Was bedeutet "Gateway"?
Leicht verständliche Erklärung: Das Gateway ist unser gemeinsamer "Router", der in dem uns bekannten Internet-Netz die Rolle eines Zwischengeräts spielt, das das interne Netz mit anderen Netzen im Internet verbindet.
Eine etwas professionellere Erklärung: Es handelt sich um das "Gateway", das dieses Netz mit einem anderen Netz verbindet. Jeder weiß, dass man, um von einem Raum in einen anderen zu gelangen, durch eine Tür gehen muss. In ähnlicher Weise müssen Informationen, die von einem Netz zu einem anderen gesendet werden sollen, durch ein "Gateway", also das Tor, gehen. Wie der Name schon sagt, ist ein Gateway ein "Tor", das ein Netz mit einem anderen verbindet. Ein Gateway wird auch als Internet-Konnektor und Protokollkonverter bezeichnet.
Ein Gateway wird auch als Protokollkonverter bezeichnet. Die Funktion des Gateways besteht darin, die Verbindung zwischen Netzen herzustellen. Gateways ermöglichen nicht nur die Verbindung von Weitverkehrsnetzen untereinander, sondern auch von lokalen Netzen untereinander. Das Gateway spielt die Rolle der Konvertierung zwischen Computern und Geräten. Es ist vergleichbar mit einem Übersetzer, der unterschiedliche Protokolle, Sprachen und Daten zwischen verschiedenen Systemen umwandeln kann.
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Was ist ein Industrielles IoT-Gateway?
Gateway für das Internet der Dingeals neuer Begriff wird im zukünftigen Zeitalter des Internets der Dinge eine sehr wichtige Rolle spielen. Es wird das Bindeglied zwischen dem Sensornetz und dem herkömmlichen Kommunikationsnetz sein. Als Gateway-GerätDas IoT-Gateway kann eine Protokollkonvertierung zwischen Sensornetzen und Kommunikationsnetzen sowie verschiedenen Arten von Sensornetzen durchführen. Es kann eine großflächige Verbindung herstellen. Auch lokale Verbindungen können realisiert werden. Darüber hinaus muss das IoT-Gateway auch über Geräteverwaltungsfunktionen verfügen. Die Betreiber können die zugrunde liegenden Sensorknoten über das IoT-Gateway-Gerätdie relevanten Informationen jedes Knotens zu verstehen und die Fernsteuerung zu erreichen. Abbildung 1 zeigt schematisch eine typische Topologie des Internet der Dinge, die mit einem Internet der Dinge-Gateway aufgebaut ist.
IoT-Gateway-Design
IoT-Gateway-Funktionen:
(1) Umfassende Zugriffsmöglichkeiten
Derzeit gibt es viele technische Standards für die Kommunikation im Nahbereich. Zu den gängigen WSN-Technologien gehören Lonworks, ZigBee, 6LowPAN, RUBEE usw. Die verschiedenen Technologien wurden hauptsächlich für einen bestimmten Anwendungsbereich entwickelt, und es mangelt ihnen an Kompatibilität und Systemplanung. So wird beispielsweise Lonworks hauptsächlich für die Gebäudeautomatisierung verwendet, während RUBEE für bösartige Umgebungen geeignet ist. Wie lassen sich Protokollkompatibilität, Schnittstellen und Systemplanung erreichen? Derzeit arbeiten viele Organisationen im In- und Ausland an der Standardisierung von IoT-Gatewayswie 3GPP und Sensor-Arbeitsgruppen, um die Zusammenschaltung und Interoperabilität verschiedener Kommunikationstechnologienormen zu erreichen.
(2) Fähigkeit zur Protokollkonvertierung
Die Protokollkonvertierung von verschiedenen Erfassungsnetzen zu Zugangsnetzen kapselt Daten einheitlich in das Standardformat der unteren Schicht ein, um sicherzustellen, dass die Protokolle verschiedener Erfassungsnetze zu einheitlichen Daten und Signalen werden können; analysiert die von der oberen Schicht gesendeten Datenpakete in Erfassungssignale und Steueranweisungen, die von den Schichtprotokollen erkannt werden können.
