課程論文:《基于云原生的物聯網端管云系統方案綜述與演進設想》

      網友投稿 1043 2022-05-30

      課程論文:《基于云原生的物聯網端管云系統方案綜述與演進設想》

      前言

      該篇論文是筆者大三的課程論文。該篇論文八千多字,主題是 云原生+物聯網平臺的架構系統方案與演進設想。花了幾天心思,查了很多篇論文,因為自己對物聯網通信的硬件方面不太會,所以還是選擇寫綜述類的論文了,這篇論文感覺技術深度和廣度比我上一篇計算機網絡論文要更加深刻一點。

      文章寫的是基于云原生的物聯網端管云系統的方案綜述,云原生在最近是很火的技術熱點,我對這個關注也很久了,十分的感興趣,于是結合物聯網系統方案進行了論文的描寫。大致截圖如下。截圖后面是正文部分。轉載請說明來處!謝謝。

      《基于云原生的物聯網端管云系統方案綜述與演進設想》

      摘要:隨著信息技術的飛速發展,IT新興技術開始融入到各個行業領域之中,信息多元化、多層次化起來。在互聯網領域如日中天的云原生技術和對于同樣是發展趨勢正盛的物聯網行業已是有機結合起來。本文將探討基于代云原生下的物聯網端管云平臺系統應用方案的現狀。分析研究了將云原生引入物聯網平臺中的設備通信系統架構的挑戰與發展前景。論述了基于云原生下的物聯網領域該如何擁抱如云原生等新興互聯網新型技術進行更好的演進發展與提升產業價值。

      關鍵詞:云原生、物聯網平臺、物聯網通信、系統架構、端管云

      1、引言

      隨著IT技術的飛速發展,云原生技術已然成為下一次IT技術革命風向,且隨著5G技術大規模投入及商用化,各類電信運營商正積極探索推進其IT技術方面的各類技術創新轉型。與此同時,物聯網的飛速發展使得“萬物互聯”不再是一個技術設想,正如華為推出的各類智能終端產品及物聯網工業設備在很大程度上顛覆人們的生活工作方式與社會生產方式。我國的三大通信運營商也正積極的踐行云網融合理念,全面推進“云轉數改”的發展戰略。

      當前,物聯網通信技術已經進入了一個蓬勃發展的階段,同時,云網融合、云邊協同、云上共生的新興技術概念也已融入到物聯網領域中。構建出5G通信物聯網通信系統總體架構,應包括感知層、傳輸層、邊緣計算層、云服務層。云原生技術的飛速發展不僅可以為物聯網領域提供敏捷性基礎設施的同時,也可以為物聯網平臺的可靠性、靈活性、高可用性提供更加便捷的方法。

      云原生的Kubernets容器編排、容器、微服務等技術與物聯網行業深度融合,蓬勃發展,目前已實現在不同行業、不同領域、不同場景的項目落地,如智慧城市、智慧物流、智慧消防、智慧農場等,已在物聯網通信技術和云原生中的云計算等技術的結合下飛速發展,取得了較大的成功實踐。

      物聯網上云成為物聯網領域發展新趨勢,傳統的一張網絡面向所有用戶和設備提供相同功能的服務形式已經不再適用,但向新趨勢的轉型也勢必帶來了許多不可逃避的問題,如海量物聯網設備管理上云面臨復雜且繁瑣的技術挑戰與技術難點、傳統物聯網系統架構過于繁瑣且單一等。

      1.1研究背景與意義

      傳統的物聯網設備接入物聯網平臺應用系統架構單一,且用戶自建系統規模不一致,導致架構承載能力有限,可移植性也不高。隨著5G大數據時代的到來,物聯網設備數量激增,如何讓海量的物聯網設備具備高可靠性、高可用性、高移植性,具備方便且實用的接入網能力,構建更好的人機交互場景,搭建更加智能的服務平臺,提高人員的遠程控制設備能力的解決方案已提上日程。

