面向多業(yè)務的家庭網絡模擬

孫祥安，朱泓藝

（上海寬帶技術及應用工程研究中心，上海 200436）

0 引 言

有線和無線家庭網絡都定義為“可以直接或通過物理層的中繼節(jié)點或通過物理層上的域間網橋彼此通信的兩個或多個節(jié)點”。人類新生代群體和社會老齡化趨勢都對家庭智能設備有著很大的需求，因此家庭網絡中出現(xiàn)了各種紛繁復雜的智能設備，且還在以每年20%～30%的規(guī)模增長。隨著先進設備與服務的引入，家庭網絡日益復雜，將會導致網絡擁塞，更多的設備競爭有限的資源、服務以及帶寬。在網絡管理方面，必須采用網絡劃分及有效的帶寬分配策略來提高家庭物聯(lián)網絡的服務質量。

研究家庭網絡技術，并對其仿真對于研究家庭網絡的各種特性及未來發(fā)展都具有非常重要的意義。文章從現(xiàn)有家庭網絡中的設備種類、網絡流量特征入手，構建一個符合現(xiàn)有家庭網絡規(guī)律的智慧家庭網絡模型及實驗環(huán)境，在網絡各個層級中加入多個設備模擬工具來提高網絡環(huán)境的真實性，最后在該環(huán)境中進行網絡功能測試。

1 設備及其流量

家庭網絡設備與日俱增，有每天檢測身體特征的智能穿戴設備，家中存放食物的智能冰箱，還有各類照明、安防等家用設備，人們的衣食住行幾乎都離不開這些設備，我們按照設備的功能、使用場景將這些設備分為8個大類，每個大類中再分為若干小類，表1展示了設備分類方式及常見設備所屬分類。

表1 家庭網絡設備分類

在眾多家庭網絡設備中，使用的網絡協(xié)議也各有側重，有的設備雖然很大，但是內嵌的網絡模塊并不復雜，例如家用電器，大部分內嵌的都是物聯(lián)網（Internet of Things, IoT）低功耗網絡模塊。有的設備雖然外形較小，但是產生的網絡流量不僅大，而且類型多，例如平板電腦，不同的應用程序將產生各種應用類型的網絡流量。不同的網絡應用對帶寬的需求見表2所列。從宏觀角度看，家庭網絡帶寬絕大部分被互聯(lián)網應用、音視頻等占據(jù)，物聯(lián)網終端僅占小部分帶寬，整體家庭網絡流量呈現(xiàn)出反持續(xù)性特點。

表2 互聯(lián)網應用的帶寬比較

2 網絡環(huán)境構建

家庭物聯(lián)網絡模擬，協(xié)議部分須涵蓋WiFi、ZigBee和Bluetooth等三種家庭物聯(lián)網協(xié)議；網絡功能方面須包括家庭網絡中的常見功能：通信功能、信息共享與管理、家庭自動化、接入外網、家庭娛樂，及其他增值業(yè)務。網絡協(xié)議和業(yè)務功能除盡量貼近真實環(huán)境外，在網絡研究和測試方面也需要留出對應的接口用于后期的管理、測試，因此終端和網關都使用了一些自制設備。

按照設備種類及其流量特點，我們構建了如圖1所示的網絡實驗環(huán)境。圖1中，網關、藍牙、WiFi、ZigBee屬于網絡接入類；外網、服務器屬于其他設備；“模擬設備”可以通過應用程序開發(fā)定義為電器、健康個護等各類家庭設備，通過在網絡各個層級嵌入“模擬設備”來豐富家庭網絡實驗場景，分別接入藍牙和ZigBee網關，作為真實的家庭智能設備，“模擬設備”接入WiFi和網關，可以產生網際互連協(xié)議（Internet Protocol, IP）網絡背景流，用以測試家庭網絡流量調度等。

圖1 家庭網絡組網模擬

在設備的選擇上盡量覆蓋各種類型，對于一些大型、復雜的家電設備，通過軟件應用程序模擬它們的流量發(fā)送、接收及處理等過程。實驗環(huán)境中選擇設備的進一步說明見表3所列。這里參照文獻[6]，將設備流量分布分為周期感知對象、事件觸發(fā)感知對象及流對象3種。