(3) Verwaltbarkeit
Leistungsstarke Verwaltungsfunktionen sind für jedes große Netz unerlässlich. Zunächst muss das Gateway verwaltet werden, z. B. Registrierungsverwaltung, Rechteverwaltung, Statusüberwachung usw. Das Gateway implementiert die Verwaltung der Knoten im Subnetz, wie z. B. die Abfrage der Identität, des Status, der Attribute, der Energie usw. des Knotens, sowie die Fernaufweckung, -steuerung, -diagnose, -aufrüstung und -wartung. Da die technischen Standards der Teilnetze und die Komplexität der Protokolle unterschiedlich sind, sind auch die Verwaltungsmöglichkeiten der Gateways unterschiedlich. In diesem Artikel wird ein modularer Ansatz für IoT-Gateways vorgeschlagen, um verschiedene Sensornetzwerke und unterschiedliche Anwendungen zu verwalten und sicherzustellen, dass eine einheitliche Management-Schnittstellentechnologie für die Verwaltung peripherer Netzwerkknoten verwendet werden kann. Hierarchie:
1) Geschäftsdienstschicht
Die Geschäftsdienstschicht besteht aus einem Nachrichtenempfangsmodul und einem Nachrichtensendemodul. Das Nachrichtenempfangsmodul ist für den Empfang von Standardnachrichten vom IoT-Betriebsmanagementsystem zuständig und leitet die Nachrichten an die Standardnachrichtenkompositionsschicht weiter. Das Nachrichten-Sendemodul ist für die zuverlässige Übermittlung der vom Perception Extension Network gesammelten Dateninformationen an das Business Operation Management System zuständig. Die von dieser Schicht empfangenen und gesendeten Nachrichten müssen den Standardnachrichtenformaten entsprechen.
(2) Standard-Nachrichtenkompositionsschicht
Die Standardnachrichten-Kompositionsschicht besteht aus einem Nachrichten-Parsing-Modul und einem Nachrichten-Konvertierungsmodul. Das Nachrichtenanalysemodul analysiert die Standardnachrichten von der Business Service-Schicht und ruft das Nachrichtenkonvertierungsmodul auf, um die Standardnachrichten in ein Datenformat zu konvertieren, das von der zugrunde liegenden Wahrnehmungserweiterungsschicht verstanden werden kann und vom spezifischen Gerätekommunikationsprotokoll abhängt. Wenn die Wahrnehmungserweiterungsschicht Daten hochlädt, analysiert das Nachrichtenanalysemodul dieser Schicht die Nachricht, die von dem spezifischen Gerätekommunikationsprotokoll abhängt, und ruft das Nachrichtenkonvertierungsmodul auf, um sie in eine Nachricht im Standardformat umzuwandeln, die die Geschäftsdienstschicht empfangen kann. Die Nachrichtenkompositionsschicht ist das Kernstück des Internet der Dinge-Gateways. Sie vervollständigt die Analyse von Standardnachrichten und Nachrichten, die sich auf spezifische Wahrnehmungserweiterungsnetzwerke stützen, und realisiert die gegenseitige Konvertierung zwischen den beiden, wodurch eine einheitliche Kontrolle und Verwaltung des zugrunde liegenden Wahrnehmungserweiterungsnetzwerks erreicht und das zugrunde liegende Netzwerk nach oben hin abgeschirmt wird. Zweck der Heterogenität der Kommunikationsprotokolle.
