面向多业务的家庭网络模拟

孙祥安，朱泓艺

（上海宽带技术及应用工程研究中心，上海 200436）

有线和无线家庭网络都定义为“可以直接或通过物理层的中继节点或通过物理层上的域间网桥彼此通信的两个或多个节点”。人类新生代群体和社会老龄化趋势都对家庭智能设备有着很大的需求，因此家庭网络中出现了各种纷繁复杂的智能设备，且还在以每年20%～30%的规模增长。随着先进设备与服务的引入，家庭网络日益复杂，将会导致网络拥塞，更多的设备竞争有限的资源、服务以及带宽。在网络管理方面，必须采用网络划分及有效的带宽分配策略来提高家庭物联网络的服务质量。

研究家庭网络技术，并对其仿真对于研究家庭网络的各种特性及未来发展都具有非常重要的意义。文章从现有家庭网络中的设备种类、网络流量特征入手，构建一个符合现有家庭网络规律的智慧家庭网络模型及实验环境，在网络各个层级中加入多个设备模拟工具来提高网络环境的真实性，最后在该环境中进行网络功能测试。

家庭网络设备与日俱增，有每天检测身体特征的智能穿戴设备，家中存放食物的智能冰箱，还有各类照明、安防等家用设备，人们的衣食住行几乎都离不开这些设备，我们按照设备的功能、使用场景将这些设备分为8个大类，每个大类中再分为若干小类，表1展示了设备分类方式及常见设备所属分类。

表1 家庭网络设备分类

在众多家庭网络设备中，使用的网络协议也各有侧重，有的设备虽然很大，但是内嵌的网络模块并不复杂，例如家用电器，大部分内嵌的都是物联网（Internet of Things, IoT）低功耗网络模块。有的设备虽然外形较小，但是产生的网络流量不仅大，而且类型多，例如平板电脑，不同的应用程序将产生各种应用类型的网络流量。不同的网络应用对带宽的需求见表2所列。从宏观角度看，家庭网络带宽绝大部分被互联网应用、音视频等占据，物联网终端仅占小部分带宽，整体家庭网络流量呈现出反持续性特点。

表2 互联网应用的带宽比较

家庭物联网络模拟，协议部分须涵盖WiFi、ZigBee和Bluetooth等三种家庭物联网协议；
网络功能方面须包括家庭网络中的常见功能：通信功能、信息共享与管理、家庭自动化、接入外网、家庭娱乐，及其他增值业务。网络协议和业务功能除尽量贴近真实环境外，在网络研究和测试方面也需要留出对应的接口用于后期的管理、测试，因此终端和网关都使用了一些自制设备。

按照设备种类及其流量特点，我们构建了如图1所示的网络实验环境。图1中，网关、蓝牙、WiFi、ZigBee属于网络接入类；
外网、服务器属于其他设备；
“模拟设备”可以通过应用程序开发定义为电器、健康个护等各类家庭设备，通过在网络各个层级嵌入“模拟设备”来丰富家庭网络实验场景，分别接入蓝牙和ZigBee网关，作为真实的家庭智能设备，“模拟设备”接入WiFi和网关，可以产生网际互连协议（Internet Protocol, IP）网络背景流，用以测试家庭网络流量调度等。

图1 家庭网络组网模拟

在设备的选择上尽量覆盖各种类型，对于一些大型、复杂的家电设备，通过软件应用程序模拟它们的流量发送、接收及处理等过程。实验环境中选择设备的进一步说明见表3所列。这里参照文献[6]，将设备流量分布分为周期感知对象、事件触发感知对象及流对象3种。

