使用最佳架构盘活物联网系统

由于物联网技术多样性和集成复杂性，最佳物联网架构一直是设计中的难点。本文尝试给出物联网架构的基本分类并进行分析，以便物联网从业者克服这些难点。

有三种基本设计模式：以边缘为中心、以平台为中心和混合边缘平台；有两种常见的复合设计模式：多系统和多平台。下面我们会详细分析。

首先，普及一下物联网系统中边缘层和平台层的概念。

边缘层是通过检测的“事物”或设备从环境中采样和收集数据的地方。这些“事物”可以包括消费类设备（例如恒温器）、电器或工业系统（例如机械臂），它们包含用于收集数据的传感器或可配置部件以改变设备的操作。边缘层还可能包含可选的物联网网关，可以提供流处理，数据转换和本地存储，以及将其他系统集成到物联网平台（例如数据历史记录）。

平台层是物联网解决方案与边缘层协作执行系统范围操作的位置。该平台可以执行设备管理、流处理、高级分析和工作负载编排。它还可以调用企业应用程序。平台层通常在一个或多个商业提供商（例如Microsoft Azure IoT，PTC ThingWorx，Hitachi Lumada，Amazon Web Services [AWS] IoT）开发的一组可组合的物联网服务之上实现。边缘层和平台层一起，构成了一个分布式系统。

接下来，我们分析三种基本设计模式：以边缘为中心、以平台为中心和混合边缘平台。
以边缘为中心的模式是指平台层与边缘层共同驻留的模式，使 IoT 系统能够在与网络或云断开连接的情况下长时间运行。此模式常见于：制造（例如生产线控制）发电（例如核电站控制）工业控制（例如深水钻井）场景。

以边缘为中心的模式适合如下要求：1、自主操作。 边缘设计必须从任何集中式系统或外部连接（例如WAN）自主运行。所有处理都必须在边缘进行。2、严格的性能要求。 该设计具有特定于边缘的性能要求。例如，将平台层放置在边缘可以通过提高边缘计算可伸缩性来提高性能，还可以减少边缘到平台的延迟。3、数据驻留。 设计必须支持限制数据物理位置（国家/地区等）的法律。或者，安全约束可能要求所有数据处理、存储和分析都保留在边缘。

以平台为中心的模式是指平台层提供大部分 IoT 处理、分析和工作负荷的模式。端点包含最少的一组处理、分析、存储和通信。此模式常见于：无人机服务（例如包裹递送、目视检查）农业传感器（例如风速、空气温度、湿度）智能城市传感器（例如空气质量监测仪、智能垃圾压实机）场景。

以平台为中心的模式适合如下要求：1、移动端点。 设计必须支持移动终结点。在这种情况下，端点必须包含满足操作要求所需的所有传感器、处理、存储、通信和电源功能。2、即插即用端点部署。 设计必须支持终结点部署，而这需要很少的技术技能。在此模式中安装端点通常只需要电源、安装和网络配置。3、受约束的终结点。 当终结点提供有限的 IoT 功能时，设计人员使用此模式。通常，不存在边缘平台延迟问题，数据量低或中等，计算集中（例如智能玩具，空调等）。

混合边缘平台模式是指一些工作负荷和处理在边缘层运行，而一些工作负荷和处理在平台层上运行。此模式通过提供边缘计算（例如流处理、边缘工作负载、数据分析）和边缘数据管理（例如转换和存储）来实现高度分布式和可扩展的物联网系统。此模式常见于：工业控制（例如网关连接到数据历史库）医疗应用（例如网关连接到心脏监护仪）安全应用（例如网关连接到安全摄像头）场景。

