步驟3. 步驟4.. 步驟5.. 步驟6. 步驟7. 步驟8.. John 透過網際網路登入 RG 的 Web Server,Web Server 透過對 Security Controller 的呼叫,以識別 John 的登入資格;待資格確認無誤後,John 送出開啟客廳冷氣機的需求指令。 Message Dispatcher 接收來自 Web Server 的需求,並視情況呼叫 Security Controller 進行需求訊息的解密動作。 Message Dispatcher 呼叫 Network Address Translator 進行必要的位址轉換 動作,並藉以確認冷氣機的網路位址。 Message Dispatcher 呼 叫 Registration Server 來確認冷氣機的狀態。 Registration Server 記錄所有資訊家電的註冊資訊;在實作上,資訊家電 的註冊資料被儲存在 XML 文件裡,而這些 XML 文件的集合可被視為資 訊家電的註冊總表。Message Dispatcher 可透過對 Registration Server 的查 詢來確認冷氣機的狀態以及冷氣機所屬的 RM 的狀態。 Message Dispatcher 並呼叫 Security Controller 來確認 John 能使用客廳冷 氣機的存取權限,因為 Security Controller 紀錄著資訊家電的存取權限資 訊。 Message Dispatcher 從 Agent DB 取出操作冷氣機的代理程式執行碼,並 將該執行碼附加在遠端操作需求訊之息後。 Message Dispatcher 呼叫 Protocol Builder 對步驟 6 所產生的延伸需求訊息 重新打包,必要的話,還要加上某些特定協定(如:CEBus)的標頭。 Message Dispatcher 傳送訊息封包給正確 RM 的 Message Handler。. 步驟 9 至步驟 16 發生在 RM Message Handler 收取來自 RG 的需求封包後,取出原需求訊息及操作冷 氣機的代理程式執行碼。 步驟10. Message Handler 呼叫 Schema Manager 將 ASN.1 格式的訊息轉換成 XML 格式,然後將轉換後的訊息連同操作冷氣機的代理程式執行碼送往 Operation Controller。 步驟11. Operation Controller 隨即將操作冷氣機的代理程式執行碼作必要的安裝 或處理,之後派出行動代理人開啟客廳冷氣機。 步驟9.. 22.

(32) 步驟12. 當 成 功 開 啟 冷 氣 機 後 , 行 動 代 理 人 將 確 認 訊 息 回 傳 給 Operation Controller。 步驟13. Operation Controller 移除已安裝的行動代理程式。 步驟14. Operation Controller 將 XML 格式的確認訊息回傳給 Message handler, message Handler 呼叫 Schema Manager 將 XML 格式的確認訊息轉換成 ASN.1 格式。 步驟15. Message Handler 呼叫 protocol builder 將 ASN.1 格式的確認訊息重新包 裝。 步驟16. Message Handler 將確認訊息封包回傳給 RG 的 message dispatcher。 步驟 17 至步驟 19 發生在 RG 步驟17. Message Dispatcher 在收到來自 RM 的封包後取出確認訊息。 步驟18. 必要時,Message Dispatcher 呼叫 Security Controller 對確認訊息進行加密 處理。 步驟19. Web Server 將來自 Message Dispatcher 的確認回覆資訊透過瀏覽器傳給 John。. 4.4 小結 在這一章裡,本文提出一套家庭網路的分散式操作與管理架構,系統單晶片 結合行動代理人技術支援遠端操作功能,網際網路的 SNMPv2 協定延攬至遠端管 理部分,而在遠端管理實作上採用 XML 技術,XML Schema 取代傳統的 SNMP SMI,用來建構被管理物件,XML 文件組成 MIB 實體。本文提出的的分散式家 庭網路架構由三種元件組成,分別是:residential gateway、room manager 及 managed information appliance,而 RG 與 RM 的組合正好構成一種分散式運作的環境,藉 由這樣的設計,使得家庭網路的遠端操作與管理機制既穩固又有效率。而回顧本 章內文,主要著重在介紹本章的主軸:分散式家庭網路架構,而實作上採用的 XML 技術並沒有多作太多描述,因此,本小結將本架構中與 XML 有關的部分提出來 略作說明: 1. 如何定義被管理物件的 XML schema? 被管理物件的 XML Schema 是遠端管理功能的核心議題,而 XML Schema 的 內容定義與被管理物件的管理屬性有絕對的關係;目前,資訊家電的分類尚 無定義上的共識,再者,未來資訊家電的種類眾多,管理屬性亦勢必大異其 趣,所以,本文對被管理物件的 XML Schema 的定義暫不多作闡述! 2. 何謂 Registration Server 管理的 XML 文件? 遠端操作與管理不外乎藉由家庭網路之外的資訊設備對家庭網路裡的資訊家. 23.