      傳統物聯網平臺及應用系統框架已經無法滿足大數據時代中的海量物聯網設備,遠遠無法達到“萬物互聯”的愿景與規模,且物聯網通信系統架構也跟云原生體系架構有著異曲同工之處,因此,現在需要一種能夠有機結合云原生技術的物聯網系統架構方案,以此來滿足物聯網平臺中物聯網通信系統架構等高可靠性、高移植性、高可用性、高安全性、高連接性、極低時延的需求。

      1.2 云原生技術特點

      云原生技術概念有兩個,其一是云,其二是在云環境上運行的原生系統。云原生有?IaaS、PaaS 、?SaaS 三種技術架構。云原生顧名思義即土生土長在云上,因此物聯網系統架構設計的時就需充分考慮到系統是在云上運行的。目前,云原生作為新型的技術概念,有四個核心技術要點分別是:容器化、持續交付、DevOps、微服務。

      1.2.1 微服務

      微服務是基于容器技術的軟件架構設計模式,它將系統應用分割為多個獨立的服務,每個服務專注于單一的功能,服務運行在獨立的容器中,服務間相互隔離,采用多種傳輸協議進行通信。相比于以往傳統的單集群服務及其他類型系統架構,云原生架構的主要技術特征主要表現在如下幾個方面:

      ①服務間高內聚,低耦合,易于大型系統的開發和維護。

      ②應用可以拆分部署,便于分階段交付和持續集成。

      ③擴容伸縮簡便,服務能力是彈性伸縮的,按需分配系統資源。

      ④提高容錯率,若系統中存在單個服務因為內存泄漏等原因崩潰終止但不會影響整個應用崩潰。

      ⑤應用開發于版本升級速度快,有灰度開發,不用對全部服務進行重新開發。

      1.2.2 DevOps

      DevOps 是 Development 和 Operations 的組合詞,涵蓋了軟件的開發、測試和交維的全生命周期,開發者能夠及時得到測試和交維階段反饋的問題,并參與到實際的生產環節,能夠大幅提升系統開發效率,降低運維的任務量。

      DevOps 的核心原則是快速流動、快速反饋與持續學習,主要表現為如下幾個方面:

      ①軟件可以輕松實現各種應用的快速開發部署,簡化應用開發者的快速適配應用操作系統、依賴應用環境時的繁瑣開發工作量,有效實現兼容系統底層各類功能異構的快速運行應用環境,開發者因此可更加放心專注應用邏輯的快速開發,提升應用開發工作效率。

      ②提高了系統的運維效率,PaaS 平臺可以帶來應用底層運行環境的高一致性,運維的工作重點從基礎的節點設施轉移到應用軟件本身。

      ③ 為應用提供了灰度發布的能力,在應用測試階段,可以根據地域、工號和登錄時間等信息,靈活選擇一部分用戶參與 新版本應用的測試,并根據測試進度將新版應用的使用范圍逐漸過渡到全體用戶。

      1.2.3 持續交付

      持續交付,是一種企業軟件開發工程的一種開發方法,讓軟件產出交付過程在一個短暫的周期內順利完成,以便于保證企業軟件開發可以非常穩定、持續的運行保持用戶在隨時隨地可以完成發布的運行狀況。其開發目標目的在于能夠讓企業軟件的初始編譯、測試與最后發布過程變得更快更頻繁。這種開發方式可以大大減少開發的前期成本與開發時間,減少開發風險。持續交付的特點主要表現為如下幾個方面:

      ①有效提升持續版本交付發布持續頻率,使它能夠大大加快整個應用程序的版本發布持續時間。

      ②通過持續系統版本調優:通過持續不斷的進行軟件程序版本調整發布會根據不同用戶對軟件應用程序的體驗反饋允許軟件開發者和團隊對其版本進行系統調整,可以使其為應用程序帶來許多更好的軟件用戶體驗反饋。

