基于公用电信网的智能宽带客户网关技术要求的研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研 究 报 告 要 点 随着移动互联网、物联网等技术的快速发展，智能终端应用愈来愈广泛。作为连接家庭、企业内部网络和互联网的关键设备，宽带客户网关的智能化也已成为趋势。智能宽带客户网关既可满足运营商部署新业务的需求，也有利于提升最终用户体验 。有别于传统的宽带客户网关，智能宽带客户网关在设备形态、接口、功能、管理、操作系统等方面都有着新的要求和特点，因此有必要在这些方面开展研究。 本报告主要针对智能宽带客户网关的发展驱动力、主要功能、关键技术、应用场景、产业和标准发展现状等方面进行研究，并根据研究的结果对下一步标准化工作提出建议。 传送网与接入网技术工作委员会接入网工作组 研究单位：烽火科技集团有限公司 项目负责人：王志军 项目参加人：郑学智 王健 田智炜 周箴 常宇光 韩静 完成日期 ： 2016年 6月 目录 1 范围 . 1 2 缩略语 . 1 3 智能宽带客户网关概述 . 2 4 智能宽带客户网关网络位置 及特性 . 3 5 智能宽带客户网关关键技术 . 5 6 业务平台 和插件管理平台 及相关技术 . 13 7 手机 APP 及其他 相关关键技术 . 14 8 智能宽带客户网关的业务 . 16 9 后续工作建议 . 20 10 参考文献 . 21 1 基于公用电信网的智能宽带客户网关技术要求的研究 1 范围 本研究报告针对基于公用电信网的智能宽带客户网关展开研究，包括智能宽带客户网关的发展驱动力、主要功能、关键技 术、业务应用场景、产业和标准发展现状等。 本研究报告可为后续的基于公用电信网的智能宽带客户网关的标准化工作提供参考。 2 缩略语 下列缩略语适用于本 文件 。 APP 应用 Application CPE 用户侧设备 Customer Premise Equipment CPU 中央处理单元 Central Processing Unit DMIPS Dhrystone测试程序下的百万条指令数 /秒 Dhrystone Million Instructions executed Per Second GUI 图形化用户接口 Graphic User Interface HTTP 超文本传输协议 Hyper Text Transfer Protocol IP 互联网协议 Internet Protocol IPTV 互联网电视 Internet Protocol Television ITMS+ 增强型 终端综合管理系统 Integrated Terminal Management System Plus iOS 苹果公司的移动操作系统 Apple Mobile Operation System JVM Java虚拟机 Java Virtual Machine JSR Java 规范请求 Java Specification Requests JNI JAVA本地调用 Java Native Interface LAN 局域网 Local Area Network MAC 媒体访问控制 Media Access Control MIPS 百万条指令 /秒 Millions of Instructions Per Second MQTT 消息队列遥测传输 Message Queuing Telemetry Transport OSGi 开放式服务网关 Open Service Gateway Initiative RAM 随机存储器 Random Access Memory TCP 传输控制协议 Transmission Control Protocol UDP 用户数据报协议 User Datagram Protocol WiFi 无线保真 Wireless Fidelity 2 3 智能宽带客户网关 概述 3.1 智能宽带客户网关的驱动力 2015 年瑞士达沃斯论坛上，互联网巨头谷歌公司的董事长埃里克施密特预言，互联网即将消失，一个高度个性化、互动化的有趣世界，物联网即将诞生。未来将有数量巨大的 IP地址、传感器、可穿戴设备、以及虽感觉不到却可与之互动的东西，时刻伴随着你。这种变化将对 科技公司而言是前所未有的。世界将变得非常个性化、非常互动化和非常非常有趣。 美国市场研究公司 Gartner 预测：到 2020 年，物联网将带来每年 300 亿美元的市场利润，届时将会出现 25 亿个设备连接到物联网上，并将继续快速增长。由此带来的巨大市场潜力已成为美国科技公司新的增长引擎，包括思科、 AT&T、 Axeda、亚马逊、苹果、通用电气、谷歌与 IBM 等在内的美国公司争相抢占在物联网产业的主导地位。 2015 年 CES 展上，可以看到物联网概念成为最大看点之一，智能家居、数字医疗、车联网等产品的推出，使得物联网技术真正 服务于智能生活，家庭物联成为行业的热点。 在消费类产品市场上，智能化产品成为趋势。一些使日常生活更互联、更智能的创新产品和技术将成为业界关注的焦点。 