定制化智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關開發(fā)需求及問題

隨著公司發(fā)展其物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 戰(zhàn)略，一個明顯的趨勢是需要定制解決方案，包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關組件。在embedded.com 上近的一篇博客中，我將這一趨勢描述為一個跡象，表明該行業(yè)正在從相對簡單的利用網(wǎng)關作為數(shù)據(jù)聚合器（包括基于云的存儲和處理）的實施轉(zhuǎn)向“物聯(lián)網(wǎng) 2.0”領域，其中智能從云端推送到網(wǎng)關和邊緣設備。此外，在這個 IoT 2.0 領域中，安全性得到了更全面的處理，連接性得到了擴展，包括整個網(wǎng)絡中的更多設備，直至企業(yè)。

從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的角度來看，物聯(lián)網(wǎng)2.0意味著云戰(zhàn)略的網(wǎng)關組件需要全面的連接、安全和處理能力。從本質(zhì)上講，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關需要是一種能夠承載和處理多種功能的智能設備。在近的一份“物聯(lián)網(wǎng)和智能網(wǎng)關的市場”中，VDC Research 指出，智能網(wǎng)關部分是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關市場中規(guī)模、增長快的部分（圖 1）。深入了解智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關是本文的重點。

圖 1：智能網(wǎng)關正在 IoT 世界取得令人矚目的進步。（：VDC/Research 2015）

定制化趨勢 
哪些因素促使公司轉(zhuǎn)向定制化網(wǎng)關解決方案？

一個重要因素是連通性。需要在網(wǎng)絡內(nèi)擴展物聯(lián)網(wǎng)范圍，無論是工廠、醫(yī)院還是家中的白色家電，都意味著將現(xiàn)有的舊設備或“棕地”設備與新設備連接起來，這通常會導致需要定制接口。

安全是另一個重要因素。隨著連接性在整個企業(yè)范圍內(nèi)激增，可能會產(chǎn)生更多的攻擊點。當智能處理從云端推送到網(wǎng)關和邊緣設備時，企業(yè)越來越擔心網(wǎng)絡攻擊的風險。這些都是非?，F(xiàn)實的問題，可能會擾亂運營、導致信息被盜，或者更糟的是，造成人員傷害。定制網(wǎng)關解決方案有助于解決特定于公司物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略和實施的威脅概況。

，特定的處理需求驅(qū)動智能網(wǎng)關的定制。這些要求可能包括網(wǎng)絡吞吐量、開源和專有 IP、軟實時與硬實時性能、電源管理、圖形和其他因素。這些因素對處理器的選擇也有重大影響。

毫無疑問，業(yè)務壓力是無情的。因此，網(wǎng)關要求變得越來越復雜，企業(yè)面臨著尋找既能滿足其特定技術需求又能滿足其業(yè)務目標的網(wǎng)關解決方案的重大挑戰(zhàn)。這就是推動物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關定制需求的原因。

自定義連接 
在大多數(shù)情況下，擴大范圍意味著集成新的物聯(lián)網(wǎng)基礎設施，同時考慮棕地部署中的現(xiàn)有設備和基礎設施。例如，在工廠車間，有許多類型的設備，例如控制器、傳感器和執(zhí)行器，它們包括許多不同類型的物理連接選項，包括串行現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線、專有等等。

在 IoT 2.0 之前，構(gòu)建此類拓撲的常見方法是集成一系列現(xiàn)成的路由器、網(wǎng)橋和網(wǎng)關，將所有東西聯(lián)網(wǎng)在一起。不幸的是，這需要設備的激增，更不用說需要更多的基礎設施、多種類型的備件和更多的故障點。顯然，如今更希望使用少數(shù)量的組件實施 IoT 網(wǎng)絡拓撲。構(gòu)建自定義網(wǎng)關是實現(xiàn)此目標的一種方法，如圖 2 所示。

圖 2. 利用定制智能網(wǎng)關的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境能夠簡化網(wǎng)絡拓撲、降低成本并提高運營可靠性。（：Mentor Graphics）

定制連接通常需要硬件和軟件。例如，如果工業(yè)自動化企業(yè)需要在邊緣集成新的 EtherCAT 連接設備，則該企業(yè)可以受益于網(wǎng)關中集成的 EtherCAT 硬件和隨附的軟件堆棧，與傳統(tǒng)接口一起集成。

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解決安全問題 
為您的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡構(gòu)建多少安全性取決于幾個因素，但這一切都始于回答一個基本問題：“我在保護什么，它有什么價值？” 正如您所料，答案可以從很少到全部。在某些情況下，標準網(wǎng)絡安全（SSL 和 HTTPS）、防火墻、加密數(shù)據(jù)庫和校驗和安全可能就足夠了。在其他情況下，企業(yè)可能需要硬件強制執(zhí)行的安全分區(qū)（很像 ARM TrustZone 環(huán)境）、支持證書的身份驗證，或者來自 Icon Labs 等供應商的安全解決方案，它可以檢測邊緣的安全事件并將它們給企業(yè)。安全定制需要綜合分析和研討會，從系統(tǒng)角度定義安全攻擊面，