      ③減低發布風險:持續交付能保證每個發行版本的風險較低。總的來說,持續產品交付主要是通過采用一種持續發布模式代替傳統原有集中式的交付運營模式,從而更快地快速得到長期市場需求反饋,推動持續產品的長期商業價值的充分實現。

      1.2.4 容器化

      容器是一種基于Linux內核的虛擬化技術,可以提供輕量的虛擬化能力,提供進程隔離能力。相較于傳統虛擬機,能夠降低硬件接口虛擬化帶來的復雜性,降低啟動多份操作系統帶來的內存開銷,有效平衡了宿主機資源利用效率與進程隔離之間的關系。容器技術的優勢集中體現在以下四個方面:

      ①輕量化:容器內可以只封裝應用和必要的依賴環境,占用存儲少;

      ②部署快:相比虛擬機小時級的部署速度,容器部署通常數秒就可以完成;

      ③易移植:容器鏡像封裝好之后,可以部署于任意一臺 Linux 主機之上;

      ④彈性伸縮:依托于 Kubernetes、Docker等開源容器編排 管理工具,可以根據容器利用率自動實現容器數量的擴增,提高主機資源利用率。Kubernetes:簡稱K8s,是Google開源的一個用于管理云平臺中多個主機的容器化應用,具備高效可移植性、可拓展性、自動化性,它支持自動化部署、大規模彈性伸縮、應用容器化管理、更高性能的負載均衡。Docker:是 PaaS 提供商 dotCloud 開源的一個基于 LXC 的高級容器引擎,源代碼托管在 Github 上, 基于go語言并遵從Apache2.0協議開源,開發者可以打包他們的應用以及依賴包到一個可移植的容器中,然后發布到任何流行的Linux機器或Windows 機器上,也可以實現虛擬化,容器是完全使用沙箱機制,相互之間不會有任何接口。

      1.3?物聯網端管云平臺特點

      多數物聯網端管云平臺定位為PaaS服務,目的是在物聯網應用和真實設備之間搭建高效、穩定、安全的應用平臺,平臺具有的功能特點如下:

      ①面向終端智能設備,適配多種網絡應用環境和常見的網絡傳輸協議,提供各類硬件終端和軟件終端快速接入方案和設備管理等服務;

      ②面向應用層,提供豐富的API和數據分發能力以滿足各類行業應用系統的開發需求,使物聯網企業可以更加專注于自身應用的開發,而不用將工作重心放在設備接入層的環境搭建上,從而縮短物聯網系統的形成周期,降低企業研發、運營和運維成本。

      ③具備構建“云-網-邊-端”整體架構的物聯網系統能力,該能力能提供設備接入、設備管理、位置定位、遠程升級、數據可視化、人工智能、視頻能力、邊緣計算等能力。

      1.4?本文綜述內容

      海量物聯網通信設備中的數據需要借助云原生、云計算等技術進行計算與分析,才能真正的提高通信設備所記錄的數據價值。基于云計算下的物聯網通信方式的結果返回質量只和圖像視頻流的反饋有關,用戶申請的計算機計算能力正比于云端的計算機集群,理論上是一個僅次于無限大的有限值。

      隨著物聯網通信技術的發展和物聯網設備數量與用戶數量不斷增多,這些數據的存儲和傳輸需要依靠云原生的支持,同時云原生的技術框架能保證物聯網通信系統架構的性能能得到充分的利用,云計算將成為物聯網通信技術發展中的重要環節,同時,物聯網通信技術又可以進一步促進云原生迅速發展。因此,物聯網通信技術與云原生技術的有機結合是未來物聯網端管云系統發展的主要趨勢。

      采用云原生技術架構的物聯網端管云系統可以改變傳統系統的弊端與不足,能滿足海量終端設備穩定可靠、安全便捷的接入物聯網端管云系統,且可以較好的配合物聯網通信系統架構滿足新時代下物聯網智能便捷的系統需求。

      因此,本文將結合NB-IoT 窄帶物聯網設備管理平臺云原生的多活業務實踐方案、5G云邊協同PaaS架構設想、PaaS在內蒙古電信的應用與實踐等方案,綜合論述基于5G大數據時代云原生下的物聯網領域方案特點與演進設想。

