家庭網路從早期以控制/保全為訴求的出發點，建立低速率的資料傳輸通道；到現在因人們習於使用寬頻網際網路資訊分享特性的習慣，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...
家庭網路從早期以控制/保全為訴求的出發點，建立低速率的資料傳輸通道；到現在因人們習於使用寬頻網際網路資訊分享特性的習慣，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。
家庭網路的定義在於連接家庭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(圖1)。
家庭網路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，而漸漸成為網路通訊、電腦資訊與數位娛樂領域的必爭之地。標榜各式各樣功能的家庭網路閘道器，也逐漸在市場上出現。但是何謂家庭網路閘道器？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。以功能面來定位家庭網路閘道器，它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(圖2)。從產品演進來看，家庭網路閘道器的由來可大致如圖3所述。
網路通訊產品方面，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介面)，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。若再考慮防火牆與VPN等Security的考量，就可稱之為家庭網路閘道器了。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，也是殊途同歸地往家庭網路閘道器的產品開發(圖4)。
數位機上盒(Set-Top Box，STB)方面，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。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 Provi-ders)，以達到互動(Inter-activity)的雙向服務。如圖5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。
在本章節探討家庭網路整合應用之前，我們看看有那些比較積極推動家庭網路的國際協會，包括有DLNA、ECHONET、CELF、OSGi、ICRS及Digital Home SIG等，如圖6所列。 目前比較吸引台灣廠商注意力的首推由HP、Intel、Microsoft、Nokia、Panasonic等共同promote的DLNA1(Digital Living Network Alliance)。在該組織去年公佈的1.0版framework中(圖7)，明白指出以IPV4為架構的通訊平台，搭配UPnP完成device/content discovery及control的功能，實現有DRM功能的多媒體(Video、Audio、Image…)傳輸。
OSGi(Open Services Gateway initiative)2這個組織，是以推動Integrated Services為目的，來實現Open Platform，如圖8的系統架構圖所示，我們可看到其著重於Middleware的統一。
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，以及視訊電話/會議等為主。在實現上所需的多媒體技術可略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。可於其上應用的Human Recognition、Interactive TV、Multi-media 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/H.264的編碼標準與Multimedia Streaming的技術。
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。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的部分目前也已完成，14496-10(又稱為H.264/AVC)不同於MPEG-4 Part-2的多目的功能，它的主要目的著重於壓縮率與高品質的同時呈現，幾個重要的Tools大大提升了編碼效果。雖然付出了processing power與complexity的代價，但隨著處理器運算速度與VLSI設計及製程技術的提升，H.264/AVC的實現機會就大多了。
目前已經引起一些重量級的廣播公司、服務供應商和消費電子公司的興趣。在日本方面，包括NHK、TBS、NTV、朝日電視台、富士電視台、東京電視台等日本六家電視廣播公司，已決定採用H.264作為行動數位電視的視訊壓縮標準，並在2006年3月前開始提供行動數位電視服務，日本可望成為行動數位電視的示範地區。DirecTV公司已初步決定，可能在下一代視訊服務中，選擇H.264編解碼方式。DVD論壇於2003年2月，已經有條件接受H.264/AVC標準為其HD-DVD系統視訊壓縮技術之一。歐洲的DVB也在制定一個廣播DVB-T電視訊號至手持裝置的DVB-H標準，H.264/AVC將會是其視訊編解碼的核心技術。韓國力推的DMB標準，亦採用H.264/AVC標準為視訊編解碼的核心技術。在3GPP方面，2003年底亦選擇H.264/AVC為下一世代的Optional Codec。眾多地區，各種應用，不約而同的選擇該技術，的確也透露出它的未來性。
我們舉個例子，H.264/AVC可運用其高複雜度與高效能的特性，提供新的應用領域與商業機會。在傳輸頻道中擬用1Mbps來傳送TV的廣播視訊品質，已經指日可待，所以在ADSL為based的娛樂廣播服務(如中華電信的MOD)，將更有競爭力。
MPEG-4/H.264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，如圖9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 Partner-ship Project)、M4IF (MPEG-4 Industry Fo-rum)、WMF(Wireless Multimedia Forum)，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。
MPEG-4/H.264標準一路走來，各種未來應用也一一浮現(圖10)，綜觀MPEG-4/H.264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，尤其是在Video的部分。其應用可以分為下面幾大類：
1. 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envi-ronment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operators尋求value added的services。
2. 用於輔助通訊的多媒體訊息傳遞，如多媒體訊息簡訊(Multimedia Messaging Ser-vice，MMS)，此種應用是從E-Mail及二代行動通訊的SMS(Short Messaging Ser-vice)演進而來，將會是第一個MPEG-4相關的大量且商業化的應用。
3. 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。
4. 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high compression rate for less memory and storage和low power consumption for exten-ding usage time，當然low cost、small area and easy to integrate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。