網(wǎng)關處理要求 
VDC 指出，智能網(wǎng)關基本上是一個強大的應用平臺。

一個重要的嵌入式趨勢是使用多核 SoC。近發(fā)布的 Mentor Graphics 智能網(wǎng)關系統(tǒng)設計套件 (SysDK) 等解決方案基于 NXP i.MX6（基于 ARM Cortex A9）四核處理器。該處理器針對圖形性能進行了優(yōu)化，適用于高性能顯示器、數(shù)字標牌和相關圖形應用程序。一些客戶可能需要基于 NXP LS1021A（基于 ARM Cortex A7）的網(wǎng)關，因為它優(yōu)化了網(wǎng)絡吞吐量。在其他情況下，根據(jù)要求，客戶可能希望使用更復雜的異構(gòu) SoC，例如包含 2x Cortex A15 + 2x Cortex M4 + DSP 的 TI Sitara AM572X。因此，當我們談論智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關時，定制應該發(fā)生在硬件和軟件上。如果客戶需要大量處理能力來進行智能處理，那么具有多個操作系統(tǒng)的四核處理器或一個以 SMP 模式運行的操作系統(tǒng)可能是答案?；蛘邔τ诟镜奶幚恚苍S單個操作系統(tǒng)和單核處理器就足夠了。

對于復雜的 SoC，“安全融合網(wǎng)關”的概念已進入討論范圍。什么是安全融合網(wǎng)關？關于安全，隨著智能從云中轉(zhuǎn)移到邊緣，以及隨著越來越多的私人和潛在公共設備連接到網(wǎng)關，安全問題如何持續(xù)上升。融合的概念意味著在許多行業(yè)中，功能的融合是減少尺寸、重量、功率和成本的一種手段，通常稱為 SWaP-C。

客戶現(xiàn)在正在談論將安全性、專有功能和開源環(huán)境融合到基于日益復雜的 SoC 的更強大的智能網(wǎng)關中。這里不再討論現(xiàn)成的網(wǎng)關，而是定制和構(gòu)建一個充分利用底層硬件并滿足業(yè)務差異化需求的網(wǎng)關。

出于性能原因和知識產(chǎn)權(quán)保護，顯然希望將專有應用程序與基于 Linux 的開源應用程序融合在一起。在某些情況下，公司正在利用異構(gòu)內(nèi)核進行電源管理。一個例子是 TI AM572x，其中耗電的 Cortex A15 內(nèi)核在需要時進入休眠狀態(tài)，而 M4 內(nèi)核執(zhí)行所有必要的功能。

這種復雜的設計還需要一個工具解決方案，使開發(fā)人員能夠從整個系統(tǒng)的角度設計、開發(fā)和調(diào)試異構(gòu)架構(gòu)。Mentor Graphics 多核框架和異構(gòu)解決方案等平臺專為解決這些系統(tǒng)設計復雜性而設計，如圖 3 所示。

圖 3：異構(gòu) SoC 和異構(gòu)操作系統(tǒng)解決方案支持功能強大且定制的“安全融合”網(wǎng)關解決方案。（：Mentor Graphics）

推動網(wǎng)關定制需求的一個因素 
除了已經(jīng)提到的因素之外，一個也是極其重要的因素是降低成本。當客戶購買現(xiàn)成的網(wǎng)關時，會從幾個方面產(chǎn)生成本。首先，網(wǎng)關中很大一部分硬件很可能會閑置。因此，客戶正在為不必要的硬件付費，考慮到數(shù)量時，這些硬件會加起來。此外，如果所需功能不存在，則必須在以后購買和集成更多硬件（例如，用于 802.15.4 網(wǎng)狀連接的適配器），從而增加成本并向系統(tǒng)添加新層。

如今，企業(yè)可以自行設計和構(gòu)建網(wǎng)關，或聯(lián)系合同制造商。定義需求、審查設計、獲取初始樣品、測試和驗證功能以及多次重復重新設計-測試-驗證周期的時間和成本可能會消耗數(shù)個季度，甚至數(shù)年的時間。還必須考慮與操作系統(tǒng)工具、安全性、連接性、電源管理、圖形、啟動機制、處理器間通信 (IPC) 相關的成本和復雜性，等等。

總結(jié) 
隨著企業(yè)在 IoT 2.0 道路上努力，他們需要考慮越來越復雜的要求，但他們也有權(quán)衡的選擇。企業(yè)可以通過三種通用途徑來發(fā)展其物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關戰(zhàn)略：

繼續(xù)集成和利用現(xiàn)成的硬件/軟件解決方案利用現(xiàn)成的硬件，并投資定制的網(wǎng)關軟件定制硬件和軟件

在每種情況下，企業(yè)都必須考慮以下問題：

硬件成本是多少？我是否為不需要的硬件付費？如果我需要定制硬件支持，我有哪些選擇？我是否有能力定制軟件，以在短期和長期內(nèi)充分利用我的硬件？

我們正在進入定制化智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關時代。隨著公司尋求提高業(yè)務成果并在競爭中脫穎而出，顯然需要定制解決方案。這些解決方案必須考慮到棕地安裝、全面連接、端到端安全以及隨著智能和處理從云端推向邊緣的特定要求。顯然，物聯(lián)網(wǎng)供應鏈正朝著這個方向發(fā)展。Mentor Graphics近發(fā)布的智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關 SysDK 等解決方案旨在滿足新興智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的定制需求。