课程论文:《基于云原生的物联网端管云系统方案综述与演进设想》

bdi洲 发表于 2022/05/15 22:08:08 2022/05/15
【摘要】 随着信息技术的飞速发展,IT新兴技术开始融入到各个行业领域之中,信息多元化、多层次化起来。在互联网领域如日中天的云原生技术和对于同样是发展趋势正盛的物联网行业已是有机结合起来。本文将探讨基于代云原生下的物联网端管云平台系统应用方案的现状。分析研究了将云原生引入物联网平台中的设备通信系统架构的挑战与发展前景。论述了基于云原生下的物联网领域该如何拥抱如云原生等新兴互联网新型技术进行更好的演进发展与提升

前言

该篇论文是笔者大三的课程论文。该篇论文八千多字,主题是 云原生+物联网平台的架构系统方案与演进设想。花了几天心思,查了很多篇论文,因为自己对物联网通信的硬件方面不太会,所以还是选择写综述类的论文了,这篇论文感觉技术深度和广度比我上一篇计算机网络论文要更加深刻一点。

文章写的是基于云原生的物联网端管云系统的方案综述,云原生在最近是很火的技术热点,我对这个关注也很久了,十分的感兴趣,于是结合物联网系统方案进行了论文的描写。大致截图如下。截图后面是正文部分。转载请说明来处!谢谢。


《基于云原生的物联网端管云系统方案综述与演进设想》

摘要:随着信息技术的飞速发展,IT新兴技术开始融入到各个行业领域之中,信息多元化、多层次化起来。在互联网领域如日中天的云原生技术和对于同样是发展趋势正盛的物联网行业已是有机结合起来。本文将探讨基于代云原生下的物联网端管云平台系统应用方案的现状。分析研究了将云原生引入物联网平台中的设备通信系统架构的挑战与发展前景。论述了基于云原生下的物联网领域该如何拥抱如云原生等新兴互联网新型技术进行更好的演进发展与提升产业价值。

关键词云原生、物联网平台、物联网通信、系统架构、端管云

1、引言

  随着IT技术的飞速发展,云原生技术已然成为下一次IT技术革命风向,且随着5G技术大规模投入及商用化,各类电信运营商正积极探索推进其IT技术方面的各类技术创新转型。与此同时,物联网的飞速发展使得“万物互联”不再是一个技术设想,正如华为推出的各类智能终端产品及物联网工业设备在很大程度上颠覆人们的生活工作方式与社会生产方式。我国的三大通信运营商也正积极的践行云网融合理念,全面推进“云转数改”的发展战略。

  当前,物联网通信技术已经进入了一个蓬勃发展的阶段,同时,云网融合、云边协同、云上共生的新兴技术概念也已融入到物联网领域中。构建出5G通信物联网通信系统总体架构,应包括感知层、传输层、边缘计算层、云服务层。云原生技术的飞速发展不仅可以为物联网领域提供敏捷性基础设施的同时,也可以为物联网平台的可靠性、灵活性、高可用性提供更加便捷的方法。

  云原生的Kubernets容器编排、容器、微服务等技术与物联网行业深度融合,蓬勃发展,目前已实现在不同行业、不同领域、不同场景的项目落地,如智慧城市、智慧物流、智慧消防、智慧农场等,已在物联网通信技术和云原生中的云计算等技术的结合下飞速发展,取得了较大的成功实践。

  物联网上云成为物联网领域发展新趋势,传统的一张网络面向所有用户和设备提供相同功能的服务形式已经不再适用,但向新趋势的转型也势必带来了许多不可逃避的问题,如海量物联网设备管理上云面临复杂且繁琐的技术挑战与技术难点、传统物联网系统架构过于繁琐且单一等。

1.1研究背景与意义

  传统的物联网设备接入物联网平台应用系统架构单一,且用户自建系统规模不一致,导致架构承载能力有限,可移植性也不高。随着5G大数据时代的到来,物联网设备数量激增,如何让海量的物联网设备具备高可靠性、高可用性、高移植性,具备方便且实用的接入网能力,构建更好的人机交互场景,搭建更加智能的服务平台,提高人员的远程控制设备能力的解决方案已提上日程。

  传统物联网平台及应用系统框架已经无法满足大数据时代中的海量物联网设备,远远无法达到“万物互联”的愿景与规模,且物联网通信系统架构也跟云原生体系架构有着异曲同工之处,因此,现在需要一种能够有机结合云原生技术的物联网系统架构方案,以此来满足物联网平台中物联网通信系统架构等高可靠性、高移植性、高可用性、高安全性、高连接性、极低时延的需求。

