基于可编程网关的物联网应用快速构建系统架构设计与实现

发布时间：2020-08-02 15:38

【摘要】：随着物联网技术的普及和嵌入式设备的大量研发部署,在即将到来的5G时代,海量的物联网设备能够通过5G网络进行通信和信息交换,这些不断数字化和网络化的智能设备正在被广泛的应用于智能家居、智能物流、智能交通和智能农业等领域,具有巨大的商业价值。但是,在传统的物联网应用架构中,基于存储和处理的目的,所有的原始数据是聚合的、流向云端的,形成一个以云为中心的架构模型。在这种单一的云计算中心式架构中,传统网关作为数据链路中的转发层,功能薄弱,技术封闭,兼容性较差,难以适应5G时代大规模物联网在垂直细化领域的应用和发展。因此,为了解决单一云计算架构在支撑大规模物联网应用时存在的不足,进一步提高物联网网关的功能性和利用率,本文引入了可以有效解决该问题的雾计算技术,重点分析了云雾结合体系的网络架构在物联网应用构建中的优势,系统研究了云雾结合体系下可编程网关技术的特点及其应用,构建了一种基于可编程网关虚拟化技术和软件定义网络(Software Defined Network,SDN)技术的模块化物联网应用快速构建平台,详细阐述了该系统架构中各个功能模块的实现原理和工作流程,最后通过实例测试对比来验证该系统针对不同应用场景所开发的物联网应用的可靠性和便捷性。本文的具体研究内容和贡献如下:(1)针对传统物联网应用开发中云计算中心架构中业务响应过程存在的高时延和低可靠性问题,本文提出了一种"云计算-雾处理-终端硬件"由上及下的三层物联网应用开发架构,在该架构中,雾处理层主要利用雾计算技术来处理时延敏感型业务,接收并反馈来自终端硬件层的数据,同时主动将数据上传至云计算层进行存储和分析,由云计算层设来处理计算需求量较大,非实时的或弱实时的业务,进一步降低响应时延。(2)针对传统物联网应用开发中网关功能薄弱和底层终端硬件不兼容等问题,本文采用Docker容器虚拟化技术,利用树莓派3代作为中继网关进行开发,将硬件实体的功能虚拟化,在网关内形成一一对应的硬件功能虚拟化模块(Hardware Function Virtualization,HFV),并部署SDN虚拟交换机,同时向上提供物联网硬件设备虚拟化模块API接口到云计算层,使得用户可以调用API接口池进行本地开发,提高该系统的兼容性。(3)针对可编程网关在不同使用场景下的网络带宽资源合理化最优分配的问题,本文将SDN,雾计算,虚拟化等技术结合,SDN将控制面和数据转发面分离,实现有线和无线的统一网络管理,利用SDN控制器对分配给各个虚拟交换机的网络带宽资源进行灵活的集中控制和管理,根据具体场景动态控制网络流量,使得整个系统的可拓展性和灵活性大大增加。(4)针对现行物联网通信协议繁多,标准不统一所造成的物联网应用开发兼容性差的问题,本文采用外置通信模块的方式,将可编程网关改造成多模网关,采用以太网TCP协议实现有线通信,采用Wi-Fi协议实现无线近程通信,采用LoRa协议实现无线远程通信。根据实际应用场景采用最优的通信模式,从而达到优化系统兼容性的目的。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5;TP391.44
【图文】：

API 和数据，实现物联网技术与不同行业之间的信息协同和共享，随着物联网技术与更多行业的不断融合，物联网应用将更加多样化和智能化。图2.1 物联网网络整体架构图2.2.2 云雾结合物联网架构在传统的物联网应用构建系统中，所有的原始数据都基于存储和处理的目的进行聚合的并流向云端，形成一个以云为中心的架构模型[41]。在这种单一的云计算中央架构中，云端和设备端之间会存在难以预测的响应时间和不可靠的云连接，会严重降低业务的服务质量。随着 5G 时代的到来，物联网将成为人类日常生活中重要活动的基础设施支柱，物联网业务的可靠性和实时响应将会至关重要，而物联网现状是远远不能满足需求[42]。因此，有必要在传统云计算核心的中心式架构中引入雾计算，在原有架构中的网络边缘位置部署雾计算节点，在设备端和云数据中心之间收集、存储和处理数据。在物联网架构中

[45]。典型的云雾结合框架如图 2.2 所示：图2.2 典型的云雾结合框架图整个框架由上及下可以分为三层：云中心层、雾节点层以及终端设备层，雾计算节点位于云计算中心和终端硬件设备之间，由具备一定计算、存储和资源管理的物联网网关组成，雾计算节点的主要功能是接收来自底层终端硬件设备所上传的数据和信息，对数据进行预处理，将处理后的数据和数据分析结果通过核心网络上传至云计算中心，同时向下层的终端硬件设备提供接入网络，任务决策等服务，并执行来自云计算中心的控制命令。尤其是在物联网领域中，云雾结合的物联网框架可以支撑海量更为丰富的应用，其中比较典型的应用场景有增强现实应用（Augmented Reality

不需要依赖运行环境，开发人员通过镜像构建好一套开发容器后，运维和测试人员可以直接利用这个容器来部署代码，真正实现“一次构建，多次交付”。图2.3 虚拟机和 Docker 容器实现技术框架对比图如图 2.3 所示，通过虚拟机和 Docker 容器实现技术框架对比可得，与虚拟机相比，Docker 不需要依赖操作系统（Operating System，OS）才能执行应用程序，而是通过在宿主机的核心系统层来打造虚拟执行环境，使用 Docker Engine 进行调度和隔离，多个容器共享宿主机 OS

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