工业物联网关面对的挑战有（工业物联网关的设计和开发）

本文将介绍工业领域当中固网场景下网关的技术细节，工业领域在物联网行业当中一直是比较重要的一个场景，因为工业与生产息息相关，并且工业又有非常多物联网的“物”。比方说工业中的机床、机械臂等等，除此之外呢，工业当中的环境相对于其他的物联网场景来说也是比较恶劣的，并且在工业当中使用的设备复杂多变，所以需要适配的接口也十分多样。那么随着全球工业自动化的不断深入，在工业当中有一个满足上述需求的工业物联网设备就显得非常有必要了。

1、什么是工业物联网关？

物联网在工业场景当中的应用还是非常广泛的。在这里需要知道的是，工业场景指的不仅仅是生产工厂的场景，其中电力、交通等等场景中的一些子场景也同样属于工业场景。如智能电表、智能配电、智慧交通等，这些场景下同样有工业的身影存在。

1.1 物联网在工业领域的挑战

物联网在工业领域面临的挑战主要有以下四点：

• 工业当中的环境是非常恶劣的，因为工业里可能会有高温或者低温的场景，所以这就要求物联网设备能够耐高温或者低温，比如在工业上的要求是零下40度到70度。

• 设备还要能够防尘防水，抵抗电磁干扰，像电厂这种强电的环境下，电磁干扰是非常严重的，特别强的电磁干扰会影响设备之间的正常通信，但是这些需求是企业级路由器完全没有办法达到的。

• 工业上设备众多，不同的设备又有不同的接口和协议，所以就要有一款设备可以适配工业上所有的这些协议和接口。还有就是网络安全的问题，作为一个企业，肯定是有商业机密需要去保密不让企业外的人知道的。虽然大多数的企业用的都是私网，但是在私网中也会存在企业内部员工的恶意攻击的风险。所以网络信息安全也是在工业领域要重视的问题。

• 最后还有运维的问题，由于底下的这些终端设备非常多，同时终端设备越多，运维复杂度就会越高。但是出了问题肯定不能每次都找外面专业的维修人员来维修，因为那样子的话成本就太高了，所以肯定就要有一套简单的系统，对于运维人员来讲简单易上手的一套系统来减少他们工作的复杂度以及降低公司运维的成本。那么以上就是物联网在工业领域遇到的一些问题。

1.2 工业物联网关简介

基于上述的这些问题，设计一个好用的物联网关就很有必要了。那么工业物联网关主要是起到了一个什么作用呢？在图中可以看到，物联网关位于终端层和网络层的中间，起到了承上启下的作用。在左边它和底下的这些终端设备进行连接，在右边和网络进行连接。相当于是为下面的这些终端设备提供了向上传输的通道，除此之外，网关还具有边缘计算的能力，这一点会在下文中详细讲解。

除此之外，工业物联网关还有协议转换的功能，因为在工业领域有非常多的协议，这些协议主要是来自于各个行业的历史积累，所以就需要把这些协议在网关上做统一的转换，然后再将数据向外传输出去。

2、边缘计算

边缘计算是什么呢？简单点讲，就是把本来属于中心节点做的计算下放到边缘节点来做。那么在本来，对于数据进行处理、计算，这都是平台层所做的事情，但是现在，网关可以进行一部分不是特别重要的数据的计算，并且将这些计算过的数据及时地反馈给终端设备来达到低时延的效果。这么做，一定程度上有效地保护了用户的边缘隐私，也达到了降低成本的目的。因为对于中心节点来讲，并不是所有收集到的数据都是有用的，有些没有必要的数据就可以交给边缘节点来处理，相当于边缘节点给中心节点分担了一部分压力，这样做可以达到降低成本的效果。

过去数据处理的方式与上图相同，数据从设备产生，并且上传到网关，但是网关没有计算能力，就只能充当一个传输的作用，之后再把数据上传到云端来进行处理。但是现在不一样了，当网关具备了计算能力之后，它可以先把要求低的一些数据先帮远端处理了，但是要注意的是处理完了之后还是要向中心节点反馈“数据已经处理过了”的一个信息。

边缘计算就是一个结合了网络、计算、存储、应用的开放平台。同时它的架构分层可以和物联网的架构分层来做一个类比，它被分为了设备域、网络域、数据域和应用域。虽然说边缘计算的位置是位于感知层和网络层之间的，但是边缘层所具备的能力可以使他分成这样四层的架构提供和物联网四层架构模型相同的能力。