1.2 云原生技术特点

  云原生技术概念有两个其一是云,其二是在云环境上运行的原生系统。云原生有 IaaSPaaS  SaaS 三种技术架构。原生顾名思义即土生土长在云上因此物联网系统架构设计的时就需充分考虑到系统上运行的。目前,云原生作为新型的技术概念有四个核心技术要点分别是:容器化、持续交付、DevOps、微服务。

1.2.1 微服务

  微服务是基于容器技术的软件架构设计模式,系统应用分割为多个独立的服务,每个服务专注于单一的功能,服务运行在独立的容器中,服务间相互隔离,采用多种传输协议进行通信。相比于以往传统的单集群服务及其他类型系统架构原生架构的主要技术特征主要表现在如下几个方面:

服务间高内聚,低耦合,易于大型系统的开发和维护。

应用可以拆分部署,便于分阶段交付和持续集成。

扩容伸缩简便,服务能力弹性伸缩,按需分配系统资源

提高容错若系统中存在单个服务因内存泄漏等原因崩溃终止但不会影响整个应用崩溃。

应用开发于版本升级速度快,有灰度开发,全部服务进行重新开发。

1.2.2 DevOps

  DevOps Development Operations 的组合词,涵盖了软件的开发、测试和交维的全生命周期,开发能够及时得到测试和交维阶段反馈的问题,并参与到实际的生产环节,能够大幅提升系统开发效率,降低运维的任务量

  DevOps 的核心原则是快速流动、快速反馈与持续学习,主要表现为如下几个方面

  ①软件可以轻松实现各种应用的快速开发部署简化应用开发者的快速适配应用操作系统、依赖应用环境时的繁琐开发工作量,有效实现兼容系统底层各类功能异构的快速运行应用环境开发者因此可更加放心专注应用逻辑的快速开发提升应用开发工作效率。

  ②提高了系统的运维效率,PaaS 平台可以带来应用底层运行环境的高一致性,运维的工作重点从基础的节点设施转移到应用软件本身。

  ③ 为应用提供了灰度发布的能力,在应用测试阶段,可以根据地域、工号和登录时间等信息,灵活选择一部分用户参与 新版本应用的测试,并根据测试进度将新版应用的使用范围逐渐过渡到全体用户。

1.2.3 持续交付

  持续交付,是一种企业软件开发工程的一种开发方法让软件产出交付过程在一个短暂的周期内顺利完成以便于保证企业软件开发可以非常稳定、持续的运行保持用户在随时随地可以完成发布的运行状况。其开发目标目的在于能够让企业软件的初始编译、测试与最后发布过程变得更快更频繁。这种开发方式可以大大减少开发的前期成本与开发时间减少开发风险。持续交付的特点主要表现为如下几个方面

有效提升持续版本交付发布持续频率,使它能够大大加快整个应用程序的版本发布持续时间

通过持续系统版本调优通过持续不断的进行软件程序版本调整发布会根据不同用户对软件应用程序的体验反馈允许软件开发者和团队对其版本进行系统调整可以使其为应用程序带来许多更好的软件用户体验反馈。

减低发布风险:持续交付能保证每个发行版本的风险较低。总的来说持续产品交付主要是通过采用一种持续发布模式代替传统原有集中式的交付运营模式从而更快地快速得到长期市场需求反馈推动持续产品的长期商业价值的充分实现。

1.2.4 容器化

  容器是一种基于Linux内核的虚拟化技术,可以提供轻量的虚拟化能力,提供进程隔离能力。相较于传统虚拟机,能够降低硬件接口虚拟化带来的复杂性,降低启动多份操作系统带来的内存开销,有效平衡了宿主机资源利用效率与进程隔离之间的关系。容器技术的优势集中体现在以下四个方面:

轻量化:容器内可以只封装应用和必要的依赖环境,占用存储少;

部署快:相比虚拟机小时级的部署速度,容器部署通常数秒就可以完成;

易移植:容器镜像封装好之后,可以部署于任意一台 Linux 主机之上;

弹性伸缩:依托于 KubernetesDocker等开源容器编排 管理工具,可以根据容器利用率自动实现容器数量的扩增,提高主机资源利用率。Kubernetes:简称K8s,是Google开源的一个用于管理云平台中多个主机的容器化应用,具备高效可移植性、可拓展性、自动化性,它支持自动化部署、大规模弹性伸缩、应用容器化管理、更高性能的负载均衡。Docker:是 PaaS 提供商 dotCloud 开源的一个基于 LXC 的高级容器引擎,源代码托管在 Github , 基于go语言并遵从Apache2.0协议开源,开发者可以打包他们的应用以及依赖包到一个可移植的容器中,然后发布到任何流行的Linux机器或Windows 机器上,也可以实现虚拟化,容器是完全使用沙箱机制,相互之间不会有任何接口。