(3) Protokollanpassungsschicht
Die Protokollanpassungsschicht stellt sicher, dass verschiedene Protokolle der Wahrnehmungserweiterungsschicht über diese Schicht in ein einheitliches Format für die Daten- und Kontrollsignalisierung umgewandelt werden können. (4) Wahrnehmungserweiterungsschicht
Diese Schicht erweitert das Gerät um die zugrundeliegende Wahrnehmung und umfasst zwei Untermodule: das Modul zum Senden von Nachrichten und das Modul zum Empfangen von Nachrichten.Das Modul zum Senden von Nachrichten ist für das Senden von Nachrichten zuständig
Die von der Informationskompositionsschicht umgewandelte Nachricht, die von der spezifischen Wahrnehmungserweiterungseinrichtung verstanden werden kann, wird an die zugrunde liegende Einrichtung gesendet.
Das Nachrichtenempfangsmodul empfängt Nachrichten von dem zugrunde liegenden Gerät und sendet sie zur Analyse an die Standardnachrichtenkompositionsschicht.
Das Wahrnehmungserweiterungsnetz besteht aus Wahrnehmungsgeräten, einschließlich RFID, GPS, Videoüberwachungssystemen, verschiedenen Arten von Sensoren usw. Zwischen den Geräten der Wahrnehmungserweiterung wird eine Vielzahl von Kommunikationsprotokollen unterstützt, die Lonworks, Zigbee und andere verschiedene Wahrnehmungserweiterungsnetze bilden können.
Prozess des Informationsaustauschs
(1) Der Endnutzer erzeugt eine Nachricht, die dem Standarddatenformat entspricht, und sendet sie an das Nachrichtenempfangsmodul der Gateway-Business-Service-Schicht. (2) Das Nachrichtenempfangsmodul der Business-Service-Schicht sendet Standardnachrichten an das Nachrichtenparsing-Modul der Standardnachrichtenkompositionsschicht.
(3) Das Nachrichten-Parsing-Modul ruft die entsprechende Nachrichtenumwandlungsfunktion auf, um Standardinformationen in Nachrichten umzuwandeln, die vom spezifischen Gerätekommunikationsprotokoll abhängen.
(4) Das Nachrichten-Parsing-Modul wandelt die Nachricht in eine Nachricht um, die von dem spezifischen Gerätekommunikationsprotokoll abhängt, und leitet sie an das Nachrichten-Sendemodul der Wahrnehmungserweiterungsdienst-Schicht weiter.
(5) Das Nachrichtensendemodul der Wahrnehmungserweiterungsdienstschicht wählt ein geeignetes Übertragungsverfahren aus und sendet spezifische Nachrichten, die vom Gerätekommunikationsprotokoll abhängen, an das spezifische zugrunde liegende Gerät.
(6) Das zugrundeliegende Gerät führt Informationserfassungsvorgänge auf der Grundlage spezifischer Nachrichten durch und sendet die Ergebnisse an das Nachrichtenempfangsmodul der erweiterten Dienstschicht des Gateway-Bewusstseins.
(7) Das Nachrichtenempfangsmodul der Wahrnehmungserweiterungsdienstschicht des Gateways überträgt spezifische Nachrichten, die vom Gerätekommunikationsprotokoll abhängen, an das Nachrichtenanalysemodul der Standardnachrichtenkompositionsschicht.
(8) Das Nachrichten-Parsing-Modul ruft das Informationsumwandlungsmodul auf, um spezifische Nachrichten, die vom Kommunikationsprotokoll des Geräts abhängen, in Standardnachrichten umzuwandeln. Wie aus Abbildung 3 ersichtlich, löst das IoT-Gateway das Problem der einheitlichen Kontrolle und Verwaltung verschiedener Geräte im IoT-Netz, erfüllt den Zweck der Abschirmung der Unterschiede in der zugrunde liegenden Kommunikation und beseitigt die Notwendigkeit für Endnutzer, die spezifischen Kommunikationsdetails der zugrunde liegenden Geräte zu kennen, um die Kontrolle über verschiedene Geräte zu erreichen. Einheitlicher Zugang zu Geräten der Awareness-Erweiterungsschicht.
