Что означает слово «шлюз»?
Простое объяснение: шлюз — это то, что мы обычно называем “маршрутизатором”. В знакомой нам сети Интернет шлюз выполняет роль промежуточного устройства, соединяющего внутреннюю сеть с другими сетями в Интернете.
Более профессиональное объяснение: речь идет о “шлюзе”, который соединяет одну сеть с другой. Всем известно, что для того, чтобы перейти из одной комнаты в другую, нужно пройти через дверь. Точно так же при передаче информации из одной сети в другую она должна пройти через “шлюз”, который и является шлюзом. Как следует из названия, шлюз — это “проход”, соединяющий одну сеть с другой. Шлюз также называют интернет-коннектором и преобразователем протоколов.
Шлюз также называют преобразователем протоколов. Задача шлюза заключается в обеспечении взаимодействия между сетями. Шлюзы не только позволяют соединять между собой глобальные сети, но и обеспечивают соединение локальных сетей друг с другом. Шлюз выполняет роль преобразователя между компьютерами и устройствами. Он аналогичен переводчику, который может преобразовывать различные протоколы, языки и данные между разными системами.
Расширять знания
Что такое Промышленный IoT-шлюз?
Шлюз для Интернета вещей, как новый термин, будет играть очень важную роль в будущей эпохе «Интернета вещей». Он станет связующим звеном между сенсорной сетью и традиционной сетью связи. Как шлюзовое устройство, шлюз IoT может обеспечивать преобразование протоколов между сетями датчиков и сетями связи, а также между различными типами сетей датчиков. Он позволяет осуществлять межсетевое соединение на больших расстояниях. Также возможно межсетевое соединение в пределах локальной зоны. Кроме того, шлюз IoT должен обладать функциями управления устройствами. Операторы могут управлять базовыми узлами датчиков через Шлюзовое устройство IoT, анализировать соответствующую информацию каждого узла и осуществлять удаленное управление. На рисунке 1 схематически показана типичная топология «Интернета вещей», построенная с использованием шлюза «Интернета вещей».
Проектирование шлюза IoT
Функции шлюза IoT:
(1) Широкие возможности доступа
В настоящее время существует множество технических стандартов для связи на короткие расстояния. К распространенным технологиям беспроводных сенсорных сетей (WSN) относятся Lonworks, ZigBee, 6LowPAN, RUBEE и др. Различные технологии разрабатываются в основном для конкретных задач и не отличаются совместимостью и системной организованностью. Например, Lonworks в основном используется для автоматизации зданий, а RUBEE подходит для неблагоприятных условий эксплуатации. Как обеспечить совместимость протоколов, интерфейсов и системного проектирования? В настоящее время многие организации в стране и за рубежом ведут работу по стандартизации в области IoT-шлюзы, таких как 3GPP и рабочие группы по датчикам, с целью обеспечения взаимосвязи и совместимости различных стандартов в области технологий связи.
(2) Возможность преобразования протоколов
Протокол преобразования данных из различных сенсорных сетей в сети доступа обеспечивает единообразную инкапсуляцию данных в стандартный формат нижнего уровня, что позволяет преобразовать протоколы различных сенсорных сетей в унифицированные данные и сигналы; он также разбивает пакеты данных, отправляемые верхним уровнем, на сенсорные сигналы и управляющие команды, распознаваемые протоколами соответствующих уровней.
