创建可扩展、灵活和稳健的 IoT 解决方案的策略
标签: IoT
Anna Gerber
发布: 2017-10-17
本文是 IoT 201 学习路径的一部分，是物联网开发人员指南的下一步。
- IoT 开发人员套件
- 物联网架构（本文）
- 大规模物联网解决方案：互联城市
- 教程：开发健康习惯的跟踪器
设计物联网 (IoT) 解决方案时面临的最大挑战之一是处理复杂性。典型的 IoT 解决方案涉及许多完全不同的 IoT 设备，这些设备附带的传感器会生成数据，然后需要分析这些数据来获取洞察。IoT 设备直接连接到网络或通过网关设备连接到网络，这使得设备不仅能够相互通信，还能与云服务和应用程序通信（ 人们对物联网的看法（来源：X-Force 研发团队，”IBM X-Force 每季威胁情报，2014 年第 4 季度”，Doc # WGL03062USEN，发布日期：2014 年 11 月。）http://www.ibm.com/security/xforce/downloads.html））。
人们对物联网的看法（来源：X-Force 研发团队，“IBM X-Force 每季威胁情报，2014 年第 4 季度”，Doc # WGL03062USEN，发布日期：2014 年 11 月。 http://www.ibm.com/security/xforce/downloads.html）
边缘 计算 描述了在 IoT 网络边缘发生的事情，物理设备在这里连接到云。由于注重减少延迟、改善隐私和减少数据驱动 IoT 应用程序中的带宽成本，边缘计算架构在 IoT 中变得越来越普遍。
本文将讨论在设计数据驱动的 IoT 架构时可以应用的以下策略。这些策略可帮助您简化开发，管理复杂性，并确保 IoT 解决方案保持可扩展、灵活和稳健。
- 采用分层架构
- 安全设计
- 自动化操作
- 互操作性设计
- 遵循参考架构
架构描述了 IoT 解决方案的结构，包括物理方面（即事物）和虚拟方面（比如服务和通信协议）。通过采用分层架构，您可以在将架构的所有最重要方面集成到 IoT 应用程序中之前，集中精力加强理解这些方面如何独立运行。这种模块化方法有助于管理 IoT 解决方案的复杂性。
对于涉及边缘分析的数据驱动 IoT 应用程序，图 2 中所示的三层基本架构从设备中捕获信息流，将其传输到边缘服务，然后传输到云服务。更详细的 IoT 架构还会包含穿过其他层的垂直层，比如身份管理或数据安全。
可以在我的 IoT 硬件指南 中更详细地了解 IoT 设备特征。
可以在我的 IoT 连接指南 中更详细地了解网络技术。
设备层中的组件（如 IoT 架构的层 底部所示）包含物理传感器和连接到 IoT 设备的执行器，以及 IoT 设备本身。传感器和执行器本身通常不被视为”智能”设备，但传感器和执行器通常直接连接到拥有更高处理能力的 IoT 设备，或者通过 Bluetooth LE 或 ZigBee 无线连接到 IoT 设备。
一些 IoT 设备直接与相关云服务和应用程序进行通信。但是，IoT 设备往往通过网关与上游进行通信，网关属于中介设备，拥有比基本 IoT 设备稍强一些的处理能力。虽然网关设备并不总是与传感器直接相连，但它们在数据获取过程中发挥着重要作用。它们可以对原始传感器数据读数执行基本的模数转换、缩放和其他标准化。
边缘层（显示为 IoT 架构的层 的中间层）与位于网络边缘的分析和预处理服务相关。边缘分析是实时（或近实时）发生的，在从传感器传入数据时，就会在收集数据的位置对数据流进行处理。像数据过滤和聚合这样的基本预处理任务是在边缘上执行的，然后，经过预处理的关键数据转移到上游的云服务和应用程序，以供进一步处理和分析。
准备好数据后，就可以将它发送到上游云层（显示为 IoT 架构的层 的顶层）中的云应用程序中，供进一步处理、存储和使用。执行数据处理的云应用程序通常由移动应用程序和基于 Web 的客户端应用程序提供补充，这些应用程序将数据呈现给最终用户，并提供工具访问权，通过仪表板和可视化实现进一步的探索和分析。
实现”安全设计”
要在 IoT 解决方案中实现端到端安全，必须优先考虑到 IoT 架构的所有层中的安全。需要将安全视为 IoT 架构中的一个横切关注点，而不是将其视为在最后隔离处理的单独的 IoT 架构层。由于连接了如此多的设备，以致于在个别设备或网关损坏时，也需要从整体上维护系统的完整性。确保架构支持多层防御。另外，确保 IoT 解决方案可识别和停用已损坏的设备，比如通过使用网关隔离漏洞设备，以及监视通信和使用模式来检测异常。
可以在 这个文章系列 中进一步了解 IoT 安全。
应对 IoT 基础架构的以下方面采用标准和最佳实践：
- 设备、应用程序和用户身份、身份验证、授权和访问控制
