为什么说网关是部署物联网的关键?让我们一探究竟

本文作者:Sravani Bhattacharjee

在互联网刚刚兴起时,"网关"一词实质上是指能够转换协议的硬件。随着互联网的发展,路由器和交换机成为了主要的网络设备,我们几乎忘记了网关的存在,直到最近物联网( IoT)的出现。

今天,几乎所有的物联网项目都离不开网关。根据体系结构范围,有可能需要多个网关,每个网关扮演不同的角色。因此不难想象,快速扩张的物联网网关市场预计到2021年出货量将超过1.39亿台,这一数字来自ABI Research 2019年第3季度关于M2M/IoT路由器和网关的调查报告。

是什么让网关对物联网如此重要?

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物联网网关不仅仅是“网关”

简单来说,物联网网关可能只是一块硬件或软件,用于从传感器等I/O设备收集和聚合数据。然后,将数据传送到本地数据中心或云服务器。在这种简化的上下文中(例如,在MQTT中),网关充当"代理"功能。

然而,据Gartner® Inc.预计,到2020年将有200亿个物联网设备投入使用,而供应商也在大力宣传各种网关功能,到那时就会很容易混淆物联网网关的作用。为此,我们需要先来认识一下网关在物联网中的基本功能。

边缘/雾计算8V系统

物联网网关最常见的用途是作为边缘设备,少数供应商将其作为“边缘”网关进行销售。如下图所示,边缘网关可以直接连接物联网现场设备(传感器、执行器等),也可以通过可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)、工业控制系统/监控和数据采集 (ICS/SCADA)等聚合现场数据。这些网关需要支持多种I/O接口,包括有线、无线甚至是串行连接(如RS-232)。

在这种情况下,网关主要用于:

1.通过提供工业级连接,将更多的"物"连接起来
2.支持Modbus、BACnet、Zigbee、Wi-Fi、4G/5G等多种协议

“物联网体系结构的多个层级都会用到网关”
物联网体系结构的多个层级都会用到网关
(来源:Practical Industrial Internet of Things Security)

边缘网关的主要作用是在本地提供按需定制计算。发送到云的每一位数据都要花费金钱,占用带宽,并带来延迟。边缘网关不是将所有数据发送到云,而是在本机CPU或跨雾节点分配处理任务,只将有意义的数据发送到云。

边缘网关通常具备处理能力(例如,戴尔使用英特尔的双核Atom处理器)以及用于过滤、分析和安全功能的智能软件。

工业4.0与“棕地”环境

在工业企业中,传统设备是部署物联网的主要障碍。由于工业设备的使用寿命长,与其替换传统设备,不如将传统设备集成到工业物联网(IIoT)架构中。但是应该怎么做呢?

传统产品的一些常见问题是:
● 使用专有软件栈、操作系统和协议
● 缺乏定期升级软件和固件的能力
● 缺乏内在的安全性

为了便于在棕地环境中部署IoT,或者在具有传统系统的信息技术环境中引入新软件,可以采用IIoT网关,因为它可以转换专有协议、清理传入数据、向数据添加上下文,并充当“代理”以促进固件更新、数据访问和执行其他安全功能。

网段与垂直市场的互操作性

在工业站点中,不同的网段通常使用不同的专有协议。随着时间的推移,工业信息系统(即数据记录系统、资产管理器、生产实施系统等)开始使用各种IP和以太网标准。然而,这些变体只支持特定的行业垂直市场。例如,电力公司使用DNP3、DC-BUS连接协议,而楼宇自动化则依赖于MODBUS、DAC网络连接协议。

这种网络分段会影响跨垂直领域的互操作性。例如,在智能城市项目中,楼宇自动化和公用事业必须相互关联。跨不同垂直领域的连通性是网关可以填补的另一关键空白,而且网关还可以连接工业站点内的各个网络。

高级功能

在高端领域,物联网网关作为内部部署和云之间的接口,无需连接云端,即可执行以下操作:对传入数据运行复杂的分析算法和机器学习模型、实现工厂自动化、执行身份识别和验证服务和进行预测性分析等。这类网关通常会模糊网关和物联网平台之间的界限。

物联网网关深度解析

物联网网关由软件和硬件组成。软件可以在专用或虚拟化平台上运行。软件栈可执行各种功能,如协议转换、数据处理、存储、聚合和分析。

随着物联网应用的发展,物联网网关的作用也将越发的重要。设计与平台无关的网关软件是未来创新的一项基本任务。使用与平台无关的网关软件可避免供应商锁定,并能轻松添加新功能。AWS Greengrass和Microsoft® IoT Edge就是两个很好的例子。

由于网关暴露在室外条件下,因此非常有必要设计用于极端环境的网关。这就要求硬件具备防篡改功能,并支持广泛的工作温度范围。"无风扇"网关耗电量较少,适合于资源受限的设置。

结论

作为物联网体系结构的重要组成部分,物联网网关的市场正在迅速扩大。主要推动者有惠普企业、英特尔、思科、戴尔、富士通、微软、IBM、红帽、甲骨文、VMware、华为、Pivotal等企业。

随着新物联网连接技术和标准的出现,该行业完全有能力推出适合新角色的网关,也将迎来网关电子元件和软件创新与实施的伟大时刻。

要点:

1、不使用网关几乎不可能实现物联网用例。
2、快速扩张的物联网网关市场预计到2021年出货量将超过1.39亿台。
3、除了边缘聚合,网关在工业4.0棕地场景和智能城市应用中发挥着关键作用。
4、网关设计需要特别注意资源受限和极端物联网环境中操作的安全性。

本文作者:Sravani Bhattacharjee

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Sravani Bhattacharjee是一名数据通信技术专家,有着20多年的从业经历。她是《Practical Industrial IoT Security》(工业物联网安全)一书的作者,这是第一本有关工业物联网安全的出版书。Sravani曾担任Cisco的技术主管直到2014年,在此期间领导主持了多个企业云/数据中心解决方案的架构设计和安全评估工作。作为Irecamedia.com公司的负责人,她目前致力于与工业物联网创新力量合作,通过撰写各种评论和技术营销内容,来推动相关认识和商业决策的进步。Sravani拥有电子工程专业硕士学位。她是一名IEEE物联网小组成员,一位作者,还是一位演说家。

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