(33) 3.. 電進行存取動作,而存取作業與設備註冊、設備定址機制有關;而設備註冊 與定址所需的資訊,由 Registration Server 負責處理,Registeration Server 所 管理的 XML 文件正是這些註冊資訊的儲存實體;至於用來產生這些 XML 文件的 ML Schema 將於下一章探討家庭網路的網路位址轉換機制時一併探 討並定義(即針對架構中的三個元件,提出各自的 XML schema 結構)。 如何進行 ASN.1 訊息與 XML 訊息的格式轉換? ASN.1 與 XML 格式轉換機制已經存在許多公認的方法,包括:XML Encoding Rules(XER)[51]、ASN.1/XML Translator[52]…等,所以,訊息格式轉換在 實作上不是大問題,本文在此即不作贅述。. 24.

(34) 伍、家庭網路的網路位址轉換機制 無論是一般通訊網路或家庭網路,最基本且最重要的議題之一就是設備定址 的方式。而在 TCP/IP 的架構中,原本的 IPv4 定址模式顯然已經不足以滿足 IP 網 路對 IP 位址的需求,儘管 IPv6 的研究已行之多年,但伴隨著 IPv6 而來的網路再 造工程,還不是目前的網路軟硬體廠商及網路使用人能夠承擔的。因此,網路位 址轉換機制就成為當下最為具體可行的替代方案。 Network address translator 是目前在 Internet 上最常被使用的網路位址轉換 (Network Address Translation,NAT)方法,然而,Network address translation router (NAT router)在運作上卻會和某些必須仰賴 IP 資訊以運作的協定(IP-sensitive protocols)產生相容性問題。為解決 NAT 先天上的缺失,Realm Specific IP(RSIP) 於是被提出,並於 2002 年正式成為 Request for Comment(RFC)正式文件[53][54], 雖然在本質上,RSIP 能避免與 IP sensitive protocols 造成運作上的衝突,但 RSIP 在實際運作上,卻有可能發生一些混亂現象(complications)[54]。. 5.1 Realm Specific IP NAT 已經成為目前解決網際網路之 IP 位址不足的最普遍技術,網路位址轉 換路由器(NAT router)能夠讓私有網路(網路內之主機使用私有 IP 位址,如: 192.168.0.1)跨接至網際網路(網際網路內之主機使用合法 IP 位址,如: 140.113.123.123),因為私有網路內的主機所擁有的 IP 位址只能在該私有網路中 被識別,路由器必須在封包被送往網際網路之前,將封包中的私有位址結構轉換 成合法的位址結構。Srisuresh & Holdrege[55]定義了四種常用的 NAT 運作方式, 分別是:traditional NAT[56]、bi-directional NAT、twice NAT 及 network address and port translation(NAPT) 。然而,當封包中的 IP 位址及埠號(port)資訊因其他通 訊協定的需要必須進行額外處理,如:加密運算時,NAT 機制就會發生問題,因 為 NAT router 無法解讀被加密後的 IP 位址及埠號資訊。RSIP 是避免這類限制的 替代方案,RSIP 的基本觀念是允許位於某一網段(如:某一私有網路 A)的主機 能夠向另一網段(如:網際網路上的某一網段 B)借用位址或其他路由參數…等 資源,使得網段 A 內的主機猶如身處網段 B 中,而能與網段 B 中的其他主機進 行直接溝通。在 RSIP 的架構中,RSIP server 取代了傳統的 NAT router,而原來要 求連外的主機,則通稱為 RSIP hosts;近幾年來,RSIP 已經被廣泛地應用在必須 同時兼顧安全通訊及網路位址轉換的環境中,Tal 等人[57]提出一套點對點的家庭 網路安全架構;Montenegro & Borella[58]提出一種能夠讓 RSIP 與 IPSec 整合運作 的機制;Launois 等人[59]也在提出的 extrusted subnets 中,以 RSIP 為其網路位址 轉換機制。儘管 RSIP 能同時滿足網路位址轉換及配合安全相關通訊協定的需求,. 25.