(3) Удобство управления
Мощные возможности управления являются необходимым условием для любой крупной сети. Во-первых, необходимо обеспечить управление шлюзом, включая управление регистрацией, управление правами доступа, мониторинг состояния и т. д. Шлюз обеспечивает управление узлами в подсети, включая получение идентификационных данных узла, информации о его состоянии, атрибутах, уровне заряда батареи и т. д., а также удаленное пробуждение, управление, диагностику, обновление и техническое обслуживание. Поскольку технические стандарты подсетей различаются, а протоколы имеют разную степень сложности, возможности управления шлюзов также различаются. В данной статье предлагается модульный подход к шлюзам IoT для управления различными сенсорными сетями и приложениями, обеспечивающий возможность использования технологии единого интерфейса управления для управления периферийными сетевыми узлами. Иерархия:
1) Уровень бизнес-сервисов
Уровень бизнес-сервисов состоит из модуля приема сообщений и модуля отправки сообщений. Модуль приема сообщений отвечает за прием стандартных сообщений из системы управления бизнес-операциями IoT и передачу этих сообщений на уровень формирования стандартных сообщений. Модуль отправки сообщений отвечает за надёжную передачу данных, собранных сетью сенсорных модулей, в систему управления бизнес-операциями. Сообщения, принимаемые и отправляемые этим уровнем, должны соответствовать стандартным форматам сообщений.
(2) Уровень составления стандартных сообщений
Стандартный уровень формирования сообщений состоит из модуля разбора сообщений и модуля преобразования сообщений. Модуль разбора сообщений анализирует стандартные сообщения, поступающие из уровня бизнес-сервисов, и вызывает модуль преобразования сообщений для преобразования стандартных сообщений в формат данных, понятный базовому устройству расширения восприятия и зависящий от конкретного протокола связи устройства. Когда уровень расширения восприятия загружает данные, модуль разбора сообщений этого уровня анализирует сообщение, зависящее от конкретного протокола связи устройства, и вызывает модуль преобразования сообщений для преобразования его в сообщение стандартного формата, которое может принять уровень бизнес-сервисов. Уровень формирования сообщений является ядром шлюза «Интернета вещей». Он осуществляет анализ стандартных сообщений и сообщений, зависящих от конкретных сетей расширения восприятия, а также обеспечивает взаимное преобразование между ними, что позволяет реализовать единое управление и администрирование базовой сети расширения восприятия и защитить базовую сеть от неоднородности протоколов связи на вышестоящем уровне.
(3) Уровень адаптации протокола
Уровень адаптации протоколов обеспечивает возможность преобразования протоколов различных уровней расширений восприятия в сигналы передачи данных и управления в едином формате посредством данного уровня. (4) Уровень расширений восприятия
Этот уровень расширяет возможности устройства за счет учета восприятия и включает в себя два подмодуля: отправку сообщений и прием сообщений. Модуль отправки сообщений отвечает за отправку сообщения
Сообщение, преобразованное уровнем формирования информации и понятное конкретному устройству расширения восприятия, отправляется на нижестоящее устройство.
Модуль приёма сообщений принимает сообщения от базового устройства и передаёт их на стандартный уровень формирования сообщений для анализа.
Сеть периферийных устройств сбора данных состоит из устройств сбора данных, в том числе RFID, GPS, систем видеонаблюдения, различных типов датчиков и т. д. Между периферийными устройствами сбора данных поддерживается широкий спектр протоколов связи, что позволяет формировать сети Lonworks, Zigbee и другие различные сети периферийных устройств сбора данных.
Процесс обмена информацией
(1) Конечный пользователь формирует сообщение, соответствующее стандартному формату данных, и отправляет его в модуль приёма сообщений уровня бизнес-сервисов шлюза. (2) Модуль приёма сообщений уровня бизнес-сервисов отправляет стандартные сообщения в модуль анализа сообщений уровня формирования стандартных сообщений.
(3) Модуль анализа сообщений вызывает соответствующую функцию преобразования сообщений для преобразования стандартной информации в сообщения, зависящие от конкретного протокола связи устройства.
(4) Модуль анализа сообщений преобразует сообщение в формат, зависящий от конкретного протокола связи устройства, и передает его модулю отправки сообщений уровня службы расширения восприятия.
(5) Модуль отправки сообщений уровня службы расширения восприятия выбирает подходящий способ передачи и отправляет конкретные сообщения, зависящие от протокола связи устройства, на конкретное базовое устройство.
