Wat betekent gateway?
Gemakkelijk te begrijpen uitleg: De gateway is onze gewone "router". In het internetnetwerk dat we kennen, is de rol van een gateway een tussenliggend apparaat dat het interne netwerk verbindt met andere netwerken op het internet.
Een meer professionele uitleg: Het verwijst naar de "gateway" die dit netwerk met een ander netwerk verbindt. Iedereen weet dat je door een deur moet om van de ene kamer naar de andere te lopen. Op dezelfde manier moet het verzenden van informatie van het ene netwerk naar het andere door een "poort", en dat is de gateway. Zoals de naam al zegt, is een gateway een "toegangspoort" die het ene netwerk met het andere verbindt. Gateway wordt ook wel internetconnector en protocolconverter genoemd.
Een gateway wordt ook wel een protocolconverter genoemd. De functie van een gateway is om de interconnectie tussen netwerken te realiseren. Gateways zorgen er niet alleen voor dat wide area netwerken met elkaar verbonden kunnen worden, maar ook dat local area netwerken met elkaar verbonden kunnen worden. De gateway speelt de rol van conversie tussen computers en apparaten. Het is vergelijkbaar met een vertaler die verschillende protocollen, talen en gegevens tussen verschillende systemen kan omzetten.
Kennis uitbreiden
Wat is een Industriële IoT-gateway?
Internet of Things gatewayzal als nieuwe term een zeer belangrijke rol spelen in het toekomstige tijdperk van het internet van dingen. Het wordt de schakel tussen het sensornetwerk en het traditionele communicatienetwerk. Als gateway-apparaatDe IoT-gateway kan protocolomzetting realiseren tussen detectienetwerken en communicatienetwerken, evenals verschillende soorten detectienetwerken. Het kan interconnectie op groot gebied realiseren. Interconnectie op lokaal niveau is ook mogelijk. Daarnaast moet de IoT-gateway ook over apparaatbeheerfuncties beschikken. Operators kunnen de onderliggende sensorknooppunten beheren via de IoT gateway-apparaatde relevante informatie van elk knooppunt te begrijpen en besturing op afstand mogelijk te maken. Figuur 1 toont schematisch een typische topologie van het internet der dingen, gebouwd met een internet der dingen-gateway.
Ontwerp van IoT-gateways
IoT-gateway functies:
(1) Uitgebreide toegangsmogelijkheden
Er zijn momenteel veel technische standaarden voor korteafstandscommunicatie. Veelgebruikte WSN-technologieën zijn Lonworks, ZigBee, 6LowPAN, RUBEE, enz. Verschillende technologieën zijn voornamelijk ontwikkeld voor een bepaalde toepassing en missen compatibiliteit en systeemplanning. Zo wordt Lonworks voornamelijk gebruikt voor gebouwautomatisering en is RUBEE geschikt voor schadelijke omgevingen. Hoe bereik je protocolcompatibiliteit, interfaces en systeemplanning? Momenteel zijn veel organisaties in binnen- en buitenland bezig met het standaardiseren van IoT-gatewayszoals 3GPP en sensorwerkgroepen, om interconnectie en interoperabiliteit van verschillende communicatietechnologiestandaarden te bereiken.
(2) Protocolomzetting mogelijk
Protocolomzetting van verschillende detectienetwerken naar toegangsnetwerken kapselt gegevens uniform in de standaardindeling van de onderste laag in om ervoor te zorgen dat de protocollen van verschillende detectienetwerken kunnen worden verenigd in gegevens en signalering; parseert gegevenspakketten die door de bovenste laag worden verzonden in sensorsignalering en besturingsinstructies die kunnen worden herkend door laagprotocollen.
(3) Beheersbaarheid
Krachtige beheermogelijkheden zijn essentieel voor elk groot netwerk. Ten eerste moet de gateway beheerd worden, zoals registratiebeheer, rechtenbeheer, statusbewaking, enz. De gateway implementeert het beheer van knooppunten in het subnet, zoals het verkrijgen van de identiteit, status, attributen, energie, enz. van het knooppunt, evenals het op afstand wekken, besturen, diagnosticeren, upgraden en onderhouden. Omdat de technische standaarden van subnetten verschillen en de complexiteit van de protocollen verschillend is, zijn de beheermogelijkheden van de gateways verschillend. Dit artikel stelt een modulaire IoT-gatewaybenadering voor om verschillende sensornetwerken en verschillende toepassingen te beheren, waarbij ervoor wordt gezorgd dat uniforme beheerinterfacetechnologie kan worden gebruikt om perifere netwerkknooppunten te beheren. Hiërarchie:
1) Bedrijfsservicelaag
De laag voor zakelijke diensten bestaat uit een module voor het ontvangen van berichten en een module voor het verzenden van berichten. De berichtenontvangstmodule is verantwoordelijk voor het ontvangen van standaardberichten van het IoT-bedrijfsvoeringsbeheersysteem en het doorgeven van de berichten aan de standaard berichtopbouwlaag. De module voor het verzenden van berichten is verantwoordelijk voor het betrouwbaar verzenden van de gegevensinformatie die door het perceptienetwerk is verzameld naar het beheersysteem voor de bedrijfsvoering. Berichten die door deze laag worden ontvangen en verzonden, moeten voldoen aan standaard berichtformaten.