1.3 物联网端管云平台特点

  多数物联网端管云平台定位为PaaS服务,目的是在物联网应用和真实设备之间搭建高效、稳定、安全的应用平台,平台具有的功能特点如下:

①面向终端智能设备,适配多种网络应用环境和常见的网络传输协议,提供各类硬件终端和软件终端快速接入方案和设备管理等服务;

②面向应用层,提供丰富的API和数据分发能力以满足各类行业应用系统的开发需求,使物联网企业可以更加专注于自身应用的开发,而不用将工作重心放在设备接入层的环境搭建上,从而缩短物联网系统的形成周期,降低企业研发、运营和运维成本。

③具备构建“云-网-边-端”整体架构的物联网系统能力,该能力能提供设备接入、设备管理、位置定位、远程升级、数据可视化、人工智能、视频能力、边缘计算等能力。

1.4 本文综述内容

  海量物联网通信设备中的数据需要借助云原生、云计算等技术进行计算与分析,才能真正的提高通信设备所记录的数据价值。基于云计算下的物联网通信方式的结果返回质量只和图像视频流的反馈有关,用户申请的计算机计算能力正比于云端的计算机集群,理论上是一个仅次于无限大的有限值。

  随着物联网通信技术的发展和物联网设备数量与用户数量不断增多,这些数据的存储和传输需要依靠云原生的支持,同时云原生的技术框架能保证物联网通信系统架构的性能能得到充分的利用,云计算将成为物联网通信技术发展中的重要环节,同时,物联网通信技术又可以进一步促进云原生迅速发展。因此,物联网通信技术与云原生技术的有机结合是未来物联网端管云系统发展的主要趋势。

  采用云原生技术架构的物联网端管云系统可以改变传统系统的弊端与不足,能满足海量终端设备稳定可靠、安全便捷的接入物联网端管云系统,且可以较好的配合物联网通信系统架构满足新时代下物联网智能便捷的系统需求。

  因此,本文将结合NB-IoT 窄带物联网设备管理平台云原生的多活业务实践方案、5G云边协同PaaS架构设想、PaaS在内蒙古电信的应用与实践等方案,综合论述基于5G大数据时代云原生下的物联网领域方案特点与演进设想。

二、综述方案

2.1  NB-IoT窄带物联网设备管理平台云原生的多活业务实践方案

  随着蜂窝物联网海量连接增长以及云原生技术发展,传统自建基础设施及基于 SOA 单体架构的应用平台设计,在基础设施敏捷性、灾备能力、可扩展性、功能迭代等方面已经无法满足海量物联网设备接入的需求。

  而云原生技术可以为物联网设备统一接入管理的需求提供发展基础,容器、微服务、敏捷基础设施以及Kubernetes 容器编排服务都可以为物联网通信业务或其他业务灵活部署提供了便捷且高效的方法,云原生架构为物联网设备管理平台系统的稳定性及业务高可用性保障基础能力架构。

  结合云原生架构设计思想和云计算多可用区节点的能力,可以构建蜂窝窄带 NB-IoT 物联网云原生多活设备管理平台,满足海量设备统一接入管理需求。物联网平台面向物联网设备提供接入管理服务,设备传感器采集数据通过 NB-IoT 窄带网络上传到平台。随着设备数量增加,传统自建基础设施搭建的单体架构应用平台面临以下几个方面的挑战与难点:

①物联网通信设备上传数据的消息并发量持续增长,平台并发计算处理能力以及业务处理效率面临巨大的挑战。

②业务持续增长面临计算资源扩容情况,传统单体应用架构扩容需要购买物理计算机,并且安装上架,打通与现存设备网络,并且纳入资源管理,流程时间长,操作复杂。

③传统 SOA 单体应用架构软件版本隔离性差,业务处理逻辑打包在一起,如果对业务处理漏洞进行补丁修复或者新功能上线升级,需要中断全平台业务进行升级,客户业务感知差。为此,以Docker和Kubernetes容器应用为代表的的云原生技术,可以为解决上述问题打开思路。

