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工业互联网云网关架构及实现

计算机应用与软件 2022年第2期39卷 138-143,227页

作者：史运涛董广亮雷振伍北方工业大学电气与控制工程学院北京100144 现场总线技术与自动化北京市重点实验室北京100144

针对工业生产数据通信协议复杂、工业设备与云端通信困难的问题,提出一种工业互联网云网关架构。针对传输协议复杂多样的问题,提出了一种多协议数据解析方法,能够对多种协议下的数据进行解析,并转换为MQTT协议,实现数据统一协议并上传... 详细信息

针对工业生产数据通信协议复杂、工业设备与云端通信困难的问题,提出一种工业互联网云网关架构。针对传输协议复杂多样的问题,提出了一种多协议数据解析方法,能够对多种协议下的数据进行解析,并转换为MQTT协议,实现数据统一协议并上传至云平台。针对协议转换中的实时可靠性问题,提出一种支持断点续传并可以快速处理并发任务的异步处理机制来保证协议转换的实时可靠性。在保证实时可靠的基础上,提出一种三层加密方式以提高数据传输的安全性。在软硬件上实现了上述云网关架构,并在工业过程控制设备上进行了实验。实验结果表明,该架构能够有效解决工业系统与云平台的数据融合问题。

关键词：云网关多协议 MQTT 断点续传异步处理三层加密

基于用户空间的云网关网络文件系统设计与实现

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基于用户空间的云网关网络文件系统设计与实现

作者：钱文华中科技大学

学位级别：硕士

在信息化的日益显著的今天，数字化信息迅猛增长，人们对存储的需求从容量到速度都不断在提高。在这种背景下，云存储服务诞生并得到迅速的发展，催生了一个云存储时代。与此同时，利用云存储服务的云存储网关设备也得到了各界关注，特... 详细信息

在信息化的日益显著的今天，数字化信息迅猛增长，人们对存储的需求从容量到速度都不断在提高。在这种背景下，云存储服务诞生并得到迅速的发展，催生了一个云存储时代。与此同时，利用云存储服务的云存储网关设备也得到了各界关注，特别是中小企业，对云网关的依赖逐渐增加。但是由于受到网速、带宽和存储设备本身等限制，云网关的速度一直是一个令人堪忧的问题。在此背景下，利用亚马逊平台提供的Amazon S3（Amazon Simple Storage Service，亚马逊简单存储服务）云存储服务，和NFS（Network File System，网络文件系统）搭建了一个云网关，使它通过各类传输协议将云端存储的数据共享给各类客户端。在现有的云网关架构上，以优化总体性能为目的，设计并实现了用户空间文件共享服务器，此服务器代替现有运行在内核空间的NFS服务器，简化了云网关本地运行流程中内核态和用户态的切换开销，达到提高速度、加快响应时间的效果。现有云网关的NFS服务器运行在系统内核空间下，它接收NFS客户端传递来的文件请求，并将该请求传递给工作在云网关用户空间下的S3FS（S3File System，S3文件系统），S3FS是云网关上负责将文件请求传递给S3的用户空间文件系统，请求从被NFS服务器到S3FS接收到，并返回结果，要经过多次内核空间到用户空间的数据拷贝，性能不佳，影响云网关的整体速度。针对以上原因，设计并实现了运行在用户空间下的文件共享服务器，它可以直接和同样运行在用户空间下的S3FS协同工作，无需经过内核空间，降低了内核空间和用户空间之间的切换开销，达到提高云网关整体访问速度的目的。经测试证明，用户空间下的文件共享服务器能够代替现有运行现有内核态下的NFS与S3FS协同工作使云网关正常运行，挂载及各项文件操作能够顺利执行。优化后的云网关上传下载等各项服务响应速度均有提高，云网关的性能得到一定程度的提升。

关键词：云存储云网关网络文件系统用户空间文件系统

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林业物联网云网关关键技术研究与初步设计

林业物联网云网关关键技术研究与初步设计

作者：陈雄华中国林业科学研究院

学位级别：硕士

森林环境监测具有重要的生态意义、社会意义和经济意义。随着物联网、云计算的快速发展，利用无线传感器等先进技术快速有效地获取森林环境信息，可以实现森林环境的动态监测，为森林防火、生态环境监测及精准林业提供有效的技术支持及... 详细信息

