下一代智能家庭网关技术的研究与实践
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2016 年，中国移动制定了以网络、业务和服务三大能力为核心的有线宽带发展战略。网络能力指从用户终端到网络接入、流量疏导到内容获取等端到端的网络承载能力，业务能力指从用户咨询、业务受理、派单、网络资源配置、上门安装等端到端的业务受理能力，服务能力指从用户投诉、渠道受理、远程测试、后台支撑、上门维修等端到端质量保障体系。
截至2016 年10 月底，中国移动有线宽带用户累计达7551 万户。在全部有线宽带用户中，98% 以上的用户采用了PON 技术接入，其中采用GPON 技术的占比约85%。同时，全网采用FTTH 接入的签约用户占比约70%。
智能网关行业标准进展
随着国内有线宽带业务的快速普及，运营商部署在用户家中的接入设备经历了从桥接型SFU（Single Family Unit）向路由型HGU（Home Gateway Unit）的演进。作为宽带业务通道，SFU 无家庭网络管理能力，仅为用户提供二层通道，管控不灵活； HGU 作为家庭连接中心，具备WIFI 连接， 可灵活管控业务，实现业务自动下发，为用户提供如IPTV 等简单增值业务。
如今各类互联网业务蓬勃发展，路由型家庭网关已经不能满足如智能提速、家长控制、家居安防等灵活增值业务的扩展和部署，智能网关通过开放操作系统提供灵活的插件扩展能力，以增值业务中心的角色为家庭提供更加丰富灵活的业务。
行业标准方面，中国通信标准协会在2016 年对《基于公用电信网的宽带客户智能网关》系列标准进行了立项，规划了该系列标准的两个部分，分别为《基于公用电信网的宽带客户智能网关第1 部分总体技术要求》以及《基于公用电信网的宽带客户智能网关第2 部分家庭用智能网关技术要求》。《基于公用电信网的宽带客户智能网关第1 部分总体技术要求》从智能网关系统架构、业务支持能力、设备功能要求和管理功能要求四个方面，对智能网关进行了整理描述和规范。标准根据智能网关网络和业务的双重属性，明确了网关管理平台和应用管理平台的两层管理架构。其中网关管理平台主要包括网关功能管理和插件管理，该平台与智能网关直接建立管理接口；应用管理平台包括插件审核呈现、手机客户端管理、门户管理以及数据统计分析等主要与应用插件相关的功能，该平台与网关管理平台建立管理接口，并通过后者对智能网关进行管理。
《基于公用电信网的宽带客户智能网关第2 部分家庭用智能网关技术要求》第二部则从家庭用智能网关的位置和功能参考模型、接口、设备功能、安全功能、操作管理维护、性能和其它方面对智能家庭网关做出了更详细规定。
以上两部分标准已于2016 年8 月份完成征求意见稿，计划于2016 年底之前送审。
中国移动智能网关规范及技术体系
2016 年初，中国移动开始发布了智能网关系列企业标准，对包括智能网关及其管理平台的功能、接口等技术要求进行了全面的规范。其中涉及智能网关设备技术的相关规范共有3 个，分别是《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技术规范- 终端管理分册》和《中国移动智能家庭网关接口技术规范- 插件管理分册》。
以上3 本规范形成了中国移动智能家庭网关的基本技术体系：
a) 基于JVM 承载的OSGi 框架提供灵活的插件加载能力，并将网关能力封装成共39 类，140 多个API， 提供给上层JAVA 应用。
b) 终端管理基于TR-069 协议， 实现网关功能管理（含网关层及VoIP 等功能的管理）、API 权限管理等。
c) 插件管理基于JSON 封装协议， 实现插件安装、卸载、启停等管理。
引入基于智能OS 的开放平台，面向业务开放：目前较为主流的、用于家庭用路由器的操作系统或基础框架有 OpenWRT、OSGi 框架和Android。OpenWRT 基于C 环境，是针对路由器设备开发的开源操作系统，开发者社区活跃，但受制于Native Linux 的制约， 跨硬件平台能力较弱。OSGi 框架基于JAVA 环境，天然具备较强的跨平台运行能力，但针对路由器类设备的基础包支持较弱；Android 平台针对带“屏”类终端设计，底层基亍Linux OS， 上层基亍Java 技术，灵活性、开放性都非常好，生态链完整，但系统资源消耗较大， 在网关类业务以及API 设计上支持较弱。综合考虑运营商智能网关设备多厂家、低成本等关键要素，中国移动智能网关采用具备跨平台能力的OSGi 架构，通过扩展API 的方式开放网关基础功能。七大功能模块，实现智能化。如图1 所示，智能网关由七个方面的功能模块组成：接入功能、联网功能、传送功能、核心功能、业务功能、管理功能、应用插件功能。其中，前五个功能与传统路由型家庭网关相同；管理功能中的远程管理包含了基于JSON 封装的插件生命周期管理接口；APP 插件功能则是智能网关新增的主要功能，也是智能网关为用户提供灵活业务扩展的核心部分。智能网关通过加载各类应用插件， 调用上文提到的API 接口，实现包括运维、提速、存储等各类智能化的业务逻辑。