边缘计算的架构分层其实就是将设备和网关中间的这一段内容进行了分层，将原来属于物联网架构中两层的架构进行了细分，分成了四层。在边缘计算架构中，设备域与感知层相同，上面的网络域所指代的是底下的设备到网关之间的这一段网络。同时在往上的数据域指代的就是网关可以像物联网平台一样处理数据，以及向上的应用域指代的就是边缘计算当中的各种应用。

3、网络拓扑结构

网络拓扑(NetworkTopology)结构是指利用传输介质互连各种设备的物理布局。指构成网络成员间特定的物理的（即真实的）、或者逻辑的（即虚拟的）排列方式。如果两个网络的连接结构相同即它们的网络拓扑相同，尽管它们各自内部的物理接线、节点间距离可能会有不同。本小节将介绍常见的网络拓扑结构以及在物联网领域当中广泛使用的Mesh组网技术。

3.1 星型拓扑结构

星型拓扑(StarTopology)是指网络中的各节点设备通过一个网络集中设备（如集线器HUB或者交换机Switch）连接在一起，各节点呈星状分布的网络连接方式。

基本特点：

• 容易实现，但安装及维护工作量、成本较大：它所采用的传输介质一般都是采用通用的双绞线或同轴电缆。但是每个站点都要和中央网络集中设备直接连接，需要耗费大量的线缆，并且安装，维护的工作量也剧增。

• 节点扩展、移动方便：节点扩展时只需要从集线器或交换机等集中设备中拉一条电缆即可，而要移动一个节点只需要把相应节点设备移到新节点即可。

• 故障诊断和隔离容易：一个节点出现故障不会影响其它节点的连接，可任意拆走故障节点；

• 中央节点的负担较重，易形成瓶颈；各站点的分布处理能力较低：中央节点一旦发生故障，则整个网络都受到影响。

星型结构的优点：

• 网络结构简单，便于管理、维护和调试。

• 控制简单，添加或删除某个站点非常容易。

• 集中管理，可方便地提供服务和网络重新配置。

• 每个站点直接连到中央节点，容易检测和隔离故障。

星型结构的缺点：

• 线路利用率不高，一条线路只被该线路上的中央节点和一个节点使用。

• 中央节点负荷太重，而且当中央节点产生故障时，全网将不能工作，对中央节点的可靠性和冗余度要求太高

• 安装和维护费用高，需要大量电缆。

3.2 环型拓扑结构

环形网络拓扑(英文：RingTopology)环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户，直到将所有的端用户连成环型。数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。

环型结构具有如下特点：

• 信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；

• 环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单；

• 由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；

• 环路是封闭的，不便于扩充；

• 可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。

3.3 总线型拓扑结构

总线拓扑(英文：BusTopology)，又称总线网络(BusNetwork)；在该节点连接以DaisyChain由直线之总线序列。由于该拓扑是由一条主缆线串接所有的电脑或其他网络设备，因此也称为线性总线(LinearBus)。

总线型结构的网络特点如下：结构简单，可扩充性好。当需要增加节点时，只需要在总线上增加一个分支接口便可与分支节点相连，当总线负载不允许时还可以扩充总线；使用的电缆少，且安装容易；使用的设备相对简单，可靠性高；维护难，分支节点故障查找难。

优点:

• 方便连接于电脑或外设线性总线。

• 比星状拓扑较少的电缆长度。

• 非常适合用于小型网络。

缺点:

• 如果有一在主缆上中断时，整个网络也将跟着中断。

• 终端机必须于主干电缆的两端。

• 如果整个网络发生中断时，将会很难找出问题。

• 当更多的设备被添加到网络时，传输速度会变得更缓慢。

3.4 Mesh网络拓扑结构

无线Mesh网络也称为“多跳”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。它不依赖于预设的基础设施，具有可临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点。

在无线Mesh网络中，采用网状Mesh拓扑结构，是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。

Mesh（网状网）技术不仅能中继信号，扩展无线覆盖范围，而且支持网络自组织、自修复，以及流量自平衡，因此首选采用Mesh技术作为RF网络的组网技术。

此外，Mesh技术还可显著增加网络带宽，原因为：

无线通信的物理特性决定了射频信号传输的距离越短就越容易获得高带宽，因为随着无线传输距离的增加，各种干扰和其他导致数据丢失的因素随之增加，因此通过多个短跳来传输数据可使每一跳的带宽增加，从而提高总体带宽。

在Mesh网络中，一个节点不仅能传送和接收信息，还能充当路由器对其附近节点转发信息，随着更多节点的相互连接和可能的路径数量的增加，总的带宽也大大增加。

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