  在NB-IoT窄带物联网场景下,NB-IoT 设备使用 UDP 协议上传数据,在平台内部需要经过负载分发,微服务负责业务逻辑处理并进行及时响应。LVS 负载均衡服务在 OSI 七层模型的网络层,只进行路由转发,可以实现万级 TPS 的消息接入,满足海量设备高并发接入需求。LVS 与业务处理微服务采用最小连接数原则进行业务均衡分发,微服务运行在 Kubernetes 集群中,可以进行动态伸缩,如果业务量突然有增长,可以增加微服务实例数量,缓解高峰业务压力;如果业务进入低谷期,可以缩减微服务实例数量,节省计算资源。

  相比于传统的单体应用架构,云原生微服务技术可以将原有的业务进行逻辑拆分,将一个应用拆分成多个应用实例,不同应用之间通过开放且安全的API接口进行数据传输、业务交互。这使得业务逻辑分离,并且业务逻辑处理流程清晰。如果单个微服务出现问题,单个物联网通信区域出现通信错误,可以将该微服务区域停止工作,不会产生更大的影响,对全局其他微服务与物联网通信设备及区域不会造成损失与影响。这个功能也使得在业务开发中,可以直接单点开发,针对某一区域某一功能进行单个升级维护,极大降低业务逻辑代码耦合度及服务升级对全部业务和服务的影响程度,极大的提升用户的体验感。

  中国电信联合华为自2017 年起全力推进 NB-IoT 窄带物联网平台的云化商业应用,目前已经应用在燃气、水务、烟感、路灯等小数据量低频次通信场景,设备连接规模已经近亿。在海量物联网设备接入场景下,新物联网设备管理平台满足了高并发接入、高可用、弹性扩容、通信能力强等需求。

2.2  PaaS云原生技术在内蒙古电信的应用与实践方案

  近年,内蒙古电信CRM、计费系统等性能和访问量已经接近瓶颈,存储系统、WEB访问响应速度及数据检索、终端设备接入平台数量已经很难满足通信应用系统的高增长需求。为此,内蒙古电信IT支撑系统上云结合了主流的PaaS平台实现更为弹性和迅速的云化应用架构技术,更加高效的搭配物联网通信系统架构和自动化管理设备应用生命周期等。

  所谓上云实践,即将内蒙古传统的IT和物联网系统从封闭传统的、垂直集成的IOE系统架构,转变为开放、水平分层的分布式云化技术架构,整体上采用“平台+应用”的云化架构,基于通用分布式PaaS技术平台,构建应用能力中心。

  内蒙古电信在IT支撑系统使用的PaaS云服务应用架构中的关键技术有:

①使用自研InnoDB分布式数据库,增强自动切换、高性能读写能力,能够高速处理读取海量通信数据等问题,并提供健康检查、备份恢复、弹性扩容等功能。

②使用分布式小文件系统,基于HBaseZookeper研发的分布式文件系统,适用于海量小文件场景下的HDFS处理能力不足的问题,有效减缓了各类通信传输数据存储带来的内存压力,提高了信息数据的存储性能。

③使用云原生技术,利用云原生架构中的微服务、DevOps、持续交付、容器化等技术特点,提升服务间高内聚,低耦合,易于后期的开发与维护,同时提升了容错性,也能实现新应用的快速部署,增强了系统的运维效率,以及支持系统持续调优、轻量化、弹性收缩等等。

  内蒙古电信拥有庞大的互联网基础设备,例如运营支撑系统、办公系统等等,使用PaaS云原生技术架构,按照云原生架构搭建私有PaaS平台,可以有效提供资源利用率,降低运营成本,助力5G新项目的快速上线等。综合来说,提升了平台的高负载特性,优化了开发运维流程,并且利用灰度发布的特点使得系统版本可以做到无感知迅捷切换。

2.1 云边协同的5G物联网PaaS平台方案

  云边协同的5G物联网PaaS平台架构主要包括中台交互运营视图、微服务开放组件、全域组件服务、通用能力、分布式服务开发框架、DevOps、弹性计算平台。该平台能向上汲取大数据、AI的阳光雨露,通过构建全域通用、标准统一、云边协同、灵活拓展的云原生PaaS平台,赋能业务系统、物联网系统等。向下充分利用物联网通信设备的各类基础设施资源,进行充分的数据利用、数据传输等。平台功能架构图如图2所示。

  5G PaaS 平台支撑云边协同的端物上云场景案例智能电网业务将海量用电设备、变电设备升级为边缘计算终端节点,将电厂、电网中心系统的部分功能下沉、前置到这些节点,采集并直接处理数据,配合节点上的 AI 算法,实时分析数据,响应用户,回馈结果。这种云边协同的架构提高了电网响应速度,减轻了中心压力,实现了更快、更广和更加智能的智能电网。智能电网端物云网络架构、云边协同的5G物联网PaaS平台方案框架如图3所示。