混合边缘平台模式适合如下要求：1、设计灵活性。 设计必须支持在边缘层和平台层部署处理的能力。此模式提供了三种基本设计模式的最大设计灵活性。2、自主操作。 该设计必须支持自治边缘操作，而无需使用任何集中式计算或 WAN 连接。在这种情况下，网关可以管理边缘工作负载，这些工作负载可以长时间独立于平台保持系统运行。3、严格的延迟要求。 该设计具有特定于边缘的延迟约束。网关可以运行容器化工作负载（例如机器学习），可以满足严格的延迟要求。4、数据驻留。 设计必须支持限制数据物理位置的法律。此外，安全约束可能要求所有数据处理、存储和分析都保留在边缘。

接下来，我们分析两种常见的复合设计模式：多系统模式和多平台模式。

多系统模式是指多个物联网系统彼此独立运行的模式。每个系统都有唯一的端点、网关和平台。通常，不同的物联网系统彼此独立地发展一段时间后，想要合并为一个组织时，会选择这种模式。但也有一开始就选择这种架构的场景，包括：独立应用（例如安全摄像系统与工业控制系统）独立业务部门 独立地区（例如EMEA 地区使用欧洲居民系统，而北美地区使用美国居民系统）

多系统模式适合如下要求：1、独立运营。 设计必须支持两个或多个组织独立运行自己的系统的能力。在这种情况下，中央IT部门应该定义一组标准，以减少跨系统的重复工作。例如，在单个商业物联网平台供应商上进行标准化，设计标准数据模型，创建物联网端点的首选列表，并建立通用的物联网治理策略。2、外包运营。 组织可以选择将操作外包给多个服务提供商（例如安全供应商和HVAC供应商）。在这种情况下，来自两个系统的物联网端点可以共享相同的组织设施（例如电源，无线LAN），但物联网系统是独立运行的。3、部门数据隔离。 设计必须支持隔离部门之间信息交换的限制，包括数据传输、转换、存储、分析和访问。

多平台模式是指物联网平台与多个独立的物联网系统集成。通常，多平台模式是由多系统模式拓展而来的，因为它为设计人员提供了集成来自多个孤立的物联网系统的数据和分析的能力，便于扩展。此模式常见于：集成组织拥有和运营的多个物联网系统。集成服务提供商拥有和运营的多个物联网系统（例如，把视频监控的数据与建筑供暖制冷系统的数据集成）。将自身物联网与服务商的物联网集成（例如，企业的无人机监控系统和政府的天气监控系统）。

多平台模式适合如下要求：1、跨业务部门整合。 该设计支持集成来自两个或多个物联网系统的数据的能力，这些系统由不同的业务部门部署和运营。例如，比较两个制造工厂的运营特征，其中每个工厂都由不同业务部门拥有和运营的物联网系统控制。2、跨供应商集成。 该设计支持集成来自不同供应商部署和运营的两个或多个物联网系统的数据的能力。例如，设计人员可能需要创建一个PP，将供应链物联网系统中的数据与制造生产物联网系统集成在一起。3、互补系统集成。 设计支持监控多个相互补充的独立物联网系统的能力。例如，设计人员可能需要创建一个PP来监控两个智能城市物联网系统的运行状态（例如，空气质量和交通路况）。

我们来做一个总结。如果从0开始设计新的物联网系统，则需要考虑三种基本设计模式：以边缘为中心、以平台为中心和混合边缘平台。当系统需要自主边缘操作、必须满足严格的边缘性能要求，或存在数据驻留法律时，请选择以边缘为中心的模式。当系统需要端点移动性、必须提供即插即用端点部署，或必须支持受约束的端点时，请选择以平台为中心的模式。当系统必须支持最大的设计灵活性、自主边缘操作、严格的边缘性能要求，或存在数据驻留法律时，请选择混合边缘平台模式。如果整合多个现有 IoT 系统的体系结构，则需要考虑两种复合设计模式：多系统和多平台。当系统需要独立的系统操作、外包操作或部门数据隔离时，请选择多系统模式。当系统需要跨业务集成、跨供应商集成或互补系统集成时，请选择多平台模式。

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