森林环境监测具有重要的生态意义、社会意义和经济意义。随着物联网、云计算的快速发展，利用无线传感器等先进技术快速有效地获取森林环境信息，可以实现森林环境的动态监测，为森林防火、生态环境监测及精准林业提供有效的技术支持及数据决策服务。本文主要对林业物联网云网关的关键技术进行了研究和对云网关进行了初步设计，其主要工作如下：1、森林环境中无线传感器网络组网技术研究研究无线传感器网络技术、传感器网络的部署覆盖策略及网络拓扑结构组织，结合具体林地用地类型，提出了有林地、灌木林地及疏林地区域组建无线传感器网络的方案。在有林地区和疏林地区，由于地表只有树干的遮挡，采用菱形的网络覆盖策略及分层的网络拓扑结构，尽量减少节点之间不必要的无线通信链路。针对灌木林地地表植被覆盖密集的特点，采用正三角形网格部署策略及Mesh网络结构拓扑组织结构，使节点间有多条路由路径，防止单个链路被阻断时的容错能力，提高鲁棒性。通过ZigBee仿真测试，在网络吞吐量达到0.0037Mbit/s时，有林地网络丢包率平均0.0567，时延平均0.0233s;灌木林地网络丢包率平均0.1034，时延平均0.0444s;疏林地网络丢包率平均0.0524，时延平均0.0234s，满足林业森林资源监测的需要。2、林业物联网云网关设计根据已搭建的林区传感器网络，结合云服务技术，设计基于ARM11硬件环境的林业物联网云网关。云网关下端连接无线传感器设备，对网关子网内的传感器设备进行管理及林业数据的收割、处理与传输。针对林区环境的复杂多样性，云网关设计成支持多种传感器采集设备接入，屏蔽下层传感器设备的异构性。本云网关主要支持的传感器设备包括ZigBee采集设备、蓝牙采集设备、WLAN采集设备。同时，本云网关设计成基于统一的时间列表，采用不同的数据收割算法，对不同传感器网络结构的数据进行收割。对于有林地和疏林地的分层组网数据，传感器节点采用基于分簇的LEACH算法推举簇头，簇头之间根据Prim算法构建树形路由，以多跳的方式进行数据收割;对于灌木林地Mesh组网数据，传感器节点采用基于地理网格的GRID算法进行数据收割。在数据传输方面，针对林区网络覆盖情况的不同，云网关设计成支持多种数据传输方式，屏蔽对上层云平台数据传输的异构性。本云网关主要支持的数据传输方式包括3G传输模块、数传电台传输模块及卫星传输模块。云网关上端和云平台连接，通过提供云平台访问接口，在云平台层对云网关进行虚拟化，向用户提供基于IaaS服务的透明访问，实现通过浏览器等客户端对云网关、无线传感器网络进行管理及林业数据任务的采集。本云网关提供的访问方式包括Web Server方式、SSH方式及短消息方式。3、基于卫星通信的云网关数据传输方法研究云网关设备通过集成美国迪进国际公司Digi研制的M10卫星传输模块，实现了林业传感器数据在无地面公共网络覆盖情况下的数据传输。卫星传输系统采用主动和被动两种方式从RS232、以太网口读取云网关设备采集的林业数据和图像数据，并对数据进行分块、压缩处理后通过卫星发送到地面控制站。测试结果表明，在卫星信号良好时，卫星模块数据传输速率约为31.27Byte/s;当传感器数据获取时间间隔约为100s时，卫星传输系统能及时将单个节点传感器数据进行传输，有效地解决了传感器网络设备在林区无通信条件下的数据传输。总之，本文研究成果为将物联网技术应用到森林环境监测提供了技术方案，为推进我国森林环境监测工作的信息化、自动化与智能化提供了一种有效的新思路。

关键词：云网关无线传感器网络林地用地类型传感器数据收割卫星传输

面向DaaS模式的物联网云平台的云网关设计与实现

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面向DaaS模式的物联网云平台的云网关设计与实现

作者：唐嘉良北京邮电大学

学位级别：硕士

对于物联网云平台来说,平台架构通常以分布式微服务的方式进行设计。平台的一些资源能力会被拆分为多个微服务,例如设备服务查询服务、用户信息服务、设备控制服务、邮件服务、警告服务等。微服务之间通过相互调用的方式共同协作完成平... 详细信息