 

2 云边协同的5G物联网PaaS平台架构

 

3 智能电网-端物云网络架构

三、方案综述总结

  随着科技的飞速发展,物联上云已成为大趋势,上述提供的三类方案在不同的场景使用的方式略有不同,但都包含了云原生的核心思想,如在核心网云化平台上构建统一的PaaS能力,将业务层通用能力以组件或者通用API的形式沉淀至相对独立的PaaS层。为业务提供开放、简单的运行环境。基于云原生的功能组件化,通过微服务架构,为上层应用提供包含通用业务即服务(aPaaS)、通用技术即服务(iPaaS)等统一PaaS平台能力。

  对于NB-IoT 窄带物联网设备管理平台云原生的多活业务实践方案,通过云原生技术融合创新,持续优化 NB-IoT 终端低时延、低功耗、大连接接入,充分发挥物联网平台在推动数字经济发展、赋能传统产业转型升级等方面的重要作用,为推进物联网各类新型基础通信设施建设做出重要贡献。

  对于云边协同的5G物联网PaaS平台方案,边缘计算作为 5G 演进的关键能力,在更靠近客户的移动网络边缘提供网络、计算和 IT 服务环境和能力,具备超低时延、超大带宽、本地化、高实时性分析处理等特点。这些需要 PaaS 平台在支撑云计算架构的基础上提供边缘应用开发框架、边缘应用部署、边缘资源调度、边缘任务调度、边缘设备信息采集和指令下发等支撑。

  对于PaaS 云原生在内蒙古电信的应用与实践,则是很好地利用了云原生的特性对传统产业的优化与更改,采用 “平台+应用”全新 IT 架构,集合大数据、虚拟化等前沿技术,完成了对现有平台的技术升级。

四、结论与未来展望

  云原生技术和物联网的结合可以带来许多里程碑式的变革,物联网开放平台的可拓展性、承载容量将极大提升,平台系统架构可以依托云原生实现弹性伸缩容量,多节点分布,满足多地域、海量设备接入的需求。

 现在的新型物联网平台也多数是云网结合的,例如OneNet平台,基于云原生的物联网平台,对外可以依托大数据注智,实现弹性伸缩按需分配,实现为用户经营赋能,去渠道管理赋能,为客户体验赋能,更大幅度的提升市场收益,突破业务瓶颈,对内可以简化开发人员的工作量,提升平台高负载性,做到版本无感知切换等。

  这些趋势都和云有关,核心在于让云来提供更多、更广、更全的支撑能力,让云来承担更多的职责,提供更高抽象、适用更多场景,从而减少主体系统应用负担实现应用极度轻量化,让物联网通信能够只专注于数据的采集与检测传输等,让物联网端管云系统更加轻便,更加容易上手。最终实现让应用专注于业务方面的战略目标与演进设想,用户只需要在云的基础上享受云原生与物联网端管云平台结合带来的强大功能与便捷。

  未来基于云原生的物联网平台发展演进构想如下:

  • 物联网设备管理平台异地多节点:物联网各类终端设备是在全国范围内铺开使用,客户要求可以通过单点的方式实现对全国业务管理,平台的分布式节点必然有需求,同时涉及到多节点之间的数据同步,即多个区域之间业务节点活跃的技术实现,未来需要进行更多新技术需要满足该业务场景需求。
  • 数据共享机制:云原生数据库仅开放 API 接口提供服务,如果存在大量数据需要进行多站点之间备份,通过 API 接口的方式,势必对 PaaS 服务的计算能力产生影响,因此如何平衡好PaaS 服务和客户业务需求之间关系,是未来发展道路上需要重点解决的问题。
  • 函数式计算FaaS:即函数即服务,在微服务基础上进一步进行更细粒度的计算拆分,这种方式可以实现计算能力随时启用和销毁,且业务逻辑简单,用户只需要做好某一个业务逻辑的规划,在 FaaS 平台上可以进行简单的函数编写,即可运行起来一个应用程序,不需要深厚的代码编写能力。这对于个人用户群体极为的便捷,大大提升了体验感与操作性。
  • 各类环节中的数据隐私安全问题等亦是物联网云化过程中的重中之重,通过什么方式进行数据保护,如数据加密、传输加密、存储加密方式等,是其发展演进道路上不可避免的问题。

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