      二、綜述方案

      2.1 ?NB-IoT窄帶物聯網設備管理平臺云原生的多活業務實踐方案

      隨著蜂窩物聯網海量連接增長以及云原生技術發展,傳統自建基礎設施及基于 SOA 單體架構的應用平臺設計,在基礎設施敏捷性、災備能力、可擴展性、功能迭代等方面已經無法滿足海量物聯網設備接入的需求。

      而云原生技術可以為物聯網設備統一接入管理的需求提供發展基礎,容器、微服務、敏捷基礎設施以及Kubernetes 容器編排服務都可以為物聯網通信業務或其他業務靈活部署提供了便捷且高效的方法,云原生架構為物聯網設備管理平臺系統的穩定性及業務高可用性保障基礎能力架構。

      結合云原生架構設計思想和云計算多可用區節點的能力,可以構建蜂窩窄帶 NB-IoT 物聯網云原生多活設備管理平臺,滿足海量設備統一接入管理需求。物聯網平臺面向物聯網設備提供接入管理服務,設備傳感器采集數據通過 NB-IoT 窄帶網絡上傳到平臺。隨著設備數量增加,傳統自建基礎設施搭建的單體架構應用平臺面臨以下幾個方面的挑戰與難點:

      ①物聯網通信設備上傳數據的消息并發量持續增長,平臺并發計算處理能力以及業務處理效率面臨巨大的挑戰。

      ②業務持續增長面臨計算資源擴容情況,傳統單體應用架構擴容需要購買物理計算機,并且安裝上架,打通與現存設備網絡,并且納入資源管理,流程時間長,操作復雜。

      ③傳統 SOA 單體應用架構軟件版本隔離性差,業務處理邏輯打包在一起,如果對業務處理漏洞進行補丁修復或者新功能上線升級,需要中斷全平臺業務進行升級,客戶業務感知差。為此,以Docker和Kubernetes容器應用為代表的的云原生技術,可以為解決上述問題打開思路。

      在NB-IoT窄帶物聯網場景下,NB-IoT 設備使用 UDP 協議上傳數據,在平臺內部需要經過負載分發,微服務負責業務邏輯處理并進行及時響應。LVS 負載均衡服務在 OSI 七層模型的網絡層,只進行路由轉發,可以實現萬級 TPS 的消息接入,滿足海量設備高并發接入需求。LVS 與業務處理微服務采用最小連接數原則進行業務均衡分發,微服務運行在 Kubernetes 集群中,可以進行動態伸縮,如果業務量突然有增長,可以增加微服務實例數量,緩解高峰業務壓力;如果業務進入低谷期,可以縮減微服務實例數量,節省計算資源。

      相比于傳統的單體應用架構,云原生微服務技術可以將原有的業務進行邏輯拆分,將一個應用拆分成多個應用實例,不同應用之間通過開放且安全的API接口進行數據傳輸、業務交互。這使得業務邏輯分離,并且業務邏輯處理流程清晰。如果單個微服務出現問題,單個物聯網通信區域出現通信錯誤,可以將該微服務區域停止工作,不會產生更大的影響,對全局其他微服務與物聯網通信設備及區域不會造成損失與影響。這個功能也使得在業務開發中,可以直接單點開發,針對某一區域某一功能進行單個升級維護,極大降低業務邏輯代碼耦合度及服務升級對全部業務和服務的影響程度,極大的提升用戶的體驗感。

      中國電信聯合華為自2017 年起全力推進 NB-IoT 窄帶物聯網平臺的云化商業應用,目前已經應用在燃氣、水務、煙感、路燈等小數據量低頻次通信場景,設備連接規模已經近億。在海量物聯網設備接入場景下,新物聯網設備管理平臺滿足了高并發接入、高可用、彈性擴容、通信能力強等需求。