- 密钥管理
- 数据安全
- 安全通信渠道和消息完整性（通过使用加密）
- 审计
- 安全开发和交付
确保 IoT 架构支持对所有层进行自动化和编排。设计在部署 IoT 解决方案时使用这些自动化特性，以便快速轻松地进行开发和部署。例如，边缘层或云层上的微服务器架构可使用 容器技术 实现，并使用您的 IoT 平台所提供的工具（比如 Kubernetes）来编排。这些特性使一些操作更不容易出错，比如设置新设备或网关，或者部署一个云应用程序的新实例来处理设备数据。避免手动配置可以确保操作可重复，为了能够扩展到包含数千甚至数百万个连网设备的 IoT 解决方案，必须做到这一点。
IoT 解决方案中采用的设备、网络协议和数据格式的多样性，是 IoT 面临的最大架构挑战之一。如果打算在 IoT 解决方案中采用多个 IoT 平台，需要考虑在每个 IoT 平台中使用的技术能否集成到某个综合解决方案中。
维护 IoT 中的互操作性的一个最佳策略是采用标准。标准有助于灵活地断开多余的组件或引入额外的组件，只要新组件遵循已采用的相同标准。
参考架构也提供了指南来帮助您规划 IoT 架构。它们通常基于标准，封装了设计模式和最佳实践。采用参考架构，然后按照参考架构中描述的指南来选择实现它们的 IoT 平台，这就是在 IoT 架构中维护互操作性的可靠策略。
目前有许多致力于通过标准化 IoT 架构来提高互操作性的倡议。IoT 平台供应商和研究合作伙伴通过这些倡议展开合作，从而定义 IoT 参考架构。参考架构充当着架构基础，描述 IoT 解决方案中使用的高级构建块，并为关键架构概念建立一个共享术语表。这些倡议广泛应用了各种各样的现有解决方案，以便突出有效的设计模式和最佳实践。
一些广泛引用的 IoT 参考架构包括：
- 物联网 – 架构 (IoT-A)：IoT-A 参考模型和架构是 2013 年通过一个欧盟灯塔项目开发的。IoT-A 旨在用作开发适用于广泛领域的具体架构的基础。
- IEEE P2413 – 物联网 (IoT) 架构框架标准： 这个正在进行的 IEEE 标准化项目旨在识别各个 IoT 领域间的共性，这些领域包括制造业、智慧建筑、智慧城市、智能运输系统、智能电网和医疗保健。
- 工业互联网参考架构 (IIRA) – IIRA 是工业互联网联盟专为工业 IoT 应用程序而开发的，该联盟由 AT&T、思科、通用电气、IBM 和英特尔于 2014 年 3 月共同创立。
参考架构可用作开发 IoT 解决方案的模板。上面列出的架构粗略描述了 IoT 架构组件和它们的功能，但是，可以通过将抽象需求映射到具体技术或技术栈，让它们变得更加具体化。
参考架构的细节因应用领域而异；但是，大多数 IoT 参考架构至少都描述了以下能力：
- 管理设备及其数据
- 连接和通信
- 分析和应用
此外，参考架构通常还会描述解决非功能需求的机制，例如灵活性、可靠性、服务质量、互操作性和集成。
参考架构的设备管理方面涉及到管理设备、设备身份和设备生命周期。参考架构描述：
- 组装设备
- 更新设备固件
- 应用新配置
- 触发远程操作，比如禁用、启用或停运设备
管理设备之间、设备与网关之间，以及网关与云服务和应用程序之间的连接和双向通信，这是 IoT 参考架构中常常描述的另一种关键能力。对于边缘计算，事件驱动的架构是个不错的选择，可使用发布/订阅协议和消息代理在设备和服务之间通信。
为了从来自 IoT 设备的数据获取价值，云应用程序提供了可视化和分析工具来处理数据流或批量数据，以识别可操作的洞察。根据具体用例，决策管理和业务流程工具可触发警报或执行操作来进行响应。
参考架构通常提供的模式和指南可从某个特定 IoT 领域获得，比如工业 IoT，或者可以从众多领域的解决方案中概括而来。高度概括的架构可用作模板，以创建特定于领域或特定于平台的更具体的架构。
可以在我的 IoT 平台指南 中进一步了解 IoT 平台。
通用 IoT 平台供应商通常提供更多实用的参考架构以及实施指南，以帮助使用平台所提供的工具和软件代理来开发遵从参考架构的 IoT 解决方案。一些以 IoT 平台为中心的参考架构包括：
IBM 工业 4.0 参考架构是特定于领域的参考架构的一个例子，它专为工业 IoT 应用程序而设计，基于 IIRA 参考架构和 IBM IoT 参考架构。
由于涉及的设备和连接的规模和异构性，设计数据驱动的 IoT 解决方案非常复杂。在本文中，我列出了设计安全的、灵活的、可扩展的 IoT 架构的一些策略。
本文翻译自： Simplify the development of your IoT solutions with IoT architectures（2018-01-03）