不止承上啟下，帶你瞭解工業物聯閘道器
摘要：本文將介紹工業領域當中固網場景下閘道器的技術細節。
本文分享自華為雲社群《一文讀懂工業物聯閘道器》，作者：Super.雯。
本文將介紹工業領域當中固網場景下閘道器的技術細節，工業領域在物聯網行業當中一直是比較重要的一個場景，因為工業與生產息息相關，並且工業又有非常多物聯網的“物”。比方說工業中的機床、機械臂等等，除此之外呢，工業當中的環境相對於其他的物聯網場景來說也是比較惡劣的，並且在工業當中使用的裝置複雜多變，所以需要適配的介面也十分多樣。那麼隨著全球工業自動化的不斷深入，在工業當中有一個滿足上述需求的工業物聯網裝置就顯得非常有必要了。
什麼是工業物聯閘道器？
物聯網在工業場景當中的應用還是非常廣泛的。在這裡需要知道的是，工業場景指的不僅僅是生產工廠的場景，其中電力、交通等等場景中的一些子場景也同樣屬於工業場景。如智慧電錶、智慧配電、智慧交通等，這些場景下同樣有工業的身影存在。
物聯網在工業領域的挑戰
物聯網在工業領域面臨的挑戰主要有以下四點：
- 工業當中的環境是非常惡劣的，因為工業裡可能會有高溫或者低溫的場景，所以這就要求物聯網裝置能夠耐高溫或者低溫，比如在工業上的要求是零下40度到70度。
- 裝置還要能夠防塵防水，抵抗電磁干擾，像電廠這種強電的環境下，電磁干擾是非常嚴重的，特別強的電磁干擾會影響裝置之間的正常通訊，但是這些需求是企業級路由器完全沒有辦法達到的。
- 工業上裝置眾多，不同的裝置又有不同的介面和協議，所以就要有一款裝置可以適配工業上所有的這些協議和介面。還有就是網路安全的問題，作為一個企業，肯定是有商業機密需要去保密不讓企業外的人知道的。雖然大多數的企業用的都是私網，但是在私網中也會存在企業內部員工的惡意攻擊的風險。所以網路資訊保安也是在工業領域要重視的問題。
- 最後還有運維的問題，由於底下的這些終端裝置非常多，同時終端裝置越多，運維複雜度就會越高。但是出了問題肯定不能每次都找外面專業的維修人員來維修，因為那樣子的話成本就太高了，所以肯定就要有一套簡單的系統，對於運維人員來講簡單易上手的一套系統來減少他們工作的複雜度以及降低公司運維的成本。那麼以上就是物聯網在工業領域遇到的一些問題。
工業物聯閘道器簡介
基於上述的這些問題，設計一個好用的物聯閘道器就很有必要了。那麼工業物聯閘道器主要是起到了一個什麼作用呢？在圖中可以看到，物聯閘道器位於終端層和網路層的中間，起到了承上啟下的作用。在左邊它和底下的這些終端裝置進行連線，在右邊和網路進行連線。相當於是為下面的這些終端裝置提供了向上傳輸的通道，除此之外，閘道器還具有邊緣計算的能力，這一點會在下文中詳細講解。
除此之外，工業物聯閘道器還有協議轉換的功能，因為在工業領域有非常多的協議，這些協議主要是來自於各個行業的歷史積累，所以就需要把這些協議在閘道器上做統一的轉換，然後再將資料向外傳輸出去。
邊緣計算
邊緣計算是什麼呢？簡單點講，就是把本來屬於中心節點做的計算下放到邊緣節點來做。那麼在本來，對於資料進行處理、計算，這都是平臺層所做的事情，但是現在，閘道器可以進行一部分不是特別重要的資料的計算，並且將這些計算過的資料及時地反饋給終端裝置來達到低時延的效果。這麼做，一定程度上有效地保護了使用者的邊緣隱私，也達到了降低成本的目的。因為對於中心節點來講，並不是所有收集到的資料都是有用的，有些沒有必要的資料就可以交給邊緣節點來處理，相當於邊緣節點給中心節點分擔了一部分壓力，這樣做可以達到降低成本的效果。
過去資料處理的方式與上圖相同，資料從裝置產生，並且上傳到閘道器，但是閘道器沒有計算能力，就只能充當一個傳輸的作用，之後再把資料上傳到雲端來進行處理。但是現在不一樣了，當閘道器具備了計算能力之後，它可以先把要求低的一些資料先幫遠端處理了，但是要注意的是處理完了之後還是要向中心節點反饋“資料已經處理過了”的一個資訊。
邊緣計算就是一個結合了網路、計算、儲存、應用的開放平臺。同時它的架構分層可以和物聯網的架構分層來做一個類比，它被分為了裝置域、網路域、資料域和應用域。雖然說邊緣計算的位置是位於感知層和網路層之間的，但是邊緣層所具備的能力可以使他分成這樣四層的架構提供和物聯網四層架構模型相同的能力。
邊緣計算的架構分層其實就是將裝置和閘道器中間的這一段內容進行了分層，將原來屬於物聯網架構中兩層的架構進行了細分，分成了四層。在邊緣計算架構中，裝置域與感知層相同，上面的網路域所指代的是底下的裝置到閘道器之間的這一段網路。同時在往上的資料域指代的就是閘道器可以像物聯網平臺一樣處理資料，以及向上的應用域指代的就是邊緣計算當中的各種應用。
網路拓撲結構
