人類正處於新技術革命的破曉之際，這是一個迄今為止數十億個完全無關的設備連接起來並能夠共用資訊的時代。當然，我們都知道這是「物聯網(IoT)」的開始，它的願景是要讓所有人的生活更舒適、更便利。然而，現在我們家裡的各種IoT裝置，似乎已經難以維持下去了。由於需要額外的硬體來支援各種不同的通訊機制，這對希望能管理並部署IoT服務的運營商與服務供應商們帶來了嚴峻的挑戰。
在本文將討論IoT對家庭閘道帶來的衝擊，以及考慮如何利用新的虛擬化方式，不僅能克服這些挑戰，而且還能讓供應鏈中所有的業者都能運用先進的閘道架構，以帶動新的商機。
ZigBee/Z-Wave/Thread/藍牙進駐 智慧家庭整合多協定挑戰大
試想一下當今典型的家用網路拓撲結構。總是會有一台家庭路由器或閘道作為網路的中心樞紐，它的主要任務是管理寬頻網路的連結。閘道還為接入Internet服務的設備創建一個或多個Wi-Fi網路。這對平板電腦、智慧電視、PC等各種家用多媒體產品已經足夠；同時，毫無疑問地，隨著新標準的推出，我們將看到家用網路平穩地朝802.11ax過渡，以實現更快的資料傳輸速度。
但是，Wi-Fi並不是唯一的一種無線電標準。對於包含感測器與控制器等不需要Wi-Fi提供的高頻寬的智慧家庭裝置來說，Wi-Fi有點太大才小用了。此外，有些產品要求的傳輸距離會比Wi-Fi透過單一存取點可覆蓋的距離還長，這時Wi-Fi又顯得並不適用。
所以，IoT和智慧家庭產品會採用ZigBee、Z-Wave、Thread和藍牙等更適合的標準，以為特定應用在功耗、頻寬以及覆蓋範圍之間取得理想的平衡。雖然有些更先進的家庭閘道現已整合了其他的無線標準，但這並不普遍。相反地，服務供應商改為提供小型的IoT集線器來提供所需的連接功能，通常除了乙太網路橋接之外，它們還多了一些功能，可用來連接到所選用的無線電技術。
這是一種簡單的解決方案，但不可避免地，會導致有多台的IoT集線器連接至現有的家庭路由器，而且通常是每一項服務就會有一台IoT集線器。這會增加家中的硬體數量，使消費者感到困惑，而且也是不環保的。更甚者，此做法還可能會由於網路重疊而造成網路連結的不穩定：畢竟，我們無法保證，兩台不同的IoT集線器不會利用相同的調頻與網路通訊協定。要解決這個問題，必須設法將額外的硬體納入現有的家庭閘道之中，但是，這樣做必定是會面臨挑戰的(圖1)。
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| 圖1 目前智慧家庭的作法：利用IoT集線器 |
增加IoT集線器來提供智慧家庭服務，一直是較受歡迎的方式，因為這些集線器可提供目標明確、且具成本效益的解決方案，並具備專用的處理資源。此外，此方式還能提供不錯的安全性，因為集線器是專為單一目的而設計的。
將IoT集線器(特別是無線電技術)整合到家庭閘道中是最直接的方法。然而，比較困難的是，這涉及了大量的軟體整合工作。多樣化的IoT生態系統，例如家庭安防、智慧照明與智慧醫療，都必須結合在閘道之中，每一種服務都要求不同的標準，而且每項服務都各自有其資源需求，甚至可能採用不同的作業系統。這還不包含，由於品質保證與測試流程所造成的更長開發時間。總之，這是一項非常複雜的任務。
但是，此作法是假設在一個單一的軟體環境中，將主要的核心閘道功能以及智慧家庭服務，包括家庭安防、智慧照明與智慧醫療解決方案全都保留在一起。它的挑戰在於，需提供一個安全的環境，讓所有的應用程式都能在其中並存，並能在家庭閘道中獨立地執行。因此，我們需要一個新的架構：一個可支援所有使用案例的高度靈活性架構，易於開發軟體、易於測試與驗證、具備可提供新服務的擴充性，並且還能提供增強的安全性。綜觀這些需求，我們需要虛擬化技術。
降低營運成本與資本支出 伺服器邁入虛擬化世界
在企業伺服器市場中，虛擬化技術已被採用多年。它的基本概念是，讓伺服器能同時執行多種軟體環境與服務，藉此來降低硬體的相關營運成本與資本支出。現已有廠商，如Imagination將此同樣的技術整合到全系列的MIPS處理器中，從入門級到高級的嵌入式系統均涵蓋在內。MIPS CPU可提供完整的硬體虛擬化技術，晶片本身就能提供所有必要的元件，以便能安全開機，並保持多個虛擬化環境。每個環境都彼此隔離，而且還能支持非常快速的環境切換(Context-switching)，所有這些特性對嵌入式環境都是至關重要的。
在虛擬化系統中，有一種在原生作業系統中執行的特別程式碼稱為Hypervisor。它是透過由硬體增強的信任根(Root-of-trust)所管理的安全開機機制來建立，以確保Hypervisor是處理器上第一個執行的可信任程式碼。