通过终端与平台的互动，来实现终端的业务提供，成为一种发展趋势，没有联入网络的终端其竞争力会逊色很多。国外的，如苹果公司，其通过 iTunes， iCloud 等网络平台，与各种家庭内部的终端，如 iphone， ipad 等进行互操作，可方便终端用户获得媒体，包括音频，视频，以及各种应用等，通过丰富的内容，构建了一个业务生态系统。国内的一些科技等公司，通过发布智能设备，以 及手机 App 等，可以实现家庭内部的媒体分享、智能操控等，简化了人们日常使用方式，使得普通用户也可以方便使用，而不需要复杂的设置。 在运营商市场上， 随着“宽带中国”战略的实施，在用户带宽提升后，运营商面临着投资加大，但是营收却未同步增长的困境，而互联网提供商和一些具备完整生态环境的终端设备商，例如腾迅和苹果公司，却通过畅通的网络，实现了业务收入的大幅增长，运营商迫切需要通过网络来向终端用户提供更多更好的业务，吸引用户，通过用户的黏度来获取增殖业务收入，从而向信息服务提供商转变。 在全业务时代，家庭网络作为实 现固定和移动融合的利器，被运营商视为新的战略控制点，智能化家庭网络是数字家庭的发展方向。而智能化家庭网络的核心是宽带客户网关。如何能够提高宽带客户网关的智能化，是实现智能化数字家庭的关键。 家庭网络成为运营商打造产业价值链的必争之地，而宽带客户网关作为运营商提供给客户的宽带设备，通过该设备来提供增值的业务和服务，是一个很好的解决方案。通过建立基于平台和终端的融合服务提供方案，可以借助平台来向宽带客户网关推送应用和服务，运用网关的家庭门户特性，来产生各种各样的增值服务。例如广告推送，应用增值，智能家居等。 随 着相关公司不断进入该领域，家庭物联网络成为行业的热点，构成了智能宽带客户网关发展的强大驱动力。 3.2 智能宽带客户网关发展现状 3.2.1 产业现状 中国电信发布了“天翼网关”的智能网关的技术标准，并组织了集采测试和集采招标，3 招标规模在千万台级，相关产品已逐步在现网展开应用，实现了基于 TR069 和电信智能网关管理平台的双平台的管理模式。目前已在上海、浙江等数个省份展开了实际的设备应用，用户数已达数十万。 中国移动发布了智能网关的系列企业标准，定义了中国移动智能网关的技术规范、接口技术规范、插件管理、一级开放 平台规范等。为中国移动集团下一步规模智能宽带客户网关的发展打下了基础。 中国联通发布了智慧沃家网关系列企业标准。并在北京联通等分公司开展了试点应用。 由此可见，智能宽带客户网关在中国已进入了规模应用的时期。 3.2.2 标准现状 国内三大电信运营商均已发布了智能宽带客户网关的相关企业标准，并在企业内部加以推行。其中部分标准名称列举如下： Q/CT 2603-2015中国电信智能家庭网关技术要求 Q/CT 2604-2015中国电信智能家庭网关与智能网关及应用管理平台接口技术要求 中国电信智能家庭网关技术要求 （ 2016 修订初稿） 中国联通智慧沃家智能网关技术规范 1.0 中国联通智慧沃家智能网关功能控制平台技术规范 1.0 中国联通智慧沃家智能网关运营管理平台技术规范 1.0 中国联通智慧沃家智能网关接口规范 1.0 中国移动智能家庭网关技术规范 中国移动智能家庭网关接口规范 -终端管理分册 中国移动智能家庭网关接口规范 -插件管理分册 中国移动一级家庭开放平台规范 中国移动省级数字家庭管理平台规范 在国际上，关于智能宽带客户网关的标准还比较缺乏，但在智能宽带客户网关的关键技术的标准有 很多进展，例如 OSGi 标准，在 2015 年已发布了 6.0 版本。 4 智能宽带客户网关 网络位置及特性 4.1 网络 位置 智能 宽带客户 网关是家庭网络和外部网络的接口单元 ，在网络中的位置如图 1所示 。 4 网 关 I T M S平 台I P T V 平 台 N G N 平 台网 关 插 件管 理 平 台网 关 插 件业 务 平 台传 送 功 能接入功能核 心 功 能 （ 地址 、 Q o s 等 ）传 统 业 务 功 能（ V O I P ）开 放 平 台插 件 A 插 件 B 插 件 C 管理功能联网功能智 能 宽 带 客 户 网 关管 理 平 台业 务 平 台平 台传 送 与承 载 网接 入 网 关图 1 智能宽带客户网关在网络中的位置 智能宽带客户网关的整体系统是由智能宽带客户网关、平台、以及手机 App等构成， 图1 中， 智能宽带客户网关接入 到 基本 业务 平台 和 管理 平台 ，基本 业务 管理 平台可以实现对 智能宽带客户 网关上的数据、语音、视频、 QoS 等功能进行部署、管理和控制 ，也 可以实现对智能宽带客户 网关的远程状态查询、故障管理、设备配置和软件升级。智能 宽带客户 网关的智能 业务 是 通过插件 管理 平台进行开通和管理 。 智能业务 插件 管理平台 支持通过 手机客户端远程 管理 智能宽带客户网关，完成插件业务的订购 ， 为用户提供全新 的使用智能宽带客户网关的体验 。 4.2 特性 智能宽带客户网关是近年来兴起的，在普通宽带客户网关功能的基础上，通过在宽带客户网关上进行插件安装，实现宽带客户网关的功能扩展，将宽带客户网关演化为智能的软硬件平台，实现业务的动态部署，并结合手机客户端的管理和控 制，实现用户在任何地点、任何时刻实时对家庭网络进行管理，并使用新的业务功能。 