(6) Базовое устройство выполняет операции по сбору информации на основе определённых сообщений и возвращает результаты модулю приёма сообщений расширенного уровня обслуживания шлюза.
(7) Модуль приёма сообщений уровня службы расширения восприятия шлюза передаёт определённые сообщения, зависящие от протокола связи устройства, в модуль анализа сообщений уровня составления стандартных сообщений.
(8) Модуль анализа сообщений вызывает модуль преобразования информации для преобразования конкретных сообщений, зависящих от протокола связи устройства, в стандартные сообщения. Как видно из рисунка 3, шлюз IoT решает проблему унифицированного управления различными устройствами в сети IoT, позволяет скрыть различия в базовых протоколах связи и избавляет конечных пользователей от необходимости знать конкретные детали связи базовых устройств для управления различными устройствами. Обеспечивается унифицированный доступ к устройствам уровня расширения осведомлённости.
Ключевая технология
При разработке системы шлюза Интернета вещей были реализованы следующие ключевые технологии.
Унификация протоколов взаимодействия программного обеспечения: Концепция проектирования системы шлюзов IoT заключается в модульной реализации различных компонентов программного и аппаратного обеспечения, что значительно упрощает замену модулей для создания различных сетей расширения сенсорных возможностей и обеспечения взаимосвязи с сетями доступа, скрывая различия в коммуникации на нижних уровнях. Аппаратные модули соединены посредством шины UART, а программное обеспечение работает в модульном режиме с возможностью загрузки; общие компоненты абстрагированы в виде общедоступных модулей. Поэтому для поддержки новых модулей агрегации данных и модулей доступа необходимо лишь разработать соответствующие аппаратные модули и драйверы. Кроме того, добавлен унифицированный уровень адаптации протоколов (как показано на рисунке 6): прикладные данные извлекаются единообразно, организуются в соответствии с TLV (тип, длина, значение), а затем пакеты данных инкапсулируются. Таким образом, по сети доступа передаются стандартные IP-пакеты данных, в которых инкапсулированы собранные данные в формате TLV.
Единый преобразование адресов: Различные сети сбора данных используют разные методы адресации, например 16-битные короткие адреса в ZigBee и 64-битные адреса в 6LowPan. В приложении вам нужно лишь иметь возможность находить конкретные узлы. Вам не нужно заботиться о том, используют ли узлы IP-адреса или 16-битные короткие адреса, равно как и о том, использует ли сеть между узлами ZigBee, 6LowPan или другие методы. Преобразование этих адресов в единое представление облегчает разработку приложений. Поэтому в шлюзе реализован механизм сопоставления адресов, который преобразует IP-адрес или 16-битный короткий адрес в единый идентификатор (ID). При взаимодействии с приложением вам нужно обращать внимание только на этот идентификатор — просто ID. Конкретный метод сопоставления может быть построен по принципу накопления, начиная с 1. Когда шлюз получает данные от первого узла, он сопоставляет адрес узла с 1, а впоследствии последовательно прибавляет по 1 и сохраняет эту таблицу сопоставлений в шлюзе. Одновременно используется механизм старения. Если в течение определённого периода времени данные от узла не поступают, сопоставление удаляется.
Унификация интерфейса обмена данными модуля сбора данных: между модулем сбора данных и шлюзом определён набор AT-команд, а узлы объединены в сеть с помощью протокола ZigBee. Интерфейс со шлюзом ориентирован исключительно на определенные команды управления и команды обмена данными для модуля сбора данных и не учитывает конкретный сетевой протокол, что обеспечивает независимость от сетевого протокола.
Управление соотношениями сопоставления данных: Управление соотношениями сопоставления данных при обмене между устройствами в двух или более системах, соединенных через шлюз, то есть адресация в обычном смысле, является очень важным этапом. В данном разделе устройства шины также значительно различаются в зависимости от подключения к шлюзу. Этот шлюз анализирует форматы входных и выходных данных всех возможных модулей, а затем определяет интерфейсы связи, соответствующие каждому модулю.
