家用閘道器由來

家庭網路的定義在於連接「家庭規模[1]」範圍內的所有網路與控制設備，以達到通訊、資訊互享、娛樂與控制/保全的目的，如(圖一)所示。從早期以控制/保全為訴求的出發點，建立低速率的資料傳輸通道，例如以X-10為標準的電力線網路技術，可控制家庭電氣設備的操作，甚至專業保全公司為客戶裝設的保全設備，遇到狀況時（Alarm），亦會透過低速率Modem回報控管中心；到現在因人們習於使用網際網路分享資訊，家庭網路扮演資訊互享的提供者，我們可隨時隨地透過家庭網路交換資訊，就如同我們處在企業內部的LAN一般；未來趨勢的預測，則如同寬頻網際網路的趨勢一般，在網路架構建立與頻寬資源充足後，多媒體通訊與娛樂將會是各種網路上的明日之星。

《圖一　家庭網路的應用》 資料來源：Cahners In-Stat Group

家用閘道器這個名詞在這兩年，隨著寬頻網際網路的快速建置與普及，以及後PC時代IA產品的問世，而漸漸在網路通訊與數位娛樂領域為人所引用。標榜各式各樣功能的家用閘道器，也逐漸在市場上出現。但是何謂家用閘道器？目前並無統一的定義，我們可從功能面與產品的演進，來一窺究竟。以功能來定位家用閘道器，是站在寬頻網際網路與家庭網路之間，扮演橋樑與出入口的角色，如(圖二)所示。

《圖二　家用閘道器的定位》 資料來源：Microsoft

從產品演進來看，家用閘道器的由來可大致區分為二。其一來自所謂的網路通訊產品，先從Broadband Modem（ADSL與Cable Modem為例）來分析，一開始雖然有各式各樣的產品型態（PCI、Ethernet與USB界面），但都是單純的寬頻接取（Broadband Access）功能。接著，加入NAT Router的Feature後，就已經在用戶端拉出一個以Ethernet為主的網路。然後，Wireless、HomePNA與HomePlug等Home Network上的標準就可繼續結合進來。若再考慮Firewall與VPN等Security的考量，就可稱之為家用閘道器了。同樣地，若從NAT Router製造商的觀點來看，NAT Router加上Broadband Modem的模組後，也是殊途同歸的往家用閘道器的產品開發。

《圖三　ADSL Modem的產品演進》 資料來源：資策會MIC、經濟部ITIS計畫，2001/12

《圖四　CAble Modem的產品演進》 資料來源：資策會MIC、經濟部ITIS計畫，2001/12

其二是從數位機上盒（Set-Top Box；STB）所演進而來的。何謂數位機上盒[2]呢？其實很難用三言兩語定義清楚。其外型千篇一律為四四方方的盒子，前面板為一些顯示燈號、功能鍵、紅外線接收器或IC卡槽，背板則為一些相關的網路接頭（如電話、軸纜、乙太等網路）、電源、音/視訊接頭（如AV端子及S-Video端子）、電腦連接介面（IEEE 1394、RS-232或USB）等。它原本設計僅為單向的視訊接收或定址解碼功能，現今則朝向雙向多媒體網路通訊的應用發展。總而言之，STB將所收到的信號加以轉換或處理後，再送到電腦或一些家電產品上儲存或顯示。而使用者亦可透過STB將控制或資料上傳給服務供應者（Service Providers），以達到互動（Interactivity）的雙向服務。如(圖五)所示，其中的「寬頻網路」除了我們熟知的寬頻網際網路外，亦包括數位廣播網路。未來更可整合IAD（Integrated Access Device）或RG（Residential Gateway）的功能，並達到家庭網路（Home Networking）的服務。

《圖五　數位機上盒》

網路通訊應該是無所不在的，Anywhere、Anytime and Anyone都可無拘無束的隨時上網。過去這幾年，我們已成功地Deploy寬頻網路的設備與架構，網路架構一直延伸到所謂的Last Mile，現階段則致力於要把Final Mile（Home Networking的範圍）串接起來，那就需要家用閘道器的幫忙。而最近幾年多媒體的應用，則是一個考量的重點。