網路拓撲(NetworkTopology)結構是指利用傳輸介質互連各種裝置的物理佈局。指構成網路成員間特定的物理的（即真實的）、或者邏輯的（即虛擬的）排列方式。如果兩個網路的連線結構相同即它們的網路拓撲相同，儘管它們各自內部的物理接線、節點間距離可能會有不同。本小節將介紹常見的網路拓撲結構以及在物聯網領域當中廣泛使用的Mesh組網技術。
星型拓撲結構
星型拓撲(StarTopology)是指網路中的各節點裝置通過一個網路集中裝置（如集線器HUB或者交換機Switch）連線在一起，各節點呈星狀分佈的網路連線方式。
基本特點：
- 容易實現，但安裝及維護工作量、成本較大：它所採用的傳輸介質一般都是採用通用的雙絞線或同軸電纜。但是每個站點都要和中央網路集中裝置直接連線，需要耗費大量的線纜，並且安裝，維護的工作量也劇增。
- 節點擴充套件、移動方便：節點擴充套件時只需要從集線器或交換機等集中裝置中拉一條電纜即可，而要移動一個節點只需要把相應節點裝置移到新節點即可。
- 故障診斷和隔離容易：一個節點出現故障不會影響其它節點的連線，可任意拆走故障節點；
- 中央節點的負擔較重，易形成瓶頸；各站點的分佈處理能力較低：中央節點一旦發生故障，則整個網路都受到影響。
星型結構的優點：
- 網路結構簡單，便於管理、維護和除錯。
- 控制簡單，新增或刪除某個站點非常容易。
- 集中管理，可方便地提供服務和網路重新配置。
- 每個站點直接連到中央節點，容易檢測和隔離故障。
星型結構的缺點：
- 線路利用率不高，一條線路只被該線路上的中央節點和一個節點使用。
- 中央節點負荷太重，而且當中央節點產生故障時，全網將不能工作，對中央節點的可靠性和冗餘度要求太高
- 安裝和維護費用高，需要大量電纜。
環型拓撲結構
環形網路拓撲(英文：RingTopology)環型結構在LAN中使用較多。這種結構中的傳輸媒體從一個端使用者到另一個端使用者，直到將所有的端使用者連成環型。資料在環路中沿著一個方向在各個節點間傳輸，資訊從一個節點傳到另一個節點。這種結構顯而易見消除了端使用者通訊時對中心繫統的依賴性。
環型結構具有如下特點：
- 資訊流在網中是沿著固定方向流動的，兩個節點僅有一條道路，故簡化了路徑選擇的控制；
- 環路上各節點都是自舉控制，故控制軟體簡單；
- 由於資訊源在環路中是序列地穿過各個節點，當環中節點過多時，勢必影響資訊傳輸速率，使網路的響應時間延長；
- 環路是封閉的，不便於擴充；
- 可靠性低，一個節點故障，將會造成全網癱瘓；維護難，對分支節點故障定位較難。
匯流排型拓撲結構
匯流排拓撲(英文：BusTopology)，又稱匯流排網路(BusNetwork)；在該節點連線以DaisyChain由直線之匯流排序列。由於該拓撲是由一條主纜線串接所有的電腦或其他網路裝置，因此也稱為線性匯流排(LinearBus)。
匯流排型結構的網路特點如下：結構簡單，可擴充性好。當需要增加節點時，只需要在總線上增加一個分支介面便可與分支節點相連，當匯流排負載不允許時還可以擴充匯流排；使用的電纜少，且安裝容易；使用的裝置相對簡單，可靠性高；維護難，分支節點故障查詢難。
優點:
- 方便連線於電腦或外設線性匯流排。
- 比星狀拓撲較少的電纜長度。
- 非常適合用於小型網路。
缺點:
- 如果有一在主纜上中斷時，整個網路也將跟著中斷。
- 終端機必須於主幹電纜的兩端。
- 如果整個網路發生中斷時，將會很難找出問題。
- 當更多的裝置被新增到網路時，傳輸速度會變得更緩慢。
Mesh網路拓撲結構
無線Mesh網路也稱為“多跳”網路，它是一種與傳統無線網路完全不同的新型無線網路技術。它不依賴於預設的基礎設施，具有可臨時組網、快速展開、無控制中心、抗毀性強等特點。
在無線Mesh網路中，採用網狀Mesh拓撲結構，是一種多點到多點網路拓撲結構。在這種Mesh網路結構中，各網路節點通過相鄰其他網路節點，以無線多跳方式相連。
Mesh（網狀網）技術不僅能中繼訊號，擴充套件無線覆蓋範圍，而且支援網路自組織、自修復，以及流量自平衡，因此首選採用Mesh技術作為RF網路的組網技術。
此外，Mesh技術還可顯著增加網路頻寬，原因為：
無線通訊的物理特性決定了射頻訊號傳輸的距離越短就越容易獲得高頻寬，因為隨著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其他導致資料丟失的因素隨之增加，因此通過多個短跳來傳輸資料可使每一跳的頻寬增加，從而提高總體頻寬。
在Mesh網路中，一個節點不僅能傳送和接收資訊，還能充當路由器對其附近節點轉發資訊，隨著更多節點的相互連線和可能的路徑數量的增加，總的頻寬也大大增加。