智能网关API的权限管理
智能网关将网关底层能力以API 的形式开放给上层应用，这种能力开放在为上层业务提供灵活接口的同时，也将网关的底层的部分核心功能暴露给第三方应用。因此，为保证智能网关设备的安全性和稳定性，API 的权限管理显得尤为重要。
在中国移动智能网关技术体系中，智能网关的权限管理被分为2 个主要部分。首先是插件审核阶段在平台进行的权限审核，该流程将全面检查插件是否调用未在平台进行申请，或平台未开放权限的非法的API 接口。再就是智能网关在进行插件安装等操作时，智能网关本地进行的权限管理，确保插件在本地运行时确实没有调用超出范围的API 权限。这部分本地权限管理的功能由TR-069 协议配置管理完成。通过对每一个插件下发不同的API 权限策略，可以实现智能网关对每个插实际调用API 接口权限的控制。在实际操作中，根据智能网关业务的丰富和灵活度，可以采用模板化的API 权限策略，减少配置工作量，也可以采用定制化的API 策略，为每个插件量身定做一套权限名单。考虑到目前智能网关上承载业务逻辑初具雏形，中国移动暂时采用较为方便易用的模板化API 权限配置方式。
智能网关的测试与试点落地
在完成系列企业规范的同时，中国移动积极引入产业链各方力量，开展了一系列智能网关测试。其中实验室测试于2016 年6 月初开始，10 月中结束，共测试了包括2 个中国移动自有研发单位在内的6 个厂家的智能网关设备。此次测试全面评估了智能网关设备接入功能、传送功能、联网功能测试、地址功能、QoS 功能等传统功能模块的成熟度，同时对智能网关新增的插件生命周期管理、API 权限管理等功能进行了全面的测试。测试采用PON 层全面解耦的组网方式， 并交叉使用了来自于5 个不同厂家的TR- 069 管理平台，最大程度上考虑了不同省份现网部署时厂家组合的复杂情况。经过前后共3 轮的测试与整改，6 个厂家实验室测试通过率均达到95% 以上。
2016 年10 月，中国移动启动了智能网关异厂家互通现网试点测试，试点选择在安徽、甘肃、北京、河南和河北五个省市进行。前期参与实验室测试的6 个智能网关厂家全面参与本次试点测试。现网试点测试仍在进行中，从已完成试点测试的安徽、甘肃和北京的结果来看，各测试项一次通过率良好，为中国移动智能网关试商用奠定了技术和应用基础。
智能网关的未来演进
随着智能化业务的日益丰富和快速迭代，如何实现性能更加优化、部署更加敏捷的增值业务，将成为未来智能网关演进的方向，虚拟化网关充分利用云化资源提供强大的计算能力和远程业务部署能力， 是智能网关未来演进的一个重要方向。
目前看来，虚拟化网关系统主要由三部分组成：sCPE（Service CPE）、pCPE （Physical CPE）以及连接两个部分的隧道。sCPE 在云端采用虚拟化技术实现各类网络和业务功能，并且可以采用业务链的形式实现各类业务动态灵活的组合及部署。pCPE 在用户端提供丰富的物理接口， 提供基本家庭组网功能， 同时具备流标记和隧道功能，处理进入或来源于sCPE 的特定业务流量。在虚拟化网关架构下， sCPE 应兼容新的pCPE 设备以及各大运营商已经规模部署的SFU、HGU 和智能网关设备，并通过不同的隧道技术与各类设备建立连接。
总体来看，虚拟化网关的架构还处于研究的初级阶段，其具体技术方案还没有在产业界形成共识。随着智能网关的大规模引入，产业链势必会对更多新兴家庭增值业务进行探索，虚拟化网关技术方案也应从用户需求出发，全盘评估和研究最符合实际业务需求的技术方案。
总结
运营商家庭接入设备已经逐步完成从桥接型SFU 向路由型HGU 的演进，并迈入到具备动态插件加载能力的智能网关时代。通过不到一年的时间，中国移动完成和推进了智能网关的企业标准制定、实验室测试和现网试点测试，为未来智能网关的商用打下了坚定的技术基础。网关能力API 的开放为智能网关上层业务提供了一片待挖掘的沃土，但纵观国内运营商智能网关生态链，这边沃土上还没有出现具有核心竞争力的插件应用。可见，如何利用这片沃土孕育出符合用户需求的多样化增值业务，将成为运营商在智能网关时代家庭宽带业务运营的重要课题。
作者单位：中国移动研究院
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