新興家庭多媒體技術介紹

在探討家庭多媒體技術之前，我們先引用OSGi（Open Services Gateway initiative）[3]這個推動Residential Gateway標準化組織的系統架構圖，如(圖六)。一來可以大概瞭解家用閘道器的系統架構，另一方面，引出家庭網路上的多媒體應用，將以MOD/VOD/KOD、網路遠端監控、互動電視、遠距教學、視訊電話/會議等為主。

《圖六　家用閘道器的系統架構圖》 資料來源：OSGi

上述的多媒體應用，在實現上所需的多媒體技術可粗分為多媒體信號處理與編碼（指壓縮與解壓縮）兩部分。多媒體信號處理技術包括電腦視覺（Computer Vision）、多媒體判別（如Pattern and Speech Recognition）、多媒體合成（如Video and Speech Synthesis）與多媒體資料搜尋等。可用於其上應用的Human Recognition、Interactive TV、Multimedia Search等功能的呈現。在本文中筆者將討論的範圍鎖定於多媒體編碼技術與家庭網路結合的討論。所以我們將談到MPEG-4的編碼標準與Multimedia Streaming的技術。

MPEG-4編碼標準與技術

MPEG-4視訊壓縮技術是由國際標準組織（ISO/IEC）底下的委員會MPEG（Moving Picture Experts Group）所制定的。該委員會成立於1988年並制定過曾榮獲艾美獎（Emmy Award）的MPEG-1及MPEG-2標準，並成功應用於VCD、MP3、DVD、DTV及HDTV等相關產業，造就電腦與消費性多媒體產業近年來的快速發展。

由ISO/IEC所給MPEG-4的正式編號為14496，其中有關視訊編解碼技術則分別規範在文件的第二部分（14496-2：Visual Part）及第十部分（14496-10：Advanced Video Coding）。14496-2部分目前已完成第一版（Feb.1999）與第二版（Jan.2001），裡面又細分了多種的Tools、Profiles及Levels來支援各式各樣的多媒體應用，包括數位互動電視、行動視訊電話、多媒體儲存、多媒體簡訊、遠距教學及遠端監控等。而14496-10的部分，目前也大致完成，2003年應有標準問世，DVD Forum正考慮納入HD-DVD的標準。

MPEG-4除了承襲壓縮率較舊有標準提高的特性外，所適用的位元率範圍，亦可從5Kbps到2Gbps，如(表一)所示，擷取早期標準ITU-T H.261/263（低位元率編碼）與ISO/IEC MPEG-1/2（高位元率編碼）的優點；再加上支援物件型態編碼（Object-based Coding）及合成影像（Synthetic Video）的壓縮；適用於高階互動功能與特殊視訊製作；容錯性編碼技術（error-resilient）及細微式可調適性編碼技術（Fine Granularity Scalability；FGS），更可適用於頻寬變化劇烈的網路現況。也因為MPEG-4具有的優點，而被ISMA（Internet Streaming Media Alliance）、3GPP（3rd Generation Partnership Project）、M4IF（MPEG-4 Industry Forum）、WMF（Wireless Multimedia Forum），以及可能包括DVD Forum的HD DVD等國際標準組織選為多媒體編碼標準，配合日漸普及的寬頻網際網路及通訊與儲存多媒體的普及應用，以MPEG-4技術為中心的多媒體網路技術，將會是明日之星。

《表一　MPEG系列的功能比較》 資料來源：EETIMES.com

MPEG-4標準一路走來，各種未來應用也一一浮現，綜觀MPEG-4技術的卓越性，頗有在多媒體通訊與儲存方面的產品應用，準備一統江湖的味道，尤其是Video部分。其應用可以分為下面幾大類：

頻寬對稱式多媒體通訊

如視訊電話/會議，尤其結合3G Mobile Network的多媒體通訊，將是改變人類未來生活的應用。它使用了MPEG-4高壓縮率、可變resolution、適應性位元率及容錯性編碼技術的特點，在3G這種error prone的環境上實現視訊通訊，達到人類渴望已久的視訊電話/會議，也為3G的服務供應商尋求加值的服務。

用於輔助通訊的多媒體訊息傳遞

如多媒體訊息簡訊（Multimedia Messaging Service；MMS），此種應用是從E-Mail及二代行動通訊的SMS（Short Messaging Service）演進而來，將會是第一個MPEG-4相關的大量且商業化的應用。