      2.2??PaaS云原生技術在內蒙古電信的應用與實踐方案

      近年,內蒙古電信CRM、計費系統等性能和訪問量已經接近瓶頸,存儲系統、WEB訪問響應速度及數據檢索、終端設備接入平臺數量已經很難滿足通信應用系統的高增長需求。為此,內蒙古電信IT支撐系統上云結合了主流的PaaS平臺實現更為彈性和迅速的云化應用架構技術,更加高效的搭配物聯網通信系統架構和自動化管理設備應用生命周期等。

      所謂上云實踐,即將內蒙古傳統的IT和物聯網系統從封閉傳統的、垂直集成的IOE系統架構,轉變為開放、水平分層的分布式云化技術架構,整體上采用“平臺+應用”的云化架構,基于通用分布式PaaS技術平臺,構建應用能力中心。

      內蒙古電信在IT支撐系統使用的PaaS云服務應用架構中的關鍵技術有:

      ①使用自研InnoDB分布式數據庫,增強自動切換、高性能讀寫能力,能夠高速處理讀取海量通信數據等問題,并提供健康檢查、備份恢復、彈性擴容等功能。

      ②使用分布式小文件系統,基于HBase、Zookeper研發的分布式文件系統,適用于海量小文件場景下的HDFS處理能力不足的問題,有效減緩了各類通信傳輸數據存儲帶來的內存壓力,提高了信息數據的存儲性能。

      ③使用云原生技術,利用云原生架構中的微服務、DevOps、持續交付、容器化等技術特點,提升服務間高內聚,低耦合,易于后期的開發與維護,同時提升了容錯性,也能實現新應用的快速部署,增強了系統的運維效率,以及支持系統持續調優、輕量化、彈性收縮等等。

      內蒙古電信擁有龐大的互聯網基礎設備,例如運營支撐系統、辦公系統等等,使用PaaS云原生技術架構,按照云原生架構搭建私有PaaS平臺,可以有效提供資源利用率,降低運營成本,助力5G新項目的快速上線等。綜合來說,提升了平臺的高負載特性,優化了開發運維流程,并且利用灰度發布的特點使得系統版本可以做到無感知迅捷切換。

      2.1 云邊協同的5G物聯網PaaS平臺方案

      云邊協同的5G物聯網PaaS平臺架構主要包括中臺交互運營視圖、微服務開放組件、全域組件服務、通用能力、分布式服務開發框架、DevOps、彈性計算平臺。該平臺能向上汲取大數據、AI的陽光雨露,通過構建全域通用、標準統一、云邊協同、靈活拓展的云原生PaaS平臺,賦能業務系統、物聯網系統等。向下充分利用物聯網通信設備的各類基礎設施資源,進行充分的數據利用、數據傳輸等。平臺功能架構圖如圖2所示。

      5G PaaS 平臺支撐云邊協同的端物上云場景案例的智能電網業務將海量用電設備、變電設備升級為邊緣計算終端節點,將電廠、電網中心系統的部分功能下沉、前置到這些節點,采集并直接處理數據,配合節點上的 AI 算法,實時云分析數據,響應用戶,回饋結果。這種云邊協同的架構提高了電網響應速度,減輕了中心壓力,實現了更快、更廣和更加智能的智能電網。智能電網?端物云網絡架構、云邊協同的5G物聯網PaaS平臺方案框架如圖3所示。

      圖2 云邊協同的5G物聯網PaaS平臺架構

      圖3 智能電網-端物云網絡架構

      三、方案綜述總結

      隨著科技的飛速發展,物聯上云已成為大趨勢,上述提供的三類方案在不同的場景使用的方式略有不同,但都包含了云原生的核心思想,如在核心網云化平臺上構建統一的PaaS能力,將業務層通用能力以組件或者通用API的形式沉淀至相對獨立的PaaS層。為業務提供開放、簡單的運行環境。基于云原生的功能組件化,通過微服務架構,為上層應用提供包含通用業務即服務(aPaaS)、通用技術即服務(iPaaS)等統一PaaS平臺能力。

