物联网学习(8)——物联网网关

11 物联网网关

很多时候，我们的物联网种的设备会将消息上传到云平台，我们前面将的MQTT协议就可以实现这个功能。但是也有很多情况下，物联网中的设备时无法连接到云平台的，比如最常用的传感器，可能使用的时BLE或ZigBee协议，自身连IP地址都没有，这样的设备怎样连接到云平台？

答案是可以的，只不过不是直接连接，而是间接连接。在架构设计中有句话：”没有什么架构问题是不能通过添加一个层来解决的。“ 在这个问题的解决方案中，添加的这个层就是物联网网关。

物联网网关的作用就是设备和云平台之间的桥梁。我们可以把互联网网关放在网络环境（例如WiFi，4G）比较好的环境中。其他的物联网设备则采用LoRa等通信计算连接到物联网网关上，从而间接的实现设备的联网。

11.1 网络协议转换

物联网网关是设备和云平台之间的桥梁，这种桥梁不仅仅实现物理连接的转换，同时也实现协议的转换。物联网设备和网关连接的时候，可以采用BLE，ZigBee，LoRa等协议，甚至可以采用内部的私有协议。网关通过这些协议解析出数据之后，再使用和云平台通信的协议来组织数据，上传到云平台。因此，网关需要能够支持不同的通信技术，如下图所示：

网关接口能力示意图

图中的北向接口和南向接口，是约定俗成的说法。北向接口指的是网关和云平台之间的接口（上北下南，向上传输的接口是北向），南向接口是和物联网设备之间的接口。

由于网关连接的物联网设备各种各样，使用的协议也各种各样，因此网关的协议转换通常采用插件的软件架构方式。 这样，我们可以根据接口的情况动态的配置协议转换功能，并且能够对不常用的、甚至私有的协议开发解析功能。

11.2 网关的存储能力

网关中需要存储的信息分为两部分。

1. 网关和设备的配置信息。存储这些信息是为了设备再运行过程中能够快速读取。
2. 物联网设备上传的，经了协议转换之后的通用格式的数据。这些数据是临时存储，避免网络故障等原因导致设备数据丢失。

既然涉及到数据的存储与传输，那么不得不提的就是数据安全的问题。物联网网关需要做好以下的数据安全方面的事情：

1. 完善的本地身份认证机制，防止网关设备被恶意修改配置或数据。
2. 数据的加密传输能力。
3. 支持专用传输通道，例如VPN或者运营商的专网接入。

11.3 其他的基础能力

网关还需要提供其他的配置管理的基础能力，包括但不限于设备管理、配置管理、在线升级等功能。

11.4 边缘计算

以上的这些是网关的传统功能。但是在现在这个”智能“时代，我们越来越看重设备的智能性，因此一个趋势就是越来越强调物联网网关的数据分析处理的能力。这个也就是我们经常听到的”边缘计算“。

我们知道，物联网的一大特性就是海量的接入设备。这就导致海量的数据涌入云平台。一方面这些数据会占用大量的网络带宽，另一方面对云平台的计算能力提出了很大的挑战。

另外，有一些原始数据是比较私密或敏感的，比如家庭摄像头拍摄的影像数据、工业场景中的一些数据。我们不希望这些原始数据被上传到云平台。

因此，目前的物联网中，在逐步尝试将原本在云平台上的计算任务，放到靠近数据原产地的设备上完成。这个过程称为将计算能力下沉到边缘设备，也称为边缘计算。

但是，很大物联网设备由于计算能力、能耗等的限制，是无法承担这些任务的，因此一个最轻量的解决方案就是在物联网网关中完成这些计算任务。

整个边缘计算的实现，还是基于分层的思路。在物联网网关中，完成初步的数据处理，或者需要快速响应的计算任务。云平台则负责大规模数据和复杂计算的任务，以及整体的协调控制。

11.4.1 边缘计算对网关的要求

边缘计算的能力，对网关提出了新的要求，对网关的影响注意体现在3个方面：

• 容器虚拟化的能力：让开发人员能够快速的测试应用程序，也方便进行大规模的部署，或者更新应用程序。
• 需要具备自治能力：当与云平台的通信中断时，不影响网关处理数据的计算任务。
• 能够为底层的各种硬件资源提供统一的开发框架。

加入这些能力后，网关的架构会变得如下图所示：

演进后的网关架构

11.4.2 开源框架

目前边缘计算还处于快速发展期，也有很大的开源软件来帮助我们快速实现这些功能，还有一些组织在推进边缘计算的标准化，这些组织主要有：

• Linux Foundation Edge 推广的LF Edge
• Cloud Native Computing Foundation推广的Cloud Native
• Eclipse基金会下的Eclipse IoT
• OpenStack基金会

在容器技术方面，有开源的KubeEdge项目，致力于将Kubernetes的能力扩展到边缘设备。

在开发框架中，有EdgeX Foundry项目，致力于为工业互联网提供通用的边缘技术框架。还有Home Edge，专门针对智能家居领域的边缘计算。