从硬件结构上看，智能宽带客户网关具有通用性接口保证其基本的功能，包含至少 一个USB 接口、至少 一个 WLAN 接口，并有至少 256MB 的内存和至少 256MB 的 Flash 空间，有很强的硬件处理能力的处理器， 处理能力不低于 1500DMIPS。与传统的宽带客户网关的区别，主要体现在 CPU 计算能力、内存和 Flash 空间大小的不同，是对传统宽带客户网关的增强。 从软件结构上看，智能宽带客户网关有较传统宽带客户网关更为开放的软件架构，网关系统上会抽 象出网关设备能力集 API、第三方插件的运行环境支持 ， 并支持手机客户端的管理，来进行第 三方插件 使用，并在用户的管理下，安装、卸载、更新网关插件。能够动态支持对宽带客户网关的软件功能的扩展是其重要的特征。 5 5 智能宽带客户网关关键技术 5.1 概述 智能宽带客户网关是在传统的宽带客户网关的基础之上发展起来的，其最主要的特性就是支持插件的扩展、手机 App 的管理。因此，就涉及了插件运行环境技术、插件的支持框架、插件平台的引入、手机 App 开发等相关的关键技术，通过采用这些关键技术，可以实现本研究报告中描述的智能宽带客户网关 . 关 于插件的运行环境技术，主要有 Java 插件和 C 插件两大类。 Java 插件主要采用 OSGI框架来进行支持，而 C 插件通常是在 OpenWrt 系统上进行支持。 5.2 OpenWrt 5.2.1 简介 OpenWrt 是适合于嵌入式设备的一个 Linux 发行版。 OpenWrt 不是一个单一、静态的固件，而是提供了一个可添加软件包的可写的文件系统。这使用户可以自由 地 安装 应用程序，而不必受设备提供商的限制， 例如，用户 可以使用一些适合某方面应用的软件包来定制设备。对于开发者来说， OpenWrt 是一个框架，开发者不必麻烦的构建整个固件就能得到想要的应用 程序 ， 这意味着完全定制的能力， 可灵活的定制 设备 。 OpenWrt 支持各种处理器架构，无论是对 ARM， X86， PowerPC 或者 MIPS 都有很好的支持。 其 数量 多达 2000 的软件包， 包 括从工具链 (toolchain)，到内核 (linux kernel)，到软件包 (packages)，再到根文件系统 (rootfs)整个体系，使得用户只需简单的一个 make 命令即可方便快速地定制一个具有特定功能的嵌入式系统来制作固件 ，并且可动态的进行软件包的安装 。 OpenWrt 系统对硬件的要求小，适合作为嵌入式设备的操作系统，其 在 c 标准库体积、进程通信支持等方面相比标准 Linux 有明显的优势。 5.2.2 基于 OpenWrt 的智能系统架构 OpenWrt 系统和一般的 Linux 系统一样，主要由四大组件构成： 1) 编译环境： OpenWrt Buildroot 2) 支持若干 bootloader 3) 当前主线 Linux 4) 用户空间： Busybox、 opkg 以及超过 2000 个的软件包 对于智能系统，在 Openwrt 原有架构上，还需要三大组件支持： 1) 中间件框架，提供插件管理 2) 进程间通信机制，解决进程间通信和接口调用 3) 网关能力集接口，提供网关能力接口 基于 OpenWrt 系统的智能宽带客户网关的架构如图 2。 6 O p e n W r t内 核 空 间b u i l t r o o tb o o t l o a d e r网 关 能 力 集 接 口系 统 模 块用 户 空 间中 间 件 框 架智 能 插 件 1 智 能 插 件 2 智 能 插 件 n通 信 接 口图 2 OpenWrt系统的智能宽带客户网关的架构 其中，网关能力集接口是实现对于上层插件的功能支持接口，是整个宽带客户网关的一种能力抽象。而中间件框架实现了对于插件的运行环境的支持，支持插件的安装、卸载、运行、停止、以及插件的隔离、资源管理等方面的功能。系统模块作为由网关的设备实现者提供的系统级功能而提供，可以独立于中间件框架，也可以作为一种系统插件来实现。 5.2.3 中间件框架 中间件架构用来支持第 三方插件的管理，主要包括下面三个方面： 1) 插件管理 提供插件的安装、卸载、升级、停止、启动等功能 ； 定义插件程序包结构， manifest 文件格式，安装后的目录结构、版本号、外部依赖关系等等 ； 插件的升级和系统 Firmware 的升级独立，系统 Firmware 的升级不能影响到已安装的应用 ； Firmware 的升级必须保证所有对外 API 的向后兼容性，必须保证升级后应用仍然可用。同理，中间件的升级也是如此 ； 插件之间不应该有依赖关系。 2) 安全管理 插件的数据访问权限管理 ； 插件对系统 API 的调用权限管理 ； 插件对特定业 务接口的访问权限 ； 插件的合法性验证等。 3) 资源管理 可以限制、隔离插件使用的物理资源（ CPU、 Memory、 IO 等） ； 支持对于网关设备的访问控制、如接口、网络等 ； 提供独立的名字空间、避免插件冲突。