定制化智能物联网网关开发需求及问题

随着公司发展其物联网 (IoT) 战略，一个明显的趋势是需要定制解决方案，包括物联网网关组件。在embedded.com 上近的一篇博客中，我将这一趋势描述为一个迹象，表明该行业正在从相对简单的利用网关作为数据聚合器（包括基于云的存储和处理）的实施转向“物联网 2.0”领域，其中智能从云端推送到网关和边缘设备。此外，在这个 IoT 2.0 领域中，安全性得到了更全面的处理，连接性得到了扩展，包括整个网络中的更多设备，直至企业。

从物联网网关的角度来看，物联网2.0意味着云战略的网关组件需要全面的连接、安全和处理能力。从本质上讲，物联网网关需要是一种能够承载和处理多种功能的智能设备。在近的一份“物联网和智能网关的市场”中，VDC Research 指出，智能网关部分是物联网网关市场中规模、增长快的部分（图 1）。深入了解智能物联网网关是本文的重点。

图 1：智能网关正在 IoT 世界取得令人瞩目的进步。（：VDC/Research 2015）

定制化趋势 
哪些因素促使公司转向定制化网关解决方案？

一个重要因素是连通性。需要在网络内扩展物联网范围，无论是工厂、医院还是家中的白色家电，都意味着将现有的旧设备或“棕地”设备与新设备连接起来，这通常会导致需要定制接口。

安全是另一个重要因素。随着连接性在整个企业范围内激增，可能会产生更多的攻击点。当智能处理从云端推送到网关和边缘设备时，企业越来越担心网络攻击的风险。这些都是非常现实的问题，可能会扰乱运营、导致信息被盗，或者更糟的是，造成人员伤害。定制网关解决方案有助于解决特定于公司物联网战略和实施的威胁概况。

，特定的处理需求驱动智能网关的定制。这些要求可能包括网络吞吐量、开源和专有 IP、软实时与硬实时性能、电源管理、图形和其他因素。这些因素对处理器的选择也有重大影响。

毫无疑问，业务压力是无情的。因此，网关要求变得越来越复杂，企业面临着寻找既能满足其特定技术需求又能满足其业务目标的网关解决方案的重大挑战。这就是推动物联网网关定制需求的原因。

自定义连接 
在大多数情况下，扩大范围意味着集成新的物联网基础设施，同时考虑棕地部署中的现有设备和基础设施。例如，在工厂车间，有许多类型的设备，例如控制器、传感器和执行器，它们包括许多不同类型的物理连接选项，包括串行现场总线、工业以太网、无线、专有等等。

在 IoT 2.0 之前，构建此类拓扑的常见方法是集成一系列现成的路由器、网桥和网关，将所有东西联网在一起。不幸的是，这需要设备的激增，更不用说需要更多的基础设施、多种类型的备件和更多的故障点。显然，如今更希望使用少数量的组件实施 IoT 网络拓扑。构建自定义网关是实现此目标的一种方法，如图 2 所示。

图 2. 利用定制智能网关的工业物联网环境能够简化网络拓扑、降低成本并提高运营可靠性。（：Mentor Graphics）

定制连接通常需要硬件和软件。例如，如果工业自动化企业需要在边缘集成新的 EtherCAT 连接设备，则该企业可以受益于网关中集成的 EtherCAT 硬件和随附的软件堆栈，与传统接口一起集成。

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解决安全问题 
为您的物联网网络构建多少安全性取决于几个因素，但这一切都始于回答一个基本问题：“我在保护什么，它有什么价值？” 正如您所料，答案可以从很少到全部。在某些情况下，标准网络安全（SSL 和 HTTPS）、防火墙、加密数据库和校验和安全可能就足够了。在其他情况下，企业可能需要硬件强制执行的安全分区（很像 ARM TrustZone 环境）、支持证书的身份验证，或者来自 Icon Labs 等供应商的安全解决方案，它可以检测边缘的安全事件并将它们给企业。安全定制需要综合分析和研讨会，从系统角度定义安全攻击面，