Schlüsseltechnologie
Die folgenden Schlüsseltechnologien werden bei der Entwicklung des IoT-Gateway-Systems eingesetzt.
Vereinheitlichung der Software-Interaktionsprotokolle: Die Design-Idee des IoT-Gatewaysystems besteht darin, verschiedene Teile der Software und Hardware auf modulare Weise zu implementieren, so dass es sehr einfach ist, Module auszutauschen, um unterschiedliche Wahrnehmungserweiterungsnetzwerke und Zugangsnetzwerkverbindungen zu erreichen, wobei die zugrunde liegende Schicht abgeschirmt wird Kommunikationsunterschiede. Die Hardware-Module sind in Form eines UART-Busses verbunden, und die Software läuft in einer modularen und ladbaren Weise, und die gemeinsamen Teile sind in öffentliche Module abstrahiert. Um neue Datenaggregations- und Zugriffsmodule zu unterstützen, müssen Sie daher nur die entsprechenden Hardwaremodule und Treiber entwickeln. Außerdem wird eine einheitliche Protokollanpassungsschicht hinzugefügt (wie in Abbildung 6 dargestellt), die Anwendungsdaten werden einheitlich extrahiert, nach TLV (Typ, Länge, Wert) organisiert und die Datenpakete dann eingekapselt. So werden alle Standard-IP-Datenpakete im Zugangsnetz übertragen, das die gesammelten Daten im TLV-Format kapselt.
Einheitliche Adressübersetzung: Verschiedene Datenerfassungsnetze verwenden unterschiedliche Adressierungsmethoden, z. B. 16-Bit-Kurzadressen in ZigBee und 64-Bit-Adressen in 6LowPan. In der Anwendung müssen Sie nur in der Lage sein, bestimmte Knoten zu lokalisieren. Es spielt keine Rolle, ob die Knoten IP-Adressen oder 16-Bit-Kurzadressen verwenden oder ob die Vernetzung zwischen den Knoten über ZigBee oder 6LowPan oder andere Methoden erfolgt. Die Umwandlung dieser Adressen in eine einheitliche Darstellung ist für die Anwendungsentwicklung von Vorteil. Daher ist im Gateway ein Adresszuordnungsmechanismus implementiert, um die IP- oder 16-Bit-Kurzadresse auf eine einheitliche ID abzubilden. Sie brauchen dies nur während der Interaktion mit der Anwendung zu beachten. Einfach ID. Die spezifische Mapping-Methode kann von 1 an kumulativ sein. Wenn das Gateway die ersten Knotendaten empfängt, bildet es die Adresse des Knotens auf 1 ab und fügt anschließend der Reihe nach 1 hinzu und speichert diese Mapping-Tabelle im Gateway. Gleichzeitig wird auch ein Alterungsmechanismus verwendet. Wenn innerhalb eines bestimmten Zeitraums keine Daten von dem Knoten empfangen werden, wird die Mapping-Beziehung gelöscht.
Vereinheitlichung der Datenschnittstelle des Erfassungsmoduls: Zwischen dem Erfassungsmodul und dem Gateway ist ein AT-Befehlssatz definiert, und die Knoten sind über das ZigBee-Protokoll vernetzt. Die Schnittstelle mit dem Gateway konzentriert sich nur auf einige Steueranweisungen und Dateninteraktionsanweisungen für das Erfassungsmodul und achtet nicht auf das spezifische Netzwerkprotokoll, um eine Unabhängigkeit vom Netzwerkprotokoll zu erreichen.
Verwaltung der Datenzuordnungsbeziehung: Ein sehr wichtiger Schritt ist die Verwaltung der Mapping-Beziehung in den Kommunikationsdaten zwischen den Geräten in zwei oder mehr Systemen, die durch das Gateway verbunden sind, d.h. die Adressierung im üblichen Sinne. Dieses Gateway analysiert die Eingangs- und Ausgangsdatenformate aller möglichen Module und definiert dann die jedem Modul entsprechenden Kommunikationsschnittstellen.