基于服務端共享數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)絡信息流架構(gòu)設計

【摘? 要】物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)對于終端設備的信息采集與數(shù)據(jù)處理具有重要的作用，而信息流組織架構(gòu)設計對于數(shù)據(jù)的采集和使用起決定性作用，工業(yè)應用具有及時，高效等特點，合理的信息流組織架構(gòu)不僅能夠節(jié)約網(wǎng)絡資源，而且對于設備采集端的負載均衡具有重要作用。本文設計一種基于服務端共享數(shù)據(jù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣信息流組織架構(gòu)，該信息流架構(gòu)能夠很好的滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣設備管理的多客戶端并發(fā)訪問，減少了對網(wǎng)關(guān)的重復查詢，解決了網(wǎng)絡擁塞問題，提高了客戶端的訪問效率，服務端作為設備管理系統(tǒng)最重要的組件，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，具備為上層系統(tǒng)提供服務的能力。

【關(guān)鍵詞】信息采集;網(wǎng)關(guān);信息流架構(gòu);服務端;共享數(shù)據(jù)

引言

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知網(wǎng)絡與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的紐帶，作為網(wǎng)關(guān)設備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡，以及不同類型感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)。此外物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還需要具備設備管理功能，運營商通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設備可以管理底層的各感知節(jié)點，了解各節(jié)點的相關(guān)信息，并實現(xiàn)遠程控制。對于集約化程度較高的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)的私密性關(guān)乎行業(yè)的發(fā)展，大多數(shù)企業(yè)選擇邊緣服務器作為設備管理服務端，通過無線熱點的方式組建私有網(wǎng)絡，實現(xiàn)設備的監(jiān)控與數(shù)據(jù)的共享。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)能夠提供標準協(xié)議，供終端設備與上層系統(tǒng)通訊，包括設備參數(shù)的讀取與參數(shù)的修改。對于多客戶端參數(shù)的讀取，傳統(tǒng)的處理方式為，客戶端向網(wǎng)關(guān)請求參數(shù)，網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)命令，查詢終端設備，然后返回查詢結(jié)果。當多客戶端同時請求設備參數(shù)時，會增加網(wǎng)絡傳輸和網(wǎng)關(guān)負載，導致查詢的阻塞。

針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)多客戶端查詢效率低下的問題，本文提出一種基于服務端共享數(shù)據(jù)的邊緣信息流組織架構(gòu)，利用網(wǎng)關(guān)的推送機制與服務端的共享內(nèi)存機制，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡的信息流組織結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通路的搭建，保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定、及時、有效傳輸?shù)耐瑫r，增加了物聯(lián)網(wǎng)絡中終端設備與客戶端的擴展能力，有效提高了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理效率。

1.信息流組織架構(gòu)

1.1現(xiàn)狀

服務端是上層系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集與存儲的重要組件，向下與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通信，收集網(wǎng)關(guān)查詢的設備參數(shù)，向上與客戶端通信，為用戶客戶端提供數(shù)據(jù)來源。現(xiàn)有信息流架構(gòu)為：客戶端請求設備數(shù)據(jù)，需要先發(fā)送請求給服務器，然后服務器轉(zhuǎn)發(fā)請求給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再查詢機器數(shù)據(jù)，查詢請求信息流如圖1所示。

此信息流會存在以下問題，隨著客戶端訪問量的增加，服務端軟件要求越來越高，單一的數(shù)據(jù)通路已不能滿足多個客戶端并發(fā)訪問的要求，當多客戶端同時查詢同一臺設備，服務器與網(wǎng)關(guān)都需要轉(zhuǎn)發(fā)請求命令，致使網(wǎng)關(guān)重復查詢，負載增大，此模式增加了客戶端與設備層的耦合度。

1.2處理過程

將網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)收集裝置，定時輪詢所連接的設備，并將輪詢結(jié)果主動推送給服務端，當客戶端向服務端發(fā)起訪問請求時，服務端無需再下發(fā)請求至網(wǎng)關(guān)，而是可以直接從共享數(shù)據(jù)區(qū)獲取數(shù)據(jù)，減少了服務端對網(wǎng)關(guān)的重復查詢，解決了網(wǎng)絡擁塞問題。

由圖2看出，網(wǎng)關(guān)的定時輪詢機制和主動推送機制保證了服務端每時每刻都提供更新后的數(shù)據(jù)，因此，當客戶端向服務端發(fā)起查詢請求時，服務端能夠直接從數(shù)據(jù)共享區(qū)獲取請求結(jié)果，而無需再向網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)請求，特別是當多客戶端同時向服務端發(fā)送請求時，此信息流架構(gòu)能夠很好的解決網(wǎng)絡擁塞問題。

2.實驗結(jié)果及分析

2.1實驗準備

實驗選用Win10系統(tǒng)，用C#編寫服務端和客戶端程序，將多個客戶端分別安裝于不同虛擬機下，分別使用傳統(tǒng)信息流架構(gòu)與改進的信息流架構(gòu)進行網(wǎng)絡負載實驗。

2.2 實驗結(jié)果及分析

多個客戶端分別在兩種不同策略的算法下的時間開銷T（ms）如表1所示。

由實驗結(jié)果可以得出，當客戶端數(shù)量較少時，兩種信息流架構(gòu)的時間開銷沒有明顯差別，但是隨著客戶端數(shù)量的增加，傳統(tǒng)信息流架構(gòu)的系統(tǒng)請求時間開銷會呈線性增加，而改進后信息流架構(gòu)的系統(tǒng)請求時間開銷也會略微增加，但是程度不大，與客戶端數(shù)量關(guān)系不大，能夠說明改進后信息流架構(gòu)能夠很好的解決多客戶端請求網(wǎng)絡擁塞問題，而且客戶端數(shù)量越多，效果越明顯。

參考文獻

[1] 尹子航， 唐磊， 沈緒榜. 中國工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展研究與對策[J]. 機械工程與自動化， 2018， 000（004）：217-219.

[2] 楊穎達. 基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)[D]. 2019.

[3] 王浩， 李玉， 秘明睿，等. 一種基于監(jiān)督機制的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全數(shù)據(jù)融合方法[J]. 儀器儀表學報， 2013， 034（004）：817-824.

作者簡介：于曉龍（1991），男，山東諸城人，助理工程師，碩士研究生，研究方向為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。