頻寬非對稱式多媒體傳輸與娛樂

如遠端監控、遠距教學或隨選多媒體（Multimedia On Demand；MOD）。對日益普及的寬頻網路，提供多元化的服務。除了應用細微式可調適性編碼技術，以設計對付Internet變動頻寬的環境，也利用物件型態編碼及合成影像的壓縮，將高階互動功能與特殊效果加進此類服務中。

使用於儲存裝置

如數位相機/數位攝錄影機或其他光碟儲存設備的需求。此種應用會強調於低成本的高壓縮比與儲存和延長使用時間與降低耗電量，當然低價、小尺寸與容易整合都是要考慮的問題，所以此類應用會以硬體，甚至SoC的型態出現。

大眾廣播系統

透過現有廣播網路或網際網路的數位電視，並可有互動功能，以達到真正的T-Commerce。此種方式的應用，最典型的產品就是我們常聽到的MPEG-4 STB（Set-Top Box），利用MPEG-4的高壓縮率，以求有限廣播頻道的再擴增，同時，如同第三項的應用一般，也利用物件型態編碼及合成影像的壓縮，將高階互動功能與特殊效果加進此類服務中。而以IP（Internet Protocol）為主要執行平台的MPEG-4 system技術，更可以將所有目前的網路服務與視訊廣播服務整合在一起。

其他如互動遊戲或電影製作工業等，都是MPEG-4的主要應用範圍。

《圖七　MPEG-4的各種應用》

多媒體串流技術現況

以市場應用面來看，串流媒體（Streaming Medium）隨著積體電路及寬頻有線/無線網路技術的發展，將成為IT與多媒體產業的下一步。各種多媒體資訊傳輸的維度提高，將視訊、動畫、音效甚至3D物件引入網路世界來傳播，上網裝置也將成就於所謂的IA device，隨時隨地可連上網路獲取豐富的資訊，提供"遠距離即時互動多媒體"的功能。其產業的關聯性不僅止於多媒體資訊的傳輸，更能與以MPEG-7標準為主流的多媒體搜尋技術相結合，建立一個以網際網路為基礎的無地域性資料庫。

《圖八　串流媒體與多媒體技術的產業關聯圖》

串流媒體早是由RealNetworks從1995年先開始的，微軟及Apple都是較晚切入。三大公司（Big Three）並沒有使用一致的標準，由於微軟的進入，串流媒體的市場進入戰國時代，該公司的免費策略（encoder、stream server及SDK都是免費），的確快速佔領一片市場。至於Apple的QuickTime目前也是免費。Big Three目前的市佔率最高的仍是RealNetworks，其次是微軟，然後才是Apple。

將多媒體串流的技術應用於家用閘道器，就是家庭媒體中心概念的形成。2002年CES Show上，就有此類概念產品的展出。Moxi在Satellite Broadcasting Service Provide，EchoStar的展區，推出Moxi Home Media Center。此架構就是利用一台家用閘道器，搭配一些所謂的Light Client。家用閘道器就是一台Digital Hub[4]，類似下圖的功能。它擁有WAN 界面、Hard Disk/DVD ROM、Home Network界面、近端家電界面與多媒體解碼播放等。利用Home Network界面，可與Light Client溝通。將從WAN或是Digital Hub內部Hard Disk/DVD ROM所有的影音多媒體傳至Light Client。

《圖九　家庭媒體中心的概念架構》

《圖十　家庭裡的Digital Hub》 資料來源：IEEE Spectrum 2002/07

Home Gateway與多媒體技術整合要點

應用層的網路控制

近年來，一些國內外的學界都在研究多媒體與網路整合的問題[5]。這方面的研究稱之為Networked Multimedia，其本質在於如何讓多媒體訊息很順暢、即時的透過網路播放給使用者。新一代多媒體訊息編碼技術與標準（如MPEG-4）的使用，使得編碼過的內容更小（如MPEG-4 AVC）、更易於串流。再配合一些錯誤回復/隱藏工具的實現，會使多媒體訊息對傳輸過程的抗雜度提高。同時依賴應用層所監控到的網路流量統計，在傳送與接收者之間做出反應，利用Rate control/shaping的機制，達到不需下層網路配合（application aware QoS），就可達到某種程度的QoS功能。