对于物联网云平台来说,平台架构通常以分布式微服务的方式进行设计。平台的一些资源能力会被拆分为多个微服务,例如设备服务查询服务、用户信息服务、设备控制服务、邮件服务、警告服务等。微服务之间通过相互调用的方式共同协作完成平台具体的应用业务,例如,设备管理业务由设备服务查询服务、用户信息服务等服务共同协作完成。云平台资源微服务之间要达到相互协作的目的,必须进行服务访问,但是分布式环境的动态性导致各个服务变成隔离的服务孤岛,微服务之间的调用变得复杂。此外,设备在连接到云平台后,会被抽象为资源并被动地等待访问,设备并不能主动地使用平台的资源,导致平台资源不能得到充分利用。针对上述物联网云平台存在的问题,本文设计了一种面向DaaS模式的物联网云平台的云网关中间件系统。本文设计的云网关是一个独立的应用服务,负责提供平台资源的代理,打破各个资源微服务之间的隔离并为资源微服务提供可靠的服务访问。同时,该云网关的输入为设备上传的数据,基于用户自定义规则的形式有效地处理设备数据并触发云平台的资源服务访问,赋予设备主动使用平台资源的能力,使得物联网云平台更加智能化。本文的主要工作如下:1、设计并实现一套前台微服务代理的访问机制,使得云网关可以自动感知到新资源服务的变动,把新的资源服务加入到服务代理并提供服务访问,并且可以实时地移除异常微服务。2、设计并实现一套高效处理设备数据流的处理机制,使得云网关可以以一种设备代理的计算单元对设备数据进行并行地处理,并基于自定义规则的方式,提供对设备数据处理方式的参数配置。3、设计并实现云网关的整体工程框架,基于上述两点功能,设计了云网关的各个功能模块、云网关的输入输出接口,并提出了一套云网关分布式化的方案。

关键词：物联网云平台微服务云网关服务代理

一种MODBUS转MQTT协议云网关的设计与实现

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电子世界 2021年第19期 160-161页

作者：王振华刘福祥沈甦浙江建设职业技术学院宁波技师学院

当前,随着物联网技术的发展,大量的现场智能设备(如各类现场控制器、传感器、变送器等)需要接入云平台来实现数据采集与控制。这些现场智能设备大多都支持用串口采用MODBUS协议进行通信,而当前的主流云平台(如阿里云、百度云等)对现场... 详细信息

当前,随着物联网技术的发展,大量的现场智能设备(如各类现场控制器、传感器、变送器等)需要接入云平台来实现数据采集与控制。这些现场智能设备大多都支持用串口采用MODBUS协议进行通信,而当前的主流云平台(如阿里云、百度云等)对现场数据采集大多都支持MQTT协议进行数据通信,这就需要在设备现场增设一个MODBUS转MQTT协议的云网关来处理相关数据的协议转换事宜,并实现数据向云平台的转发上传。

关键词：现场智能设备数据采集与控制云平台现场数据采集 MODBUS 阿里云云网关变送器

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基于ARM的电机远程运维云网关的设计

电子测量技术 2019年第20期42卷 15-19页

作者：崔炳辉薛吉上海理工大学机械学院上海20093 上海电器科学研究院上海20063

针对目前不能远距离实时的监控电机的运行状况跟及时的发现电机故障等问题,设计了基于ARM跟嵌入式Linux的电机远程运维的云网关。该网关通过Modbus协议周期的访问数据采集装置,并把采集到的电机的电学、热学、噪声等数据进行本地存储,... 详细信息

针对目前不能远距离实时的监控电机的运行状况跟及时的发现电机故障等问题,设计了基于ARM跟嵌入式Linux的电机远程运维的云网关。该网关通过Modbus协议周期的访问数据采集装置,并把采集到的电机的电学、热学、噪声等数据进行本地存储,实现了对电机数据的采集任务。同时云网关将采集到的数据实时上传到云平台上,在云平台上监控电机的运行状况,完成了对电机远程运维的目的。通过用云网关周期采集电机的电压电流数据,观测在云平台下的电机数据的运行情况,来证明云网关设计的的可行性。

关键词： ARM 云网关远程运维云平台

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综合能源物联网的智能云网关架构分析

电子技术（上海） 2020年第8期49卷 192-194页

作者：张海涛刘万龙天津市普迅电力信息技术有限公司天津300308

阐述综合能源领域中智能云网关的架构设计问题。基于综合能源数据的来源和特点,分析数据汇聚的可行性,针对互联网环境中的数据协议、数据格式等关键问题,智能云网关的架构设计,智能云网关的实践策略和未来展望。

