面向多業(yè)務(wù)的家庭網(wǎng)絡(luò)模擬

摘 要 ：智能家居設(shè)備使得家庭網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，文章從家庭智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類和流量特點(diǎn)兩個方面入手，選取一些具有代表性且易操作的真實(shí)終端設(shè)備，通過物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板自制智能終端網(wǎng)關(guān)設(shè)備、虛擬終端設(shè)備，以及通過應(yīng)用軟件產(chǎn)生各類家庭網(wǎng)絡(luò)背景流，構(gòu)建一個家庭網(wǎng)絡(luò)模擬環(huán)境 ；然后在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上開發(fā)相應(yīng)的分析應(yīng)用程序?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，并在服務(wù)器上開發(fā)、運(yùn)行家庭網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理。

0 引 言

有線和無線家庭網(wǎng)絡(luò)都定義為“可以直接或通過物理層的中繼節(jié)點(diǎn)或通過物理層上的域間網(wǎng)橋彼此通信的兩個或多個節(jié)點(diǎn)”［1］。人類新生代群體和社會老齡化趨勢都對家庭智能設(shè)備有著很大的需求，因此家庭網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了各種紛繁復(fù)雜的智能設(shè)備，且還在以每年 20% ～ 30% 的規(guī)模增長 ［2］。隨著先進(jìn)設(shè)備與服務(wù)的引入，家庭網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜，將會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，更多的設(shè)備競爭有限的資源、服務(wù)以及帶寬。在網(wǎng)絡(luò)管理方面，必須采用網(wǎng)絡(luò)劃分及有效的帶寬分配策略來提高家庭物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量 ［3］。

研究家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并對其仿真對于研究家庭網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備種類、網(wǎng)絡(luò)流量特征入手，構(gòu)建一個符合現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡(luò)規(guī)律的智慧家庭網(wǎng)絡(luò)模型及實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在網(wǎng)絡(luò)各個層級中加入多個設(shè)備模擬工具來提高網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的真實(shí)性，最后在該環(huán)境中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能測試。

1 設(shè)備及其流量

家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與日俱增，有每天檢測身體特征的智能穿戴設(shè)備，家中存放食物的智能冰箱，還有各類照明、安防等家用設(shè)備，人們的衣食住行幾乎都離不開這些設(shè)備，我們按照設(shè)備的功能、使用場景將這些設(shè)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(shè)備分類方式及常見設(shè)備所屬分類。

在眾多家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，使用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也各有側(cè)重，有的設(shè)備雖然很大，但是內(nèi)嵌的網(wǎng)絡(luò)模塊并不復(fù)雜，例如家用電器，大部分內(nèi)嵌的都是物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）低功耗網(wǎng)絡(luò)模塊。有的設(shè)備雖然外形較小，但是產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量不僅大，而且類型多，例如平板電腦，不同的應(yīng)用程序?qū)a(chǎn)生各種應(yīng)用類型的網(wǎng)絡(luò)流量。不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用對帶寬的需求見表 2 所列 ［4］。從宏觀角度看，家庭網(wǎng)絡(luò)帶寬絕大部分被互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、音視頻等占據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)終端僅占小部分帶寬，整體家庭網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)出反持續(xù)性特點(diǎn) ［5］。

2 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)建

家庭物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)模擬，協(xié)議部分須涵蓋 WiFi、ZigBee 和Bluetooth 等三種家庭物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 ；網(wǎng)絡(luò)功能方面須包括家庭網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)、家庭娛樂，及其他增值業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和業(yè)務(wù)功能除盡量貼近真實(shí)環(huán)境外，在網(wǎng)絡(luò)研究和測試方面也需要留出對應(yīng)的接口用于后期的管理、測試，因此終端和網(wǎng)關(guān)都使用了一些自制設(shè)備。

按照設(shè)備種類及其流量特點(diǎn)，我們構(gòu)建了如圖 1 所示的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境。圖 1 中，網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙、WiFi、ZigBee 屬于網(wǎng)絡(luò)接入類 ；外網(wǎng)、服務(wù)器屬于其他設(shè)備 ；“模擬設(shè)備”可以通過應(yīng)用程序開發(fā)定義為電器、健康個護(hù)等各類家庭設(shè)備，通過在網(wǎng)絡(luò)各個層級嵌入“模擬設(shè)備”來豐富家庭網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)場景，分別接入藍(lán)牙和 ZigBee 網(wǎng)關(guān)，作為真實(shí)的家庭智能設(shè)備，“模擬設(shè)備”接入 WiFi 和網(wǎng)關(guān)，可以產(chǎn)生網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol， IP）網(wǎng)絡(luò)背景流，用以測試家庭網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度等。