5. 大眾廣播系統，如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/H.264 system技術，更可以將所有目前的Internet Services與Broadcasting Services整合在一起。
其他如互動遊戲或電影製作工業等，都是MPEG-4/H.264 Target的應用。
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11)。
串流媒體最早是由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，它提供的免費策略(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。
將Multimedia Streaming的技術應用於家庭網路閘道器，就是Home Media Center概念的形成(圖12)。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庭網路閘道器，搭配一些所謂的Light Client。家庭網路閘道器就是一台Digital Hub，類似圖13的功能，它擁有WAN介面、Hard Disk/DVD ROM、Home Network介面、近端家電介面與多媒體解碼播放等。利用Home Network介面，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。
與Home Media Center相關，功能較陽春的數位家庭產品，就是所謂的DMA(Digital Media Adapter)(圖14)。利用電視機上面的DMA，消費者可把家裡其他PC所儲存的多媒體檔案，透過無線網路傳送到TV來播放，並可隨心所欲的選台及快轉等。目前國內眾多網通廠也已推出此類產品，如D-Link DSM-320、Cy-bertan MA 100/130等都是典型的DMA，國外的Linksys及Netgear也都有DMA 的solution出現。
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。我們把這方面的研究稱之為Networked Multimedia，其本質在於如何讓Multimedia很smooth、real-time的透過Network播放給使用者。新一代Multimedia coding技術與標準(如MPEG-4)的使用，使得編碼過的content更小(如MPEG-4 AVC)、更易於streaming(如MPEG-4 FGS)。再配合一些error resilience/ concealment tools的實現，會使Multimedia對傳輸過程的抗雜度提高。同時依賴Application level所Monitor到的network traffic statistics，在傳送端與接收端做出反應，利用Rate control/shaping的機制，達到不需下層網路配合(即application aware QoS)，就可達到某種程度的QoS功能(圖15)。
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。
在網際網路的佈置上，某些網路設備如NAT或防火牆，可能會阻擋Multimedia的連線。在此，我們將討論Multimedia與NAT/防火牆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Broadband Router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。防火牆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/防火牆的原始設計理念卻會阻礙Multimedia連線的建立，以Video Streaming為例，其連線順序為常見的RTSP(Real Time Stream-ing Protocol)(UDP or TCP)，然後RTP for audio/ video(UDP)。其中，RTSP的SETUP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16所示。但經過NAT/防火牆時，若沒適當解釋SETUP訊息以做一些處理，或利用Proxy或VPN tunnel的方式，就無法完成Streaming的連線。
在家庭網路閘道器的設計上，NAT與防火牆的功能是必要的。而且其成本也一直下降中。要讓閘道器兩邊的Multimedia Service能順利Pass Through NAT/防火牆有下列幾種方式：
1.ALG(Application Level Gateway)。此軟體元件是架設於NAT/防火牆之上，利用處理相關協定(如H.323的H.245或RTSP)的內容時，與NAT/防火牆溝通，讓接下來的Audio Connection能順利Pass Through。此法讓NAT/防火牆適時檢視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/防火牆皆需實現ALG，且每一種應用皆需有特定的ALG來處理，提高NAT/防火牆的產品複雜度。
2. 以VPN的型式，來達到穿過NAT/防火牆的目的。此法亦有佈建的趨勢。若廣義先來看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/防火牆 issues。若從CPE based VPN角度來看，可完全提供end to end VPN Service(圖17)。利用VPN來穿透NAT/防火牆，但所有其他在此PC上的應用皆可使用此VPN Tunnel，若NAT/防火牆外的PC被攻擊成功，亦會影響NAT/防火牆內的安全，同時NAT/防火牆開給VPN的特定Port也需再加以保護，以免被攻擊。
3. 另一種常見的方式，就是以Proxy based將特殊應用(Real Player、QuickTime Player、H.323、SIP、MGCP等)相對應的Proxy置放於防火牆的DMZ，遇到相對應的應用，Proxy就會起來工作，以達到Pass Through。此種方式的缺點在於Proxy必須是Application dependent，且所有的Traffic都會到Proxy去，會形成bottleneck。最近有某家廠商提出類似的概念，再結合Tunnel的架構，而有如圖18所示的Solution。基本上，VoIP利用Ridgeway Client與Ridgeway Server建立一條Tunnel，以Pass Through NAT/防火牆。
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。
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。而其中的家庭網路閘道器，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：
1.家庭網路的興起：先要有完善的網路建設，不論是有線或無線，才能談到上層的應用。目前家庭網路的標準與推動組織甚多，但可能以802.11為未來主流。
2.降低成本與品質提升：從Modem與NAT Router vendors，所通用的Power PC、ARM 7/9、X86到Intel Xscale系列，因為功能的提升，而使硬體需求增加，成本控制是重要的。
3.標準化與互通性：此為通訊產品不可或缺的條件，尤其多媒體產品的特殊應用與Customization，都造成產品互通與認證困難。
4.整合性產品的開發：將各種多媒體的網路溝通模式整合，以簡化使用並擴大功能。