关键词：综合能源物联网云网关数据通信

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面向家庭算力网络的云网关解决方案

通信世界 2022年第15期 42-45页

作者：田杨李圣华王之伟中国移动智慧家庭运营中心

随着科技革命和产业变革的深入发展,一个以算力为核心生产力的时代加速到来。算力已成为全社会数智化转型的基石,将影响数字经济的发展速度。网络作为连接用户、数据、算力的“主动脉”,与算力的融合共生不断深入,算力网络的概念由此而... 详细信息

随着科技革命和产业变革的深入发展,一个以算力为核心生产力的时代加速到来。算力已成为全社会数智化转型的基石,将影响数字经济的发展速度。网络作为连接用户、数据、算力的“主动脉”,与算力的融合共生不断深入,算力网络的概念由此而生。面向家庭场景,为用户提供更精细、更丰富、更贴心的算力网络服务,成为通信运营商共同的追求。家庭接入网关作为运营商连接家庭用户网络的重要触点,自然成为解决家庭用户算力需求的关键。除此之外,随着家宽用户市场规模趋于饱和,运营商面临增量不增收的困境,如何提升单用户的ARPU值、降低家宽业务的建设运维成本,也成为运营商亟待解决的难题。

关键词：网络服务单用户家庭用户产业变革接入网关云网关通信运营商融合共生

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面向云网关的动态负载均衡调度系统的设计与实现

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面向云网关的动态负载均衡调度系统的设计与实现

作者：郭慧勇湖南大学

学位级别：硕士

在大型数据中心内部,云网关设备作为数据中心流量的出入口,有着举足轻重的地位。随着互联网时代数据流量的快速增长,云网关需要提供越来越高的性能来承载快速增长的流量吞吐。而当前数据中心的云网关在面对这种快速增长的数据包处理需... 详细信息

在大型数据中心内部,云网关设备作为数据中心流量的出入口,有着举足轻重的地位。随着互联网时代数据流量的快速增长,云网关需要提供越来越高的性能来承载快速增长的流量吞吐。而当前数据中心的云网关在面对这种快速增长的数据包处理需求和复杂的互联网流量环境时,不仅要满足高性能的包处理能力还需要保障租户的服务质量等级协议,往往无法做到服务质量和设备资源利用率的良好平衡。一方面,厂商为了保证服务质量必须为预期的峰值负载提供足够的资源,牺牲了设备的利用率。这是因为互联网流量的突发性,流量的平均负载与峰值负载存在着数十倍的差异,过度配置的资源无法得到充分利用导致设备利用率低下。另一方面,如果为了提高设备利用率,降低运营成本,当负载波动时又会面临局部资源紧张的问题,无法有效保证服务质量。提高设备利用率的本质是一个负载均衡问题,在多核处理器上通过将负载均匀分配到服务器内部来充分发挥各个CPU核心的处理能力以实现设备的高利用率。但是在云网关海量数据转发场景下进行负载均衡调度具有很大的挑战,许多传统调度方法中的一些微小到可以忽略不计的开销都会被海量数据放大,导致对服务质量产生严重影响,无法同时兼顾设备的利用率与租户的服务质量。因此如何解决云网关场景下的设备资源利用率与租户服务质量的矛盾是本文研究的主要内容。针对上述问题,本文就云网关海量数据转发场景下的设备负载均衡问题进行了深入研究,基于数据平面开发套件(DPDK)设计了一种面向云网关的负载均衡调度系统,旨在实现高资源利用率和高服务质量的云网关数据处理。首先,该系统以库的形式集成进DPDK中,不干预应用逻辑的处理,可以让原有的应用逻辑保持高性能数据包处理能力。其次,本文利用一些现有的商品网卡提供的流量调度技术,结合软件上的调度算法,以更优化的方式在服务器内部对CPU之间的负载输入差异进行有效且快速的调整,充分发挥多核CPU的处理优势,提高设备的整体利用率。最后,针对流量的瞬时突发问题,本文通过研究网卡收包机制,实现了基于网卡硬件队列的流量突发检测机制,能够在数据包溢出收包队列之前检测突发流量,及时进行调度以降低流量突发队列的数据包占有率,避免核心过载。与现有的工作相比,实验结果显示,本文的设计具有高性能的包转发能力,同时可以有效地对云网关服务器内部的负载进行调度,让云网关设备充分发挥多核处理器的优势,在相同的场景下可让设备具有更高的处理性能。

关键词：云网关负载均衡流量突发检测 DPDK