(2) Standaardlaag voor berichtcompositie
De compositielaag voor standaardberichten bestaat uit een module voor het parseren van berichten en een module voor het converteren van berichten. De module voor het parseren van berichten parseert de standaardberichten van de laag voor bedrijfsservices en roept de module voor berichtconversie op om de standaardberichten te converteren naar een gegevensindeling die kan worden begrepen door het onderliggende apparaat voor perceptie-uitbreiding en die afhankelijk is van het specifieke communicatieprotocol van het apparaat. Wanneer de perceptie-uitbreidingslaag gegevens uploadt, parseert de berichtenparsingmodule van deze laag het bericht dat afhankelijk is van het specifieke communicatieprotocol van het apparaat en roept de berichtenconversiemodule op om het om te zetten in een standaardbericht dat de laag voor bedrijfsservices kan ontvangen. De berichtcompositielaag is de kern van de Internet of Things gateway. Het voltooit de analyse van standaardberichten en berichten die afhankelijk zijn van specifieke perceptie-uitbreidingsnetwerken en realiseert wederzijdse conversie tussen de twee, waardoor een uniforme controle en beheer van het onderliggende perceptie-uitbreidingsnetwerk wordt bereikt en het onderliggende netwerk naar boven wordt afgeschermd. Doel van communicatieprotocol heterogeniteit.
(3) Protocolaanpassingslaag
De protocolaanpassingslaag zorgt ervoor dat verschillende protocollen van de perceptie-uitbreidingslaag via deze laag kunnen worden omgezet in gegevens- en besturingssignalen in een uniform formaat. (4) Laag voor perceptuele uitbreiding
Deze laag breidt het apparaat uit naar de onderliggende perceptie en bevat twee submodules: berichten verzenden en berichten ontvangen.De module berichten verzenden is verantwoordelijk voor het verzenden van het bericht
Het bericht dat is geconverteerd door de informatiecompositielaag en kan worden begrepen door het specifieke perceptie-uitbreidingsapparaat, wordt verzonden naar het onderliggende apparaat.
De berichtenontvangstmodule ontvangt berichten van het onderliggende apparaat en stuurt ze naar de standaard berichtcompositielaag voor analyse.
Het perceptie-uitbreidingsnetwerk bestaat uit perceptieapparaten, waaronder RFID, GPS, videobewakingssystemen, verschillende soorten sensoren, enz. Een verscheidenheid aan communicatieprotocollen wordt ondersteund tussen de sensoruitbreidingsapparaten, die Lonworks, Zigbee en andere verschillende sensoruitbreidingsnetwerken kunnen vormen.
Informatie-uitwisselingsproces
(1) De eindgebruiker genereert een bericht dat voldoet aan het standaardgegevensformaat en stuurt het naar de berichtenontvangstmodule van de gateway-businessservicelaag. (2) De berichtenontvangstmodule van de laag voor zakelijke dienstverlening stuurt standaardberichten naar de module voor het parseren van berichten van de laag voor het samenstellen van standaardberichten.
(3) De berichtenomzettingsmodule roept de overeenkomstige berichtomzettingsfunctie op om standaardinformatie om te zetten in berichten die afhankelijk zijn van het specifieke communicatieprotocol van het apparaat.
(4) De module voor het parseren van berichten zet het bericht om in een bericht dat afhankelijk is van het specifieke communicatieprotocol van het apparaat en verzendt het naar de module voor het verzenden van berichten van de servicelaag van de perceptie-uitbreiding.
(5) De module voor het verzenden van berichten van de servicelaag van de perceptie-uitbreiding selecteert een geschikte verzendmethode en verzendt specifieke berichten die afhankelijk zijn van het communicatieprotocol van het apparaat naar het specifieke onderliggende apparaat.
(6) Het onderliggende apparaat voert operaties voor het verzamelen van informatie uit op basis van specifieke berichten en stuurt de resultaten terug naar de module voor het ontvangen van berichten van de laag voor uitgebreid servicebewustzijn van de gateway.