表3 网络设备、分类及特点

网络功能通过以下类似方式体现：

（1）通信功能：在PC、网关、服务器等设备上安装网络管理应用程序，检测网络的时延、抖动与丢包等指标；

（2）信息共享与管理：在服务器上存放各类视频、语音等文件，感知、存储物联网设备发出的各类信息，供所有智能终端共享；

（3）家庭自动化：在服务器上安装一些家庭助手应用程序，使得终端设备协同工作，例如将门磁和灯关联起来，开门的时候自动开灯；

（4）接入外网：家庭智能终端设备能够访问互联网，将感知信息按照事先定义的规则发送到云端服务器；

（5）家庭娱乐：通过网关下载网络视频等资源到服务器，然后通过服务器共享给PC、投影仪等设备；

（6）其他增值业务：通过流量策略等手段，使游戏、电影等对带宽要求高的设备能够按需分配资源。

在网络构建过程中，对家庭网络设备、组网方式以及所具备的功能进行了分析，对于具体的终端设备，主要选取了一些简单、常见的家庭网络设备作为真实终端，其中大部分设备依靠开发板模拟实现。本节主要对模拟设备的实现、实验方式进行研究，在软硬件方面使用OpenWrt、树莓派、CC2530、ESP32等工具进行业务模拟，通过CC2530开发板模拟ZigBee设备终端与协调器间的通信，通过ESP32开发板模拟蓝牙低功耗 （Bluetooh Low Energy，BLE）设备终端与网关间的通信，通过树莓派模拟终端与路由器之间的IP等背景流。采用自行定制模拟设备的方式有助于后期网络分析，可以很方便地写入自己的应用程序进行各类数据采集，也可以自定义各类流量策略进行网络管理。

协调器和终端节点都为CC2530开发板，使用TI公司的Z-Stack协议栈通信，工作流程如图2所示。协调器作为核心设备，可以接收各类ZigBee终端发来的数据，终端设备模拟节点通过一个定时器不定期发送数据用于测试ZigBee协议及其对整个网络的影响。

图2 CC2530开发板业务模拟工作流程

使用2块ESP32开发板测试BLE功能，ESP32集成了BLE及WiFi功能，一个模拟网关主设备，另一个模拟终端从设备，网关扫描并添加从设备，订阅终端设备所发送的广播信息，接收、解析之后重新组织发送到服务器。在终端开发板中并发运行多种业务功能模拟模块。BLE功能架构如图3所示。

图3 ESP32业务架构

ESP32开发板使用Arduino框架进行开发，Arduino框架的主函数以setup和loop函数作为入口函数，以BLE网关为例，代码流程如图4所示。该网关可以接收真实的终端设备数据，也可以接收ESP32模拟的终端设备广播数据。

图4 基于Arduino-ESP框架的ESP32网关伪代码

蓝牙流量和ZigBee流量最后都转为IP流量在网络中传输，因此可以通过以直接产生IP流量的方式来研究物联网流量对网络的影响。研究家庭网络功能、性能时，对于网络攻击、压力测试等一些极限场景，单纯使用网络设备比较困难，但通过模拟设备产生背景流来生成相应场景就比较容易。通过研究各类流量发生模型，使用树莓派作为模拟设备，安装Ubuntu操作系统，开发流量发生器来产生各类背景流。无线路由器使用OpenWrt操作系统，方便进行状态搜集及策略下发，硬件使用树莓派4，也可以使用一些支持OpenWrt固件的家用路由器。通过树莓派进行IP流量模拟的功能架构如图5所示。

图5 树莓派模拟终端与路由器

本文首先分析了现有家庭常见的网络终端设备，并对其进行分类，接着分析现有家庭网络的流量特点，然后选取一些具有代表性且易操作的设备进行组网。对于无法在模拟环境中呈现的设备，通过开发板进行虚拟仿真，并在网络中加入背景流来模拟真实的家庭网络流量。接下来将进行这三方面的工作：

（1）在该模拟环境中加入边缘计算的模拟，用于研究边缘计算在家庭网络演化中所起的作用；

（2）研究一种面向家庭的信息和通信技术（Information and Communication Technology, ICT）融合的家庭网络管理方案，用以解决日益增多的家庭网络运维问题；

（3）通过该网络环境研究、模拟各种应用场景，例如有人在家和无人在家，告警方式动态变更等。

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