表3 網絡設備、分類及特點

網絡功能通過以下類似方式體現(xiàn)：

（1）通信功能：在PC、網關、服務器等設備上安裝網絡管理應用程序，檢測網絡的時延、抖動與丟包等指標；

（2）信息共享與管理：在服務器上存放各類視頻、語音等文件，感知、存儲物聯(lián)網設備發(fā)出的各類信息，供所有智能終端共享；

（3）家庭自動化：在服務器上安裝一些家庭助手應用程序，使得終端設備協(xié)同工作，例如將門磁和燈關聯(lián)起來，開門的時候自動開燈；

（4）接入外網：家庭智能終端設備能夠訪問互聯(lián)網，將感知信息按照事先定義的規(guī)則發(fā)送到云端服務器；

（5）家庭娛樂：通過網關下載網絡視頻等資源到服務器，然后通過服務器共享給PC、投影儀等設備；

（6）其他增值業(yè)務：通過流量策略等手段，使游戲、電影等對帶寬要求高的設備能夠按需分配資源。

3 模擬設備構建

在網絡構建過程中，對家庭網絡設備、組網方式以及所具備的功能進行了分析，對于具體的終端設備，主要選取了一些簡單、常見的家庭網絡設備作為真實終端，其中大部分設備依靠開發(fā)板模擬實現(xiàn)。本節(jié)主要對模擬設備的實現(xiàn)、實驗方式進行研究，在軟硬件方面使用OpenWrt、樹莓派、CC2530、ESP32等工具進行業(yè)務模擬，通過CC2530開發(fā)板模擬ZigBee設備終端與協(xié)調器間的通信，通過ESP32開發(fā)板模擬藍牙低功耗 （Bluetooh Low Energy，BLE）設備終端與網關間的通信，通過樹莓派模擬終端與路由器之間的IP等背景流。采用自行定制模擬設備的方式有助于后期網絡分析，可以很方便地寫入自己的應用程序進行各類數(shù)據(jù)采集，也可以自定義各類流量策略進行網絡管理。

協(xié)調器和終端節(jié)點都為CC2530開發(fā)板，使用TI公司的Z-Stack協(xié)議棧通信，工作流程如圖2所示。協(xié)調器作為核心設備，可以接收各類ZigBee終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，終端設備模擬節(jié)點通過一個定時器不定期發(fā)送數(shù)據(jù)用于測試ZigBee協(xié)議及其對整個網絡的影響。

圖2 CC2530開發(fā)板業(yè)務模擬工作流程

使用2塊ESP32開發(fā)板測試BLE功能，ESP32集成了BLE及WiFi功能，一個模擬網關主設備，另一個模擬終端從設備，網關掃描并添加從設備，訂閱終端設備所發(fā)送的廣播信息，接收、解析之后重新組織發(fā)送到服務器。在終端開發(fā)板中并發(fā)運行多種業(yè)務功能模擬模塊。BLE功能架構如圖3所示。

圖3 ESP32業(yè)務架構

ESP32開發(fā)板使用Arduino框架進行開發(fā)，Arduino框架的主函數(shù)以setup和loop函數(shù)作為入口函數(shù)，以BLE網關為例，代碼流程如圖4所示。該網關可以接收真實的終端設備數(shù)據(jù)，也可以接收ESP32模擬的終端設備廣播數(shù)據(jù)。

圖4 基于Arduino-ESP框架的ESP32網關偽代碼

藍牙流量和ZigBee流量最后都轉為IP流量在網絡中傳輸，因此可以通過以直接產生IP流量的方式來研究物聯(lián)網流量對網絡的影響。研究家庭網絡功能、性能時，對于網絡攻擊、壓力測試等一些極限場景，單純使用網絡設備比較困難，但通過模擬設備產生背景流來生成相應場景就比較容易。通過研究各類流量發(fā)生模型，使用樹莓派作為模擬設備，安裝Ubuntu操作系統(tǒng)，開發(fā)流量發(fā)生器來產生各類背景流。無線路由器使用OpenWrt操作系統(tǒng)，方便進行狀態(tài)搜集及策略下發(fā)，硬件使用樹莓派4，也可以使用一些支持OpenWrt固件的家用路由器。通過樹莓派進行IP流量模擬的功能架構如圖5所示。

圖5 樹莓派模擬終端與路由器

4 結 語

本文首先分析了現(xiàn)有家庭常見的網絡終端設備，并對其進行分類，接著分析現(xiàn)有家庭網絡的流量特點，然后選取一些具有代表性且易操作的設備進行組網。對于無法在模擬環(huán)境中呈現(xiàn)的設備，通過開發(fā)板進行虛擬仿真，并在網絡中加入背景流來模擬真實的家庭網絡流量。接下來將進行這三方面的工作：

（1）在該模擬環(huán)境中加入邊緣計算的模擬，用于研究邊緣計算在家庭網絡演化中所起的作用；

（2）研究一種面向家庭的信息和通信技術（Information and Communication Technology, ICT）融合的家庭網絡管理方案，用以解決日益增多的家庭網絡運維問題；

（3）通過該網絡環(huán)境研究、模擬各種應用場景，例如有人在家和無人在家，告警方式動態(tài)變更等。