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实现客制化的智能物联网网关

上网日期: 2016年06月15日 ?? 作者: Warren Kurisu ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:客制化网关? 物联网网关? 智能网关?

随着各公司不断改进其物联网(IoT)策略,一个需把握的明确趋势是对于客制化解决方案的需求,其中包括IoT网关组件。我曾经将此趋势描述为业界正从简单建置网关作为数据聚合器(包括基于云端的储存与处理)转向将智能从云端推向‘IoT 2.0’领域(网关和边缘设备)的迹象。此外,在此IoT 2.0领域内,可以更加全面地处理安全性,而联机能力也拓展至包含整个企业网络的更多设备。

从 IoT网关的角度来看,IoT 2.0意味着云端策略的网关组件需要全面的连接性、安全和处理能力。从本质上来看,IoT网关必须成为能操作和处理多种功能的智能设备。根据VDC最 近的《全球IoT和智能网关市场(The Global Market for IoT & Intelligent Gateways)报告,智能网关领域是IoT网关市场上规模最大、发展最快的领域(图1)。本文将重点探讨智能IoT网关。

图1:智能网关在IoT领域取得重大进展《电子工程专辑》
图1:智能网关在IoT领域取得重大进展
Source:VDC,2015年

迈向客制化的发展趋势

促使公司采用客制化网关解决方案的因素有哪些?

其中一个重要因素就是连接性。如需在网络内扩展IoT的范围,不论是工厂、医院或家中的白色家电,都需要将现有的传统或“棕色地带”(brownfield)设备与新设备并排连接,而这通常都需要客制化接口。

安全是另一个重要因素。随着企业的联机能力扩展,可能会产生更多的攻击点。当将智能处理从云端推向网关和边缘设备后,公司会越来越关注网络攻击的风险。这 些实实在在的问题可能中断营运、导致信息失窃,或者更糟糕的是造成人身伤害。客制化网关解决方案有助于解决对于一家公司IoT策略和实施的威胁情况。

最后,特定的处理要求可推动智能网关的客制化。这些要求可能包括网络吞吐量、开放源码和专有的IP、软实时与硬实时性能、电源管理、绘图与其他因素。这些因素还会对处理器的选择产生重大影响。

毫无疑问地,企业会持续不断地面临各种压力。如此一来,对于网关的要求也就越来越复杂,而企业在寻找满足其特定技术需求与企业目标的网关解决方案时,也将面临重大挑战。这将推动对于IoT网关客制化的需求。

客制化联机能力

大 多数情况下,扩展范围意味着整合新的IoT基础设施,同时考虑现有的设备和基础设施,也称作“棕色地带”部署。例如,在工厂中,有控制器、传感器和致动器 等多种类型的设备,其中包含许多不同类型的实体连接选项,包括序列总线、工业以太网络、无线、专有以及许多其他选项。

在IoT 2.0以前,建立此类拓扑结构的最普遍方式是整合一系列现成的路由器、网桥和网关,透过网络将这一切连接在一起。遗憾的是,这一做法需要增加设备,更别说需要更多的基础设施、各种类型的备料以及额外故障点。显然地,使用最少的组件数实施IoT网络拓扑,如今看来已更为可行。建立客制化网关就是实现如 图2所示目标的一种方法。

图2:利用客制化智能网关的工业IoT环境能够简化网络拓扑结构、降低成本并提高营运的可靠性《电子工程专辑》
图2:利用客制化智能网关的工业IoT环境能够简化网络拓扑结构、降低成本并提高营运的可靠性
Source:Mentor Graphics

客制化联机能力通常必须使用硬件和软件。例如,如果工业自动化企业需要在边缘网络整合连接EtherCAT的新设备,企业则可受益于网关中整合的EtherCAT硬件以及随附的软件协议堆栈以及与传统接口的整合。

满足安全性

IoT 网络中融入多少安全性取决于多个因素,但这一切永远始于以下基本问题:“我要保护什么以及它是否值得?”正如所预期的,答案可能是微乎其微,也可能极其重要。在某些情况下,标准的网络安全(SSL和HTTPS)、防 火墙、加密的数据库以及校验和安全可能就足够了。而在其他情况下,企业可能需要硬件强制的安 全分区(如ARM TrustZone环境)、启用认证的身份验证,或者来自像Icon Labs等供货商提供检测边缘网络安全事件并向企业报告的安全解决方案。安全客制化需要全面分析和研讨,以便于从系统角度定义安全攻击层面,然后在硬件和 软件中客制化一款解决方案,以充份解决安全风险。

