【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的普及和嵌入式設備的大量研發(fā)部署,在即將到來的5G時代,海量的物聯(lián)網(wǎng)設備能夠通過5G網(wǎng)絡進行通信和信息交換,這些不斷數(shù)字化和網(wǎng)絡化的智能設備正在被廣泛的應用于智能家居、智能物流、智能交通和智能農(nóng)業(yè)等領域,具有巨大的商業(yè)價值。但是,在傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應用架構(gòu)中,基于存儲和處理的目的,所有的原始數(shù)據(jù)是聚合的、流向云端的,形成一個以云為中心的架構(gòu)模型。在這種單一的云計算中心式架構(gòu)中,傳統(tǒng)網(wǎng)關作為數(shù)據(jù)鏈路中的轉(zhuǎn)發(fā)層,功能薄弱,技術封閉,兼容性較差,難以適應5G時代大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)在垂直細化領域的應用和發(fā)展。因此,為了解決單一云計算架構(gòu)在支撐大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應用時存在的不足,進一步提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的功能性和利用率,本文引入了可以有效解決該問題的霧計算技術,重點分析了云霧結(jié)合體系的網(wǎng)絡架構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)應用構(gòu)建中的優(yōu)勢,系統(tǒng)研究了云霧結(jié)合體系下可編程網(wǎng)關技術的特點及其應用,構(gòu)建了一種基于可編程網(wǎng)關虛擬化技術和軟件定義網(wǎng)絡(Software Defined Network,SDN)技術的模塊化物聯(lián)網(wǎng)應用快速構(gòu)建平臺,詳細闡述了該系統(tǒng)架構(gòu)中各個功能模塊的實現(xiàn)原理和工作流程,最后通過實例測試對比來驗證該系統(tǒng)針對不同應用場景所開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應用的可靠性和便捷性。本文的具體研究內(nèi)容和貢獻如下:(1)針對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)中云計算中心架構(gòu)中業(yè)務響應過程存在的高時延和低可靠性問題,本文提出了一種"云計算-霧處理-終端硬件"由上及下的三層物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)架構(gòu),在該架構(gòu)中,霧處理層主要利用霧計算技術來處理時延敏感型業(yè)務,接收并反饋來自終端硬件層的數(shù)據(jù),同時主動將數(shù)據(jù)上傳至云計算層進行存儲和分析,由云計算層設來處理計算需求量較大,非實時的或弱實時的業(yè)務,進一步降低響應時延。(2)針對傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)中網(wǎng)關功能薄弱和底層終端硬件不兼容等問題,本文采用Docker容器虛擬化技術,利用樹莓派3代作為中繼網(wǎng)關進行開發(fā),將硬件實體的功能虛擬化,在網(wǎng)關內(nèi)形成一一對應的硬件功能虛擬化模塊(Hardware Function Virtualization,HFV),并部署SDN虛擬交換機,同時向上提供物聯(lián)網(wǎng)硬件設備虛擬化模塊API接口到云計算層,使得用戶可以調(diào)用API接口池進行本地開發(fā),提高該系統(tǒng)的兼容性。(3)針對可編程網(wǎng)關在不同使用場景下的網(wǎng)絡帶寬資源合理化最優(yōu)分配的問題,本文將SDN,霧計算,虛擬化等技術結(jié)合,SDN將控制面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面分離,實現(xiàn)有線和無線的統(tǒng)一網(wǎng)絡管理,利用SDN控制器對分配給各個虛擬交換機的網(wǎng)絡帶寬資源進行靈活的集中控制和管理,根據(jù)具體場景動態(tài)控制網(wǎng)絡流量,使得整個系統(tǒng)的可拓展性和靈活性大大增加。(4)針對現(xiàn)行物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議繁多,標準不統(tǒng)一所造成的物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)兼容性差的問題,本文采用外置通信模塊的方式,將可編程網(wǎng)關改造成多模網(wǎng)關,采用以太網(wǎng)TCP協(xié)議實現(xiàn)有線通信,采用Wi-Fi協(xié)議實現(xiàn)無線近程通信,采用LoRa協(xié)議實現(xiàn)無線遠程通信。根據(jù)實際應用場景采用最優(yōu)的通信模式,從而達到優(yōu)化系統(tǒng)兼容性的目的。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5;TP391.44
【圖文】：

API 和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術與不同行業(yè)之間的信息協(xié)同和共享，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術與更多行業(yè)的不斷融合，物聯(lián)網(wǎng)應用將更加多樣化和智能化。圖2.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡整體架構(gòu)圖2.2.2 云霧結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應用構(gòu)建系統(tǒng)中，所有的原始數(shù)據(jù)都基于存儲和處理的目的進行聚合的并流向云端，形成一個以云為中心的架構(gòu)模型[41]。在這種單一的云計算中央架構(gòu)中，云端和設備端之間會存在難以預測的響應時間和不可靠的云連接，會嚴重降低業(yè)務的服務質(zhì)量。隨著 5G 時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)將成為人類日常生活中重要活動的基礎設施支柱，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的可靠性和實時響應將會至關重要，而物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀是遠遠不能滿足需求[42]。因此，有必要在傳統(tǒng)云計算核心的中心式架構(gòu)中引入霧計算，在原有架構(gòu)中的網(wǎng)絡邊緣位置部署霧計算節(jié)點，在設備端和云數(shù)據(jù)中心之間收集、存儲和處理數(shù)據(jù)。在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中

[45]。典型的云霧結(jié)合框架如圖 2.2 所示：圖2.2 典型的云霧結(jié)合框架圖整個框架由上及下可以分為三層：云中心層、霧節(jié)點層以及終端設備層，霧計算節(jié)點位于云計算中心和終端硬件設備之間，由具備一定計算、存儲和資源管理的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關組成，霧計算節(jié)點的主要功能是接收來自底層終端硬件設備所上傳的數(shù)據(jù)和信息，對數(shù)據(jù)進行預處理，將處理后的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析結(jié)果通過核心網(wǎng)絡上傳至云計算中心，同時向下層的終端硬件設備提供接入網(wǎng)絡，任務決策等服務，并執(zhí)行來自云計算中心的控制命令。尤其是在物聯(lián)網(wǎng)領域中，云霧結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)框架可以支撐海量更為豐富的應用，其中比較典型的應用場景有增強現(xiàn)實應用（Augmented Reality

不需要依賴運行環(huán)境，開發(fā)人員通過鏡像構(gòu)建好一套開發(fā)容器后，運維和測試人員可以直接利用這個容器來部署代碼，真正實現(xiàn)“一次構(gòu)建，多次交付”。圖2.3 虛擬機和 Docker 容器實現(xiàn)技術框架對比圖如圖 2.3 所示，通過虛擬機和 Docker 容器實現(xiàn)技術框架對比可得，與虛擬機相比，Docker 不需要依賴操作系統(tǒng)（Operating System，OS）才能執(zhí)行應用程序，而是通過在宿主機的核心系統(tǒng)層來打造虛擬執(zhí)行環(huán)境，使用 Docker Engine 進行調(diào)度和隔離，多個容器共享宿主機 OS

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