网关处理要求 
VDC 指出，智能网关基本上是一个强大的应用平台。

一个重要的嵌入式趋势是使用多核 SoC。近发布的 Mentor Graphics 智能网关系统设计套件 (SysDK) 等解决方案基于 NXP i.MX6（基于 ARM Cortex A9）四核处理器。该处理器针对图形性能进行了优化，适用于高性能显示器、数字标牌和相关图形应用程序。一些客户可能需要基于 NXP LS1021A（基于 ARM Cortex A7）的网关，因为它优化了网络吞吐量。在其他情况下，根据要求，客户可能希望使用更复杂的异构 SoC，例如包含 2x Cortex A15 + 2x Cortex M4 + DSP 的 TI Sitara AM572X。因此，当我们谈论智能物联网网关时，定制应该发生在硬件和软件上。如果客户需要大量处理能力来进行智能处理，那么具有多个操作系统的四核处理器或一个以 SMP 模式运行的操作系统可能是答案。或者对于更基本的处理，也许单个操作系统和单核处理器就足够了。

对于复杂的 SoC，“安全融合网关”的概念已进入讨论范围。什么是安全融合网关？关于安全，随着智能从云中转移到边缘，以及随着越来越多的私人和潜在公共设备连接到网关，安全问题如何持续上升。融合的概念意味着在许多行业中，功能的融合是减少尺寸、重量、功率和成本的一种手段，通常称为 SWaP-C。

客户现在正在谈论将安全性、专有功能和开源环境融合到基于日益复杂的 SoC 的更强大的智能网关中。这里不再讨论现成的网关，而是定制和构建一个充分利用底层硬件并满足业务差异化需求的网关。

出于性能原因和知识产权保护，显然希望将专有应用程序与基于 Linux 的开源应用程序融合在一起。在某些情况下，公司正在利用异构内核进行电源管理。一个例子是 TI AM572x，其中耗电的 Cortex A15 内核在需要时进入休眠状态，而 M4 内核执行所有必要的功能。

这种复杂的设计还需要一个工具解决方案，使开发人员能够从整个系统的角度设计、开发和调试异构架构。Mentor Graphics 多核框架和异构解决方案等平台专为解决这些系统设计复杂性而设计，如图 3 所示。

图 3：异构 SoC 和异构操作系统解决方案支持功能强大且定制的“安全融合”网关解决方案。（：Mentor Graphics）

推动网关定制需求的一个因素 
除了已经提到的因素之外，一个也是极其重要的因素是降低成本。当客户购买现成的网关时，会从几个方面产生成本。首先，网关中很大一部分硬件很可能会闲置。因此，客户正在为不必要的硬件付费，考虑到数量时，这些硬件会加起来。此外，如果所需功能不存在，则必须在以后购买和集成更多硬件（例如，用于 802.15.4 网状连接的适配器），从而增加成本并向系统添加新层。

如今，企业可以自行设计和构建网关，或联系合同制造商。定义需求、审查设计、获取初始样品、测试和验证功能以及多次重复重新设计-测试-验证周期的时间和成本可能会消耗数个季度，甚至数年的时间。还必须考虑与操作系统工具、安全性、连接性、电源管理、图形、启动机制、处理器间通信 (IPC) 相关的成本和复杂性，等等。

总结 
随着企业在 IoT 2.0 道路上努力，他们需要考虑越来越复杂的要求，但他们也有权衡的选择。企业可以通过三种通用途径来发展其物联网网关战略：

继续集成和利用现成的硬件/软件解决方案利用现成的硬件，并投资定制的网关软件定制硬件和软件

在每种情况下，企业都必须考虑以下问题：

硬件成本是多少？我是否为不需要的硬件付费？如果我需要定制硬件支持，我有哪些选择？我是否有能力定制软件，以在短期和长期内充分利用我的硬件？

我们正在进入定制化智能物联网网关时代。随着公司寻求提高业务成果并在竞争中脱颖而出，显然需要定制解决方案。这些解决方案必须考虑到棕地安装、全面连接、端到端安全以及随着智能和处理从云端推向边缘的特定要求。显然，物联网供应链正朝着这个方向发展。Mentor Graphics近发布的智能物联网网关 SysDK 等解决方案旨在满足新兴智能物联网网关的定制需求。