网关处理要求

正如VDC所说的,智能网关基本上是一种功能强大的应用平台。

而 使用先进的多核SoC就是其中一个重要的嵌入式趋势。例如,Mentor Graphics智能网关系统设计套件(SysDK)的基础就是NXP i.MX6(基于ARM Cortex A9)四核心处理器。该处理器已经为绘图性能实现优化,支持高性能显示器、数字电子广告牌以及相关的绘图应用。有些客户可能需要以NXP LS1021A(基于ARM Cortex A7)为基础的网关,因为该网关已针对网络吞吐量进行优化。在其他情况下,根据不同的要求,客户可能希望使用更复杂的异质SoC,例如TI Sitara AM572X,包括2× Cortex A15 + 2× Cortex M4 + DSP。

因此,当我们谈到智能IoT网关时,应同时客制化硬件和软件。如果客户需要强大处理能力进行智能处理,包含SMP模式下执行多个操作系统(OS)或一个OS的四核心处理器可能是不错的选择。或者,如果是为了更基本的处理,一个OS和单核心处理器可能就足够了。

由于SoC日益复杂,“安全聚合的网关”(secure converged gateway)概念已成为讨论主题。何谓安全聚合的网关?关于安全,它是指随着智能从云端推向边缘网络,以及更多私人设备和可能公开的设备连接到网关,将会不断出现安全问题。聚合的概念是指在许多产业中,功能的聚合是减少空间、重量、功耗和成本(通常指SWaP-C)的一种方式。

客户目前都在探讨将安全、专有能力以及开放源码环境聚合至更强大的智能网关(以日益复杂的SoC为基础)。这不再仅限于讨论现成可用的网关,而是针对客制化以及建立充分利用基础硬件并满足企业不同需求的网关。

为了性能和IP保护,的确需要聚合基于Linux的开源应用与专有应用。在某些情况下,公司会利用异质核心来进行电源管理,例如TI AM572x,其中,高耗电的Cortex A15核心在不需要时会进入休眠模式,同时M4核心负责执行所有的必要功能。

这一类复杂的设计还需要使用一个工具解决方案,让开发人员可以从整个系统的角度设计、开发和除错异质架构。例如,Mentor Graphics多核心架构和异质解决方案就是专为解决这些系统设计复杂度而设的,如图3所示。

图3:异质SoC和异质OS解决方案可实现强大且客制化的“安全聚合”网关解决方案《电子工程专辑》
图3:异质SoC和异质OS解决方案可实现强大且客制化的“安全聚合”网关解决方案
Source:Mentor Graphics

推动对网关客制化需求的最后一项因素

除 了上述提到的因素外,最后一个至关重要的因素是成本的削减。当客户购买现成网关时,可能招致一些额外的成本。首先,网关中很大一部份的硬件很可能无法 有效加以利用。因此,客户将支付不必要的硬件费用,如果数量较大时,所花费的成本也不容小觑。此外,如果没有所需要的功能,将必须购买更多的硬件,然后进 行整合(例如,实现802.15.4网格连接能力的配接器),这也会增加成本并使系统新增分层。

如 今,企业可以自行设计和建立网关,或者求助于合约制造商。定义要求、审查设计、获得初始样本、测试和验证功能以及经过重新设计-测试-验证周期进行多次 迭代的时间和成本可能耗费好几季,甚至长达几年的时间。当然,还要考虑到另一个因素,即与OS工具、安全性、联机能力、电源管理、绘图、引导机制、处 理器间通讯(IPC)等相关的成本和复杂性。

总结

随着企业开始其 IoT 2.0 之旅,他们必须考虑越来越复杂的要求,同时也需要更多的折衷方案。企业发展其IoT网关策略的通用路径有三:

● 继续整合和利用现成硬件/软件解决方案

● 利用现成可用的硬件,同时投资客制化网关软件

● 客制化硬件和软件

在各种情况下,企业必须考虑以下问题:

● 硬件的成本如何?我是否支付了不必要的硬件费用?

● 如果需要客制化硬件支持时,有哪些选择?

● 我是否有能力客制化软件,使得硬件无论是从短期或长期来看,都能实现最佳利用率。

我 们正进入客制化智能IoT网关的时代。当企业力争改善其业绩并在竞争中脱颖而出,显然需要客制化解决方案。这些解决方案必须考虑“棕色地带”安装、全面 的联机能力、端对端安全以及特定的要求,例如将智能与处理从云端推向边缘。显然地,IoT 供应链正朝着这个方面发展。诸如Mentor Graphics的智能IoT网关SysDK可望成为满足客制化需求的理想选择。

编译:Susan Hong

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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