      對于NB-IoT 窄帶物聯網設備管理平臺云原生的多活業務實踐方案,通過云原生技術融合創新,持續優化 NB-IoT 終端低時延、低功耗、大連接接入,充分發揮物聯網平臺在推動數字經濟發展、賦能傳統產業轉型升級等方面的重要作用,為推進物聯網各類新型基礎通信設施建設做出重要貢獻。

      對于云邊協同的5G物聯網PaaS平臺方案,邊緣計算作為 5G 演進的關鍵能力,在更靠近客戶的移動網絡邊緣提供網絡、計算和 IT 服務環境和能力,具備超低時延、超大帶寬、本地化、高實時性分析處理等特點。這些需要 PaaS 平臺在支撐云計算架構的基礎上提供邊緣應用開發框架、邊緣應用部署、邊緣資源調度、邊緣任務調度、邊緣設備信息采集和指令下發等支撐。

      對于PaaS 云原生在內蒙古電信的應用與實踐,則是很好地利用了云原生的特性對傳統產業的優化與更改,采用 “平臺+應用”全新 IT 架構,集合大數據、虛擬化等前沿技術,完成了對現有平臺的技術升級。

      四、結論與未來展望

      云原生技術和物聯網的結合可以帶來許多里程碑式的變革,物聯網開放平臺的可拓展性、承載容量將極大提升,平臺系統架構可以依托云原生實現彈性伸縮容量,多節點分布,滿足多地域、海量設備接入的需求。

      現在的新型物聯網平臺也多數是云網結合的,例如OneNet平臺,基于云原生的物聯網平臺,對外可以依托大數據注智,實現彈性伸縮按需分配,實現為用戶經營賦能,去渠道管理賦能,為客戶體驗賦能,更大幅度的提升市場收益,突破業務瓶頸,對內可以簡化開發人員的工作量,提升平臺高負載性,做到版本無感知切換等。

      這些趨勢都和云有關,核心在于讓云來提供更多、更廣、更全的支撐能力,讓云來承擔更多的職責,提供更高抽象、適用更多場景,從而減少主體系統應用負擔實現應用極度輕量化,讓物聯網通信能夠只專注于數據的采集與檢測傳輸等,讓物聯網端管云系統更加輕便,更加容易上手。最終實現讓應用專注于業務方面的戰略目標與演進設想,用戶只需要在云的基礎上享受云原生與物聯網端管云平臺結合帶來的強大功能與便捷。

      未來基于云原生的物聯網平臺發展演進構想如下:

      物聯網設備管理平臺異地多節點:物聯網各類終端設備是在全國范圍內鋪開使用,客戶要求可以通過單點的方式實現對全國業務管理,平臺的分布式節點必然有需求,同時涉及到多節點之間的數據同步,即多個區域之間業務節點活躍的技術實現,未來需要進行更多新技術需要滿足該業務場景需求。

      數據共享機制:云原生數據庫僅開放 API 接口提供服務,如果存在大量數據需要進行多站點之間備份,通過 API 接口的方式,勢必對 PaaS 服務的計算能力產生影響,因此如何平衡好PaaS 服務和客戶業務需求之間關系,是未來發展道路上需要重點解決的問題。

      函數式計算FaaS:即函數即服務,在微服務基礎上進一步進行更細粒度的計算拆分,這種方式可以實現計算能力隨時啟用和銷毀,且業務邏輯簡單,用戶只需要做好某一個業務邏輯的規劃,在 FaaS 平臺上可以進行簡單的函數編寫,即可運行起來一個應用程序,不需要深厚的代碼編寫能力。這對于個人用戶群體極為的便捷,大大提升了體驗感與操作性。

      各類環節中的數據隱私安全問題等亦是物聯網云化過程中的重中之重,通過什么方式進行數據保護,如數據加密、傳輸加密、存儲加密方式等,是其發展演進道路上不可避免的問題。

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