《圖十一　Application Level QoS》

多媒體傳送的網路架構與管理

CDN（Content Delivery Network）、Proxy與Load Balance的技術，也是常用於處理多媒體串流的方式。利用網路建構與管理，讓多媒體資料能以最佳頻寬在網路上傳送。此種方式較適合ISP的營運模式，運用在家庭網路的環境是不需要的。

現有網路設備的穿透（Traversal）

在網際網路的佈置上，某些網路設備，如NAT或Firewall，可能會阻擋多媒體訊息的連線。在此，我們將討論多媒體訊息與NAT/Firewall這類型網路設備共存的相關技術問題。NAT近年來的普遍性，隨著寬頻路由器的普及而大增。其主要目的在於擴充可用IP Address、較有彈性設計可用IP範圍、避免全球IP Address的耗盡、隱藏自身IP Address以減少被攻擊的機會等。Firewall主要功能則在提供內部上網機器的保護與過濾封包以控管有限的網路資源。這兩種設備隨著網路的無所不在，也漸漸普及於各個網路接取點。

NAT/Firewall的原始設計理念卻會阻礙多媒體訊息連線的建立，以Video Streaming為例，其連線的順序為常見的RTSP（Real Time Streaming Protocol）（UDP or TCP），然後RTP for audio/video（UDP）。其中，RTSP的設定指令會夾帶RTP所需的port number給對方，以幫助接下來RTP連線所需，如(圖十二)所示。但經過NAT/Firewall時，若沒適當解釋設定訊息以做一些處理，或利用Proxy或VPN tunnel的方式，就無法完成串流連線。

《圖十二　Real Player建立連線的實例》

在家用閘道器的設計上，NAT與Firewall的功能是必要的。而且其成本也一直在下降中。要讓閘道器兩邊的多媒體訊息服務能順利通過NAT/Firewall有下列幾種方式：

ALG（Application Level Gateway）

此軟體元件是架設於NAT/Firewall之上，利用處理相關協定（如H.323的H.245[6]或RTSP）的內容時，與NAT/Firewall溝通，讓接下來的Audio Connection能順利通過。此法讓NAT/Firewall適時檢視Layer 4以上的封包，並做出正確的反應，可確實解決問題。但是，每個NAT/Firewall皆需實現ALG，且每一種應用皆需有特定的ALG來處理，提高NAT/Firewall的產品複雜度。

《圖十三　ALG與VPN的實現》 資料來源：Ridgeway

VPN型式

以VPN的型式，來達到穿過NAT/Firewall的目的。此法亦有佈建的趨勢。若廣義地看ISP佈建Network based VPN，提供企業不同Branch sites之間Intranet的通訊服務（Data and VoIP），企業本身不需考量NAT/Firewall issues。若從CPE based VPN的角度來看，可完全提供端對端VPN服務，如(圖十三)所示。利用VPN來穿透NAT/Firewall，但所有其他在此PC上的應用皆可使用此VPN Tunnel，若NAT/Firewall外的PC被攻擊成功，亦會影響NAT/Firewall內的安全，同時NAT/Firewall開給VPN的特定Port也需再加以保護，以免被攻擊。

Proxy based形式

另一種常見的方式就是Proxy based形式。將特殊應用（Real Player、QuickTime Player、H.323、SIP、MGCP等）相對應的Proxy置放於Firewall的DMZ，遇到相對應的應用，Proxy就會起來工作，讓資料順利通過。此種方式的缺點在於Proxy必須是應用附屬，且所有的資料流量都會到Proxy去，會形成瓶頸（bottleneck）。最近有某家廠商提出類似的概念，再結合Tunnel的架構，而有以如(圖十四)所示的解決方案。基本上，VoIP利用Ridgeway Client與Ridgeway Server建立一條Tunnel，以Pass Through NAT/Firewall。

《圖十四　特定型式的NAT/Firewall Pass Through》 資料來源：Ridgeway

以上各種方式都各有利弊，端看佈建家庭網路環境者的考量點。

結論

家庭網路的發展，實依賴寬頻網際網路的成熟，寬頻接取服務更是重要的催化劑。而其中的家用閘道器，將是全球網路設備商下一階段的目標。多媒體的應用在此是扮演何種角色？影響的因素有那些？筆者以為還要從下列諸點觀察：