(7) De berichtenontvangstmodule van de servicelaag voor perceptie-uitbreiding van de gateway verzendt specifieke berichten die afhankelijk zijn van het communicatieprotocol van het apparaat naar de module voor het parseren van berichten van de standaardlaag voor het samenstellen van berichten.
(8) De berichtenomzettingsmodule roept de informatieomzettingsmodule op om specifieke berichten die afhankelijk zijn van het communicatieprotocol van het apparaat om te zetten in standaardberichten. Zoals te zien is in figuur 3, lost de IoT-gateway het probleem op van uniforme controle en beheer van verschillende apparaten in het IoT-netwerk, bereikt het het doel van het afschermen van de verschillen in onderliggende communicatie en elimineert het de noodzaak voor eindgebruikers om de specifieke communicatiedetails van de onderliggende apparaten te kennen om controle te krijgen over verschillende apparaten. Uniforme toegang tot apparaten die zich bewust zijn van de uitbreidingslaag.
Sleuteltechnologie
De volgende sleuteltechnologieën worden opgelost in het ontwerp van het IoT gateway systeem.
Unificatie van software-interactieprotocollen: Het ontwerpidee van het IoT gateway-systeem is om verschillende onderdelen van software en hardware op een modulaire manier te implementeren, waardoor het zeer eenvoudig wordt om modules te vervangen om verschillende perceptie-uitbreidingsnetwerken en toegangsnetwerkinterconnecties te realiseren, waarbij de onderliggende laag Communicatieverschillen afschermt. De hardwaremodules zijn verbonden in de vorm van een UART-bus en de software draait op een modulaire en laadbare manier en de gemeenschappelijke onderdelen zijn geabstraheerd in openbare modules. Om nieuwe gegevensaggregatiemodules en toegangsmodules te ondersteunen, hoeft u dus alleen maar overeenkomstige hardwaremodules en stuurprogramma's te ontwikkelen. Daarnaast wordt een verenigde protocolaanpassingslaag toegevoegd (zoals getoond in afbeelding 6), worden de applicatiegegevens uniform geëxtraheerd, georganiseerd volgens TLV (type, lengte, waarde) en worden de gegevenspakketten ingekapseld. Zodat alle standaard IP-gegevenspakketten worden verzonden in het toegangsnetwerk, dat de verzamelde gegevens inkapselt in TLV-formaat.
Unified Address Translation: Verschillende netwerken voor gegevensverzameling gebruiken verschillende adresseringsmethoden, zoals 16-bits korte adressen in ZigBee en 64-bits adressen in 6LowPan. In de toepassing hoef je alleen specifieke nodes te kunnen lokaliseren. Het maakt niet uit of de nodes IP-adressen of 16-bits korte adressen gebruiken, noch of het netwerk tussen de nodes ZigBee of 6LowPan of andere methoden gebruikt. Het omzetten van deze adressen in een eenduidige representatie is gunstig voor de ontwikkeling van toepassingen. Daarom is er een adresmappingmechanisme geïmplementeerd in de gateway om het IP- of 16-bits korte adres om te zetten naar een eenduidige ID. Hierop hoeft alleen gelet te worden tijdens de interactie met de applicatie. Gewoon ID. De specifieke toewijzingsmethode kan cumulatief zijn vanaf 1. Wanneer de gateway de eerste knooppuntgegevens ontvangt, wordt het adres van het knooppunt toegewezen aan 1, wordt er vervolgens 1 toegevoegd en wordt deze toewijzingstabel in de gateway opgeslagen. Tegelijkertijd wordt er ook een verouderingsmechanisme gebruikt. Als er binnen een bepaalde periode geen gegevens van het knooppunt worden ontvangen, wordt de toewijzingsrelatie verwijderd.
Unificatie van de gegevensinterface van de ophaalmodule: Er wordt een AT-commandoset gedefinieerd tussen de collectiemodule en de gateway en de knooppunten worden via het ZigBee-protocol in een netwerk opgenomen. De interface met de gateway richt zich alleen op enkele besturingsinstructies en gegevensinteractie-instructies voor de collectiemodule en besteedt geen aandacht aan het specifieke netwerkprotocol om netwerkprotocolonafhankelijkheid te bereiken.
Beheer van mappingrelaties: Hoe de mapping relatie te beheren in communicatiegegevens tussen apparaten in twee of meer systemen verbonden door de gateway, dat wil zeggen, adressering in de gebruikelijke zin, is een zeer belangrijke stap. Deze gateway analyseert de in- en uitvoergegevensformaten van alle mogelijke modules en definieert vervolgens de communicatie-interfaces die overeenkomen met elke module.