【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和嵌入式設(shè)備的大量研發(fā)部署,在即將到來的5G時(shí)代,海量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和信息交換,這些不斷數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的智能設(shè)備正在被廣泛的應(yīng)用于智能家居、智能物流、智能交通和智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域,具有巨大的商業(yè)價(jià)值。但是,在傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)中,基于存儲(chǔ)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(gè)以云為中心的架構(gòu)模型。在這種單一的云計(jì)算中心式架構(gòu)中,傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)鏈路中的轉(zhuǎn)發(fā)層,功能薄弱,技術(shù)封閉,兼容性較差,難以適應(yīng)5G時(shí)代大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)在垂直細(xì)化領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。因此,為了解決單一云計(jì)算架構(gòu)在支撐大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用時(shí)存在的不足,進(jìn)一步提高物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)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(jì)算技術(shù),重點(diǎn)分析了云霧結(jié)合體系的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用構(gòu)建中的優(yōu)勢(shì),系統(tǒng)研究了云霧結(jié)合體系下可編程網(wǎng)關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)及其應(yīng)用,構(gòu)建了一種基于可編程網(wǎng)關(guān)虛擬化技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network,SDN)技術(shù)的模塊化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速構(gòu)建平臺(tái),詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)架構(gòu)中各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)原理和工作流程,最后通過實(shí)例測(cè)試對(duì)比來驗(yàn)證該系統(tǒng)針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景所開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可靠性和便捷性。本文的具體研究?jī)?nèi)容和貢獻(xiàn)如下:(1)針對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中云計(jì)算中心架構(gòu)中業(yè)務(wù)響應(yīng)過程存在的高時(shí)延和低可靠性問題,本文提出了一種"云計(jì)算-霧處理-終端硬件"由上及下的三層物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)架構(gòu),在該架構(gòu)中,霧處理層主要利用霧計(jì)算技術(shù)來處理時(shí)延敏感型業(yè)務(wù),接收并反饋來自終端硬件層的數(shù)據(jù),同時(shí)主動(dòng)將數(shù)據(jù)上傳至云計(jì)算層進(jìn)行存儲(chǔ)和分析,由云計(jì)算層設(shè)來處理計(jì)算需求量較大,非實(shí)時(shí)的或弱實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù),進(jìn)一步降低響應(yīng)時(shí)延。(2)針對(duì)傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)中網(wǎng)關(guān)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(shù),利用樹莓派3代作為中繼網(wǎng)關(guān)進(jìn)行開發(fā),將硬件實(shí)體的功能虛擬化,在網(wǎng)關(guān)內(nèi)形成一一對(duì)應(yīng)的硬件功能虛擬化模塊(Hardware Function Virtualization,HFV),并部署SDN虛擬交換機(jī),同時(shí)向上提供物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備虛擬化模塊API接口到云計(jì)算層,使得用戶可以調(diào)用API接口池進(jìn)行本地開發(fā),提高該系統(tǒng)的兼容性。(3)針對(duì)可編程網(wǎng)關(guān)在不同使用場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源合理化最優(yōu)分配的問題,本文將SDN,霧計(jì)算,虛擬化等技術(shù)結(jié)合,SDN將控制面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)面分離,實(shí)現(xiàn)有線和無線的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)管理,利用SDN控制器對(duì)分配給各個(gè)虛擬交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源進(jìn)行靈活的集中控制和管理,根據(jù)具體場(chǎng)景動(dòng)態(tài)控制網(wǎng)絡(luò)流量,使得整個(gè)系統(tǒng)的可拓展性和靈活性大大增加。(4)針對(duì)現(xiàn)行物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議繁多,標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一所造成的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(guān)改造成多模網(wǎng)關(guān),采用以太網(wǎng)TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)有線通信,采用Wi-Fi協(xié)議實(shí)現(xiàn)無線近程通信,采用LoRa協(xié)議實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程通信。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景采用最優(yōu)的通信模式,從而達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)兼容性的目的。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN929.5;TP391.44
【圖文】：

API 和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)與更多行業(yè)的不斷融合，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將更加多樣化和智能化。圖2.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用構(gòu)建系統(tǒng)中，所有的原始數(shù)據(jù)都基于存儲(chǔ)和處理的目的進(jìn)行聚合的并流向云端，形成一個(gè)以云為中心的架構(gòu)模型[41]。在這種單一的云計(jì)算中央架構(gòu)中，云端和設(shè)備端之間會(huì)存在難以預(yù)測(cè)的響應(yīng)時(shí)間和不可靠的云連接，會(huì)嚴(yán)重降低業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。隨著 5G 時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)將成為人類日常生活中重要活動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施支柱，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)將會(huì)至關(guān)重要，而物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求[42]。因此，有必要在傳統(tǒng)云計(jì)算核心的中心式架構(gòu)中引入霧計(jì)算，在原有架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)邊緣位置部署霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)，在設(shè)備端和云數(shù)據(jù)中心之間收集、存儲(chǔ)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(gè)框架由上及下可以分為三層：云中心層、霧節(jié)點(diǎn)層以及終端設(shè)備層，霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)位于云計(jì)算中心和終端硬件設(shè)備之間，由具備一定計(jì)算、存儲(chǔ)和資源管理的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成，霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收來自底層終端硬件設(shè)備所上傳的數(shù)據(jù)和信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(luò)上傳至云計(jì)算中心，同時(shí)向下層的終端硬件設(shè)備提供接入網(wǎng)絡(luò)，任務(wù)決策等服務(wù)，并執(zhí)行來自云計(jì)算中心的控制命令。尤其是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(yīng)用，其中比較典型的應(yīng)用場(chǎng)景有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用（Augmented Reality

不需要依賴運(yùn)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(yùn)維和測(cè)試人員可以直接利用這個(gè)容器來部署代碼，真正實(shí)現(xiàn)“一次構(gòu)建，多次交付”。圖2.3 虛擬機(jī)和 Docker 容器實(shí)現(xiàn)技術(shù)框架對(duì)比圖如圖 2.3 所示，通過虛擬機(jī)和 Docker 容器實(shí)現(xiàn)技術(shù)框架對(duì)比可得，與虛擬機(jī)相比，Docker 不需要依賴操作系統(tǒng)（Operating System，OS）才能執(zhí)行應(yīng)用程序，而是通過在宿主機(jī)的核心系統(tǒng)層來打造虛擬執(zhí)行環(huán)境，使用 Docker Engine 進(jìn)行調(diào)度和隔離，多個(gè)容器共享宿主機(jī) OS

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本文編號(hào)：2778718