Hypervisor可管理系統，包括周邊、無線電通訊以及外部記憶體中所有處理器核心與資源的存取；它能建立虛擬機器，或稱為「容器」(Container)，並讓每個容器都執行獨立的軟體環境。利用這樣一個以MIPS架構為基礎的系統，它能在I-Class核心上最多建立31個虛擬環境，以滿足此應用需求。透過Hypervisor，多個作業系統能夠同步執行，每個都位於各自隔離的虛擬環境中；每個作業系統的運作就像是能夠直接存取底層的硬體與記憶體子系統一樣。
在家庭閘道中，此架構能讓重要的核心閘道軟體在自己的「容器」中運行。然後，系統能再針對智慧家庭服務設置額外的容器，讓每項服務都彼此隔離、安全地執行，而且每項服務都如同是在硬體上原生地運行一樣。
這意味著，不同的服務能夠依需求採用不同的作業系統。它們再也不需要採用相同的核心或驅動程式集，因此若有需要，還能執行不同版本的Linux；此外，有些服務還能採用即時操作系統(RTOS)。因此，無須改變既有的服務，新增的服務便能運行，也不需要將它們移植到共同的作業系統中(圖2)。
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| 圖2 採用虛擬化技術的智慧家庭閘道，能在相同的硬體平台上同步執行多項服務 |
在範例中，讓核心的閘道軟體安全地在自己的虛擬化環境中執行。另一個容器可同步執行並管理採用RTOS的家庭安全系統。第三個容器提供家庭控
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| 圖3 虛擬化提供具彈性與擴充性的架構。寬頻服務(A區)獨立運作於家用網路和IoT服務(B區)之外。 |
制服務，包括智慧照明與暖氣。至於閘道上的無線電資源存取(有可能是Wi-Fi、ZigBee、藍牙等)則是由Hypervisor來多路進行。這能讓服務利用單一、統一的調頻，並提升現有無線電頻譜的使用率。
此架構具彈性與可擴展性，最多能建立31個容器，並可隨著服務的增加或移除來增減。已有廠商藉此建構了一套解決方案，讓閘道的寬頻服務可獨立運作於家庭Wi-Fi和ZigBee網路之外。因此，在閘道維持運作時，任何一個容器都能進行韌體更新。新的IoT服務能被導入，而無須破壞既有已經在閘道上運行的服務。同樣地，服務更新也能依個別的容器來運行，不用重新開機整個系統，因此運營商在更新期間仍能繼續提供服務(圖3)。
工程設計/運營商好處多 虛擬化架構建立雙贏局面
朝虛擬化架構移轉不僅可為家庭閘道製造商帶來許多效益，對於期望採用新科技來創造實質營收機會的運營商來說，也是如此。
虛擬化能推動、甚至鼓勵軟體的模組化開發。這能大幅降低工程開發的成本，並最大程度地簡化品質保證與測試作業，以帶來顯著的縮短上市時間優勢。更重要的是，虛擬化還能免除把各種智慧家庭服務整合到家庭閘道中所遭遇的大量軟體整合挑戰。需要部署在IoT集線器上的軟體，現在能在閘道中自己的容器內執行，不但與系統中的其他元件安全地隔離，還能存取無線電通訊技術，就像是在專屬的硬體上執行一樣。當然，閘道器重要的核心功能還是保留在被保護的自有區域中，與所有系統中執行的軟體隔開，因此，若不幸發生駭客入侵的事件，也不會影響到其他的領域，而使閘道的運作或在上面執行的軟體遭到破壞。
從運營商的角度來看，虛擬化閘道可為IoT服務提供更寬廣的選擇。他們再也不需要提早選用特定的IoT供應商解決方案，然後再與閘道夥伴展開漫長的整合工作。相反地，他們可以在用戶終端設備(CPE)的整個使用週期中隨時選擇協力廠商的服務供應商，將這些服務選項整合到既有家庭閘道的軟體容器中，而不是購買並部署額外的IoT集線器。
這也進一步能使消費者獲益，因為消費者通常並不瞭解技術，也不喜歡有額外的設備加到路由器後面，這不但耗電，而且還需要維護。的確，閘道需要預先整合好所有常用的無線通訊網路技術，這會增加物料成本。但是，這能讓運營商有效地管理這些網路，多路作業無線電頻段，以提升頻寬使用率並提供更可靠的智慧家庭服務，這些效益很快就能使整合的成本得到回報。
總結來看，家庭閘道的虛擬化功能，不論從工程設計或商業觀點來看都是有好處的。虛擬化架構最終能實現更簡單的部署、更快的上市時間、更低的成本、並讓運營商能更廣泛地選用協力廠商服務，以實現更彈性的部署。而且，僅需要一台由運營商獨家管理的閘道，便能提升消費者的滿意度。
(本文作者為Imagination Segment市場行銷總監)