在設(shè)備的選擇上盡量覆蓋各種類型，對于一些大型、復(fù)雜的家電設(shè)備，通過軟件應(yīng)用程序模擬它們的流量發(fā)送、接收及處理等過程。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中選擇設(shè)備的進(jìn)一步說明見表 3所列。這里參照文獻(xiàn) ［6］，將設(shè)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。

網(wǎng)絡(luò)功能通過以下類似方式體現(xiàn) ：

（1）通信功能 ：在 PC、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等設(shè)備上安裝網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用程序，檢測網(wǎng)絡(luò)的時延、抖動與丟包等指標(biāo) ；

（2）信息共享與管理 ：在服務(wù)器上存放各類視頻、語音等文件，感知、存儲物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(wù)器上安裝一些家庭助手應(yīng)用程序，使得終端設(shè)備協(xié)同工作，例如將門磁和燈關(guān)聯(lián)起來，開門的時候自動開燈 ；

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

（5）家庭娛樂 ：通過網(wǎng)關(guān)下載網(wǎng)絡(luò)視頻等資源到服務(wù)器，然后通過服務(wù)器共享給 PC、投影儀等設(shè)備 ；

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

3 模擬設(shè)備構(gòu)建

在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，對家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、組網(wǎng)方式以及所具備的功能進(jìn)行了分析，對于具體的終端設(shè)備，主要選取了一些簡單、常見的家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為真實(shí)終端，其中大部分設(shè)備依靠開發(fā)板模擬實(shí)現(xiàn)。本節(jié)主要對模擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)方式進(jìn)行研究，在軟硬件方面使用 OpenWrt、樹莓派、CC2530、ESP32 等工具進(jìn)行業(yè)務(wù)模擬 ［7-10］，通過 CC2530 開發(fā)板模擬 ZigBee 設(shè)備終端與協(xié)調(diào)器間的通信，通過 ESP32開發(fā)板模擬藍(lán)牙低功耗（Bluetooh Low Energy，BLE）設(shè)備終端與網(wǎng)關(guān)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(shè)備的方式有助于后期網(wǎng)絡(luò)分析，可以很方便地寫入自己的應(yīng)用程序進(jìn)行各類數(shù)據(jù)采集，也可以自定義各類流量策略進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。

協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)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(diào)器作為核心設(shè)備，可以接收各類 ZigBee 終端發(fā)來的數(shù)據(jù)，終端設(shè)備模擬節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)的影響。

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(wǎng)關(guān)主設(shè)備，另一個模擬終端從設(shè)備，網(wǎng)關(guān)掃描并添加從設(shè)備，訂閱終端設(shè)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(wù)器。在終端開發(fā)板中并發(fā)運(yùn)行多種業(yè)務(wù)功能模擬模塊。BLE 功能架構(gòu)如圖 3 所示。

ESP32 開發(fā)板使用 Arduino 框架進(jìn)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(wǎng)關(guān)為例，代碼流程如圖 4 所示。該網(wǎng)關(guān)可以接收真實(shí)的終端設(shè)備數(shù)據(jù)，也可以接收 ESP32 模擬的終端設(shè)備廣播數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙流量和 ZigBee 流量最后都轉(zhuǎn)為 IP 流量在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，因此可以通過以直接產(chǎn)生 IP 流量的方式來研究物聯(lián)網(wǎng)流量對網(wǎng)絡(luò)的影響。研究家庭網(wǎng)絡(luò)功能、性能時，對于網(wǎng)絡(luò)攻擊、壓力測試等一些極限場景，單純使用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比較困難，但通過模擬設(shè)備產(chǎn)生背景流來生成相應(yīng)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(shè)備，安裝 Ubuntu 操作系統(tǒng)，開發(fā)流量發(fā)生器來產(chǎn)生各類背景流 ［11］。無線路由器使用 OpenWrt 操作系統(tǒng)，方便進(jìn)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(jìn)行 IP 流量模擬的功能架構(gòu)如圖 5 所示。

4 結(jié) 語

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

（1）在該模擬環(huán)境中加入邊緣計(jì)算的模擬，用于研究邊緣計(jì)算在家庭網(wǎng)絡(luò)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(shù)（Informationand Communication Technology， ICT）融合的家庭網(wǎng)絡(luò)管理方案，用以解決日益增多的家庭網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維問題 ；

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

審核編輯 ：李倩