(35) 但在實際運作時,還是有可能發生一些混亂現象,Borella…等人[54]就指出 RSIP 的混亂現象,雖然這些混亂現象並不會使得在 RSIP 上運作的應用程式因而宣告 失敗,但是卻有可能造成例外的或無規則可循的狀況。. 5.2 RSIP 混亂現象 Complication 1:Unnecessary TCP TIME_WAIT 問題描述: 一般而言,當 TCP 連線(socket)中斷時,連線狀態會進入 TCP TIME_WAIT 並持續一段時間,當連線狀態處於 TCP TIME_WAIT 時,該主機便會拒絕與其他 使用同一個 socket(相同的來源與目的 IP 位址與埠號)的主機進行通訊。以 Realm Specific Address and Port IP(RSAP-IP)運作方式為例,RSIP host(主機 A)借用 RSIP gateway 提供的位址/埠號組合(tuple) ,如:140.113.73.55:3128,以連結外 部公開的主機(S),當主機 A 與外部的主機 S 之連線中斷,主機 A 必須歸還借 來 的 tuple 給 RSIP gateway ; 倘 若 此 時 RSIP gateway 馬 上 將 此 同 一 資 源 (140.113.73.33:3128)借給另一台內部網路上的主機(B)使用,而主機 B 正企 圖連線至主機 S,則該連線將會被拒絕而宣告失敗。 Complication 2:ICMP State in RSIP Gateway 和一般 NAT router 一樣,RSIP gateway 必須具備與 Internet Control Message Protocol(ICMP)保持正常運作的能力,例如:RSIP gateway 必須能將來自外部 網路的 ICMP responses 傳至發送 ICMP request 的正確 RSIP host。在 ICMP 的 messages 中,query message 通常是依 ICMP request packet 的表頭內容作回應,而 error message 是依相對應的 IP packet 的表頭內容作錯誤回應,而當 RSIP 必須處 理 ICMP messages 時,就可能產生以下兩種問題: 問題描述 1: 被用來辨別 ICMP query messages 的正規 ICMP 封包表頭涵蓋四個重要欄位: 來源 IP 位址、ICMP 識別、ICMP 序號及目的 IP 位址(合稱 ICMP tuple),RSIP gateway 必須透過這些資訊將來自外部的 ICMP responses 對應到正確的 RSIP host。然而,如果有兩個以上的 RSIP hosts 使用了相同的 ICMP tuple,就會產生對 應上的矛盾現象。 問題描述 2: 對於某些在封包中並未包含 ICMP 識別的 message(例如:”destination unreachable”錯誤訊息)而言,若僅靠 IP 位址而想分辨不同的錯誤訊息幾乎是不 可能的。. 26.

數據

圖 2-1  CEBus 網路架構圖
圖 3-1  以 TCP/IP 為基礎的家庭網路架構圖  無論如何,家庭網路的網路存取協定,需要業界標準的進一步整合,而家庭 網路應提供的應用或服務,亦需要產官學界的集思廣益。雖然說 HAN 在 Internet  Layer 以上的通訊協定以比照 TCP/IP 為主,但基於 IA 的功能特性與一般通訊網 路中電腦的功能特性仍有差異,使得 HAN 適用的協定與傳統 TCP/IP 中的協定之 間會有實作上的若干差異,需進一步研究探討,例如:網路位址轉換機制。  3.1  家庭網路研究議題  以使用特性的的角度
圖 4-1  分散式遠端操作與管理架構圖
圖 4-2  Residential Gateway 的功能模組示意圖
+7

參考文獻

相關文件

ƒ Persistent Connections (HTTP 1.1):HTTP 1.1改進 了HTTP 1.0 的缺點,藉由PersistentConnections減 少TCP connections,以增加WEB Server

並藉由適當工具與資訊,去描述、模擬、解釋與 預測各種現象,發揮數學思維方式的特長,做出

2A 與健康、社會 關懷、個人與社 會福祉有關的結 構性議題. (4) 家庭問題,例

4.3.1 若要開啟 SSH,則設定為【Enabled 開啟】。不開啟,則設定為【 Disabled 關閉】。把 SSH 服務開啟,方便日後有問題可以用 SSH 連線.. VMware vSphere Client 連線 5.1

• 1961 年Lawrence Roberts使用低速網路線 將劍橋與加州的電腦相連,展示廣域網路 (wide area network) 的概念..

課題五 身體力行 — 健康推廣、保健與社會關懷 5C 理解精神健康屬個人狀態及其與社會情境的關連 內容. 5C5

家庭暴力是世界上普遍存在的惡質現象,事實上,家庭暴力不是家庭內 的事,它是社會問題,也是全球問題。聯合國在 1992 年聲稱毆打婦女的行為 是一種侵犯人權的行為。在美國每

然而此電路最大的問題在於中間 Buffer 的困難度,因此我們使用了如圖 3.8 的架 構[5],圖 3.8 中我們將電流源設在內側,而 UP、DOWN 兩個開關設在外側,和圖 3.7