本文分享自華為云社區《一文讀懂工業物聯網關》，作者：Super.雯。

本文將介紹工業領域當中固網場景下網關的技術細節，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，并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于其他的物聯網場景來說也是比較惡劣的，并且在工業當中使用的設備復雜多變，所以需要適配的接口也十分多樣。那么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設備就顯得非常有必要了。

1、什么是工業物聯網關？

物聯網在工業場景當中的應用還是非常廣泛的。在這里需要知道的是，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于工業場景。如智能電表、智能配電、智慧交通等，這些場景下同樣有工業的身影存在。

1.1 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，因為工業里可能會有高溫或者低溫的場景，所以這就要求物聯網設備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。

• 設備還要能夠防塵防水，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設備之間的正常通信，但是這些需求是企業級路由器完全沒有辦法達到的。

• 工業上設備眾多，不同的設備又有不同的接口和協議，所以就要有一款設備可以適配工業上所有的這些協議和接口。還有就是網絡安全的問題，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。所以網絡信息安全也是在工業領域要重視的問題。

• 最后還有運維的問題，由于底下的這些終端設備非常多，同時終端設備越多，運維復雜度就會越高。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，對于運維人員來講簡單易上手的一套系統來減少他們工作的復雜度以及降低公司運維的成本。那么以上就是物聯網在工業領域遇到的一些問題。

1.2 工業物聯網關簡介

基于上述的這些問題，設計一個好用的物聯網關就很有必要了。那么工業物聯網關主要是起到了一個什么作用呢？在圖中可以看到，物聯網關位于終端層和網絡層的中間，起到了承上啟下的作用。在左邊它和底下的這些終端設備進行連接，在右邊和網絡進行連接。相當于是為下面的這些終端設備提供了向上傳輸的通道，除此之外，網關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，工業物聯網關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于各個行業的歷史積累，所以就需要把這些協議在網關上做統一的轉換，然后再將數據向外傳輸出去。

2、邊緣計算

邊緣計算是什么呢？簡單點講，就是把本來屬于中心節點做的計算下放到邊緣節點來做。那么在本來，對于數據進行處理、計算，這都是平臺層所做的事情，但是現在，網關可以進行一部分不是特別重要的數據的計算，并且將這些計算過的數據及時地反饋給終端設備來達到低時延的效果。這么做，一定程度上有效地保護了用戶的邊緣隱私，也達到了降低成本的目的。因為對于中心節點來講，并不是所有收集到的數據都是有用的，有些沒有必要的數據就可以交給邊緣節點來處理，相當于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。

過去數據處理的方式與上圖相同，數據從設備產生，并且上傳到網關，但是網關沒有計算能力，就只能充當一個傳輸的作用，之后再把數據上傳到云端來進行處理。但是現在不一樣了，當網關具備了計算能力之后，它可以先把要求低的一些數據先幫遠端處理了，但是要注意的是處理完了之后還是要向中心節點反饋“數據已經處理過了”的一個信息。

邊緣計算就是一個結合了網絡、計算、存儲、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，它被分為了設備域、網絡域、數據域和應用域。雖然說邊緣計算的位置是位于感知層和網絡層之間的，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設備和網關中間的這一段內容進行了分層，將原來屬于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，設備域與感知層相同，上面的網絡域所指代的是底下的設備到網關之間的這一段網絡。同時在往上的數據域指代的就是網關可以像物聯網平臺一樣處理數據，以及向上的應用域指代的就是邊緣計算當中的各種應用。

3、網絡拓撲結構

網絡拓撲(NetworkTopology)結構是指利用傳輸介質互連各種設備的物理布局。指構成網絡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。如果兩個網絡的連接結構相同即它們的網絡拓撲相同，盡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絡拓撲結構以及在物聯網領域當中廣泛使用的Mesh組網技術。

3.1 星型拓撲結構

星型拓撲(StarTopology)是指網絡中的各節點設備通過一個網絡集中設備（如集線器HUB或者交換機Switch）連接在一起，各節點呈星狀分布的網絡連接方式。

基本特點：

• 容易實現，但安裝及維護工作量、成本較大：它所采用的傳輸介質一般都是采用通用的雙絞線或同軸電纜。但是每個站點都要和中央網絡集中設備直接連接，需要耗費大量的線纜，并且安裝，維護的工作量也劇增。

• 節點擴展、移動方便：節點擴展時只需要從集線器或交換機等集中設備中拉一條電纜即可，而要移動一個節點只需要把相應節點設備移到新節點即可。

• 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接，可任意拆走故障節點；

• 中央節點的負擔較重，易形成瓶頸；各站點的分布處理能力較低：中央節點一旦發生故障，則整個網絡都受到影響。

星型結構的優點：

• 網絡結構簡單，便于管理、維護和調試。

• 控制簡單，添加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絡重新配置。

• 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余度要求太高

• 安裝和維護費用高，需要大量電纜。

3.2 環型拓撲結構

環形網絡拓撲(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用戶到另一個端用戶，直到將所有的端用戶連成環型。數據在環路中沿著一個方向在各個節點間傳輸，信息從一個節點傳到另一個節點。這種結構顯而易見消除了端用戶通信時對中心系統的依賴性。

環型結構具有如下特點：

• 信息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，故控制軟件簡單；

• 由于信息源在環路中是串行地穿過各個節點，當環中節點過多時，勢必影響信息傳輸速率，使網絡的響應時間延長；

• 環路是封閉的，不便于擴充；

• 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。

3.3 總線型拓撲結構

總線拓撲(英文：BusTopology)，又稱總線網絡(BusNetwork)；在該節點連接以DaisyChain由直線之總線序列。由于該拓撲是由一條主纜線串接所有的電腦或其他網絡設備，因此也稱為線性總線(LinearBus)。

總線型結構的網絡特點如下：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接口便可與分支節點相連，當總線負載不允許時還可以擴充總線；使用的電纜少，且安裝容易；使用的設備相對簡單，可靠性高；維護難，分支節點故障查找難。

優點:

• 方便連接于電腦或外設線性總線。

• 比星狀拓撲較少的電纜長度。

• 非常適合用于小型網絡。

缺點:

• 如果有一在主纜上中斷時，整個網絡也將跟著中斷。

• 終端機必須于主干電纜的兩端。

• 如果整個網絡發生中斷時，將會很難找出問題。

• 當更多的設備被添加到網絡時，傳輸速度會變得更緩慢。

3.4 Mesh網絡拓撲結構

無線Mesh網絡也稱為“多跳”網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。它不依賴于預設的基礎設施，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網絡中，采用網狀Mesh拓撲結構，是一種多點到多點網絡拓撲結構。在這種Mesh網絡結構中，各網絡節點通過相鄰其他網絡節點，以無線多跳方式相連。

Mesh（網狀網）技術不僅能中繼信號，擴展無線覆蓋范圍，而且支持網絡自組織、自修復，以及流量自平衡，因此首選采用Mesh技術作為RF網絡的組網技術。

此外，Mesh技術還可顯著增加網絡帶寬，原因為：

無線通信的物理特性決定了射頻信號傳輸的距離越短就越容易獲得高帶寬，因為隨著無線傳輸距離的增加，各種干擾和其他導致數據丟失的因素隨之增加，因此通過多個短跳來傳輸數據可使每一跳的帶寬增加，從而提高總體帶寬。

在Mesh網絡中，一個節點不僅能傳送和接收信息，還能充當路由器對其附近節點轉發信息，隨著更多節點的相互連接和可能的路徑數量的增加，總的帶寬也大大增加。