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兩個方面入手,選取一些具有代表性且易操作的真實終端設(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)進行監(jiān)控,并在服務(wù)器上開發(fā)、運行家庭網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng),進行網(wǎng)絡(luò)運維管理。
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”[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)模型及實驗環(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)境的真實性,最后在該環(huán)境中進行網(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 [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,我們構(gòu)建了如圖 1 所示的網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境。圖 1 中,網(wǎng)關(guān)、藍牙、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)實驗場景,分別接入藍牙和 ZigBee 網(wǎng)關(guān),作為真實的家庭智能設(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。實驗環(huán)境中選擇設(shè)備的進一步說明見表 3所列。這里參照文獻 [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 ;
(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)備作為真實終端,其中大部分設(shè)備依靠開發(fā)板模擬實現(xiàn)。本節(jié)主要對模擬設(shè)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(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)用程序進行各類數(shù)據(jù)采集,也可以自定義各類流量策略進行網(wǎng)絡(luò)管理。
協(xié)調(diào)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(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(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,并對其進行分類,接著分析現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡(luò)的流量特點,然后選取一些具有代表性且易操作的設(shè)備進行組網(wǎng)。對于無法在模擬環(huán)境中呈現(xiàn)的設(shè)備,通過開發(fā)板進行虛擬仿真,并在網(wǎng)絡(luò)中加入背景流來模擬真實的家庭網(wǎng)絡(luò)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(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
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原文標題:論文速覽 | 面向多業(yè)務(wù)的家庭網(wǎng)絡(luò)模擬
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