摘 要 ：智能家居設備使得家庭網絡越來越復雜，文章從家庭智能網絡設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備，通過物聯網開發板自制智能終端網關設備、虛擬終端設備，以及通過應用軟件產生各類家庭網絡背景流，構建一個家庭網絡模擬環境 ；然后在網關設備上開發相應的分析應用程序對網絡進行監控，并在服務器上開發、運行家庭網絡管理系統，進行網絡運維管理。

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點或通過物理層上的域間網橋彼此通信的兩個或多個節點”［1］。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了各種紛繁復雜的智能設備，且還在以每年 20% ～ 30% 的規模增長 ［2］。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網絡的服務質量 ［3］。

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展都具有非常重要的意義。文章從現有家庭網絡中的設備種類、網絡流量特征入手，構建一個符合現有家庭網絡規律的智慧家庭網絡模型及實驗環境，在網絡各個層級中加入多個設備模擬工具來提高網絡環境的真實性，最后在該環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。

在眾多家庭網絡設備中，使用的網絡協議也各有側重，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 ［4］。從宏觀角度看，家庭網絡帶寬絕大部分被互聯網應用、音視頻等占據，物聯網終端僅占小部分帶寬，整體家庭網絡流量呈現出反持續性特點 ［5］。

2 網絡環境構建

家庭物聯網絡模擬，協議部分須涵蓋 WiFi、ZigBee 和Bluetooth 等三種家庭物聯網協議 ；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，及其他增值業務。網絡協議和業務功能除盡量貼近真實環境外，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議（Internet Protocol， IP）網絡背景流，用以測試家庭網絡流量調度等。

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送、接收及處理等過程。實驗環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、事件觸發感知對象及流對象 3 種。

網絡功能通過以下類似方式體現 ：

（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、存儲物聯網設備發出的各類信息，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，使得終端設備協同工作，例如將門磁和燈關聯起來，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網，將感知信息按照事先定義的規則發送到云端服務器 ；

（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板模擬實現。本節主要對模擬設備的實現、實驗方式進行研究，在軟硬件方面使用 OpenWrt、樹莓派、CC2530、ESP32 等工具進行業務模擬 ［7-10］，通過 CC2530 開發板模擬 ZigBee 設備終端與協調器間的通信，通過 ESP32開發板模擬藍牙低功耗（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據采集，也可以自定義各類流量策略進行網絡管理。

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

使用 2 塊 ESP32 開發板測試 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，訂閱終端設備所發送的廣播信息，接收、解析之后重新組織發送到服務器。在終端開發板中并發運行多種業務功能模擬模塊。BLE 功能架構如圖 3 所示。

ESP32 開發板使用 Arduino 框架進行開發，Arduino 框架的主函數以 setup 和 loop 函數作為入口函數，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據，也可以接收 ESP32 模擬的終端設備廣播數據。

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生模型，使用樹莓派作為模擬設備，安裝 Ubuntu 操作系統，開發流量發生器來產生各類背景流 ［11］。無線路由器使用 OpenWrt 操作系統，方便進行狀態搜集及策略下發，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。

4 結 語

本文首先分析了現有家庭常見的網絡終端設備，并對其進行分類，接著分析現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。對于無法在模擬環境中呈現的設備，通過開發板進行虛擬仿真，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（Informationand 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，告警方式動態變更等。

審核編輯 ：李倩