面向数字孪生城市的软件定义物联网架构*

上海城建信息科技有限公司 陈彬

泛在物联网感知是实现数字孪生城市的基础。本文从数字孪生城市物联网的泛在异构接入、弹性伸缩部署和灵活资源分配等需求出发，综合软件定义网络（SDN）控制层和数据层解耦的架构特点，提出一种面向数字孪生城市的软件定义物联网（SDIoT）架构，该架构分感知层、转发层、控制层、管理层和应用层，软件定义网络的三个平面与其技术优势得到保留，实现软件定义物联网和软件定义网络灵活共存，简化了物联网架构与管理方式，实现物联网资源的虚拟化和面向多业务服务需求的动态重构。

数字孪生城市是智慧城市的一条新兴技术路径，是智慧城市数据累积到一定阶段实现从量变到质变的跃迁，是大数据、人工智能等技术融合发展的城市智能化、运营可持续化的新模式。

数字孪生城市物联网，采集海量传感器与各种智能终端产生的巨量数据，存储于边缘端和云端，经大数据分析与人工智能实时处理、智能识别、智能推理、科学推断，实现物理城市与数字城市之间虚实映射和实时交互的融合机制，在物理世界和数字世界之间建立全面的准实时联系，从而实现物理现实与数字虚拟世界之间的互联互通。物联网感知是数字孪生城市建设的起点和基础；通过物联网提供海量的城市实时运行的数据，数字孪生城市才能感知真实的物理世界，建立物理世界与虚拟世界之间的映射，实现城市的智能学习，自我优化。

本文首先探讨了数字孪生城市对物联网架构的泛在异构接入、弹性伸缩部署和灵活资源分配的需求，然后阐述了软件定义网络的优势，最后提出一种面向数字孪生城市的软件定义物联网架构，该架构分感知层、转发层、控制层、管理层和应用层；感知层采集数据，转发层受控转发，控制层管网络设备，管理层进行全域管理，数据与控制分离，资源与指令分离，网络与应用分离；实现多应用承载，整网配置动态优化。

1 数字孪生城市对IoT架构的需求

1.1 泛在异构接入

数字孪生城市物联网需要支撑多用户、多项目、多模式、多制式、百万级设施、亿级感知设备，满足各种场景下泛在感知的需求。需要适配各种异构环境、通信协议和网络制式，制定感知设备接入标准与协议模型，提高物联网数据获取的便捷性。诚然统一的接入标准和先进的接入技术从来都是未来的趋势，但是面向基础设施系统建设现状，支持基于成熟的物联网技术的主流接入协议（如ModBus、CAN、CoAP、MQTT、HTTP等）、主流网络协议（如LPWAN、WLAN等）的融合接入能力，才能有效保护已有投资，实现万物数据智联。

1.2 弹性伸缩部署

数字孪生城市物联网需要能够根据业务需求与技术策略，优化资源组合，调整部署深度，伸缩计算资源，具有可扩展的高度弹性部署管理能力。道路、桥梁、隧道与楼宇所需的物联网架构完全不同，是否利用现有移动网络、是否独立组网、是否设置边缘节点，每个项目给出了自己的答案。事物发展的逻辑决定了数字孪生城市物联网也是随时空动态更新、渐进发展的，需要提供一种有效的管理方式来应对每时每刻的大量设备与终端的动态添加、删除或者更新的需求。

1.3 灵活资源分配

未来数字孪生城市物联网的数据量将超出想象，但每种物联网设备的流量需求不尽相同，但可以分为三类，分别是：面向关键任务或者事件驱动的延迟敏感型、与连续流相关的查询和实时监控的带宽敏感型，以及一般物联网事务的尽力而为型。如果采用简单的网络架构，庞大的网络设备和爆炸式增长的数据量很容易发生因为适配问题导致的网络拥塞，继而造成过载。各种研究表明现有机制可能无法满足这种巨大流量所需的服务质量（QoS）要求。

2 软件定义网络

传统的网络架构中每种设备执行固化的网络功能与策略，架构的封闭性使得网络对设备的依赖性强，网络管理无法应对日趋复杂的应用场景。软件定义网络（SDN）是一种新型的网络框架（如图1所示），它通过控制层和数据层的解耦，可编程接口和集中的控制器等方面打破了传统网络模型的层次结构，突破了传统网络基础设施的局限性。交换机和路由器等网络设备仅成为转发设备，所有配置和控制决策和管理都由可扩展的集中控制器完成，由此实现了设备和网络的动态、灵活和细粒度管理；实现了网络开放性、控制灵活性和运维高效性，加速了网络应用和协议的创新，降低了网络建设和运维成本。

图1 软件定义网络架构Fig.1 Software defined network architecture

3 软件定义物联网的架构

根据数字孪生的思想，在SDN拥有的转发数据解耦、全局集中控制、灵活可编程的基础上，本文将软件定义扩展到数字孪生城市物联网中的各种资源和服务。物联网中的物理资源和服务通过信息物理映射技术抽象为网络模型，汇集形成资源池和服务集。由控制器调度、管理和控制资源和服务，简化了物联网架构与管理方式，实现资源的模块化和应用服务的定制化。

面向数字孪生城市的软件定义物联网SDIoT由感知层、转发层、控制层、管理层和应用层组成（如图2所示）。

图2 面向数字孪生城市的SDIoT架构Fig.2 SDIoT architecture for digital Twin Cities

3.1 感知层

感知层由感知节点组成，负责采集数据和受控转发数据，也可上报指令与数据状态。感知节点不是网络设备，不能被认定为转发层。为满足泛在感知的需求，感知节点须具备简单、经济、低能耗、布置灵活和操作简单的特性。

3.2 转发层

转发层包含交换机、路由器等网络转发设备，还包括异构网络的汇聚节点即物联网网关（IoTGateway，IoT网关，如图3所示）。网络设备负责数据转发，无自主决策供，网络智能被分离到控制层。IoT网关为各种通信协议的实现适配，为各模块和应用提供一致的服务，并对传感器/设备、存储和计算资源进行抽象和轻量级实现，形成资源池和服务集，如软件定义的虚拟传感器、虚拟网关等。IoT网关通过本地网络互联互通，支持海量泛在终端的接入，对物联网数据进行采集、汇聚、传输和基本处理；而相关的控制与管理功能则通过管理层的IoT控制器实现。

图3 IoT控制器与IoT网关Fig.3 IoT controller and IoT gateway

3.3 控制层

将SDN网络控制器单独汇聚成控制层，是SDIoT中SDN网络的核心控制单元，只负责已经相当复杂的网络系统。SDN控制器经南向接口与转发层网络设备交互，将网络策略转化为网络配置、安全服务等信息下发到交换机、路由器等设备；SDN控制器经北向接口与应用层和管理层交互。开发者通过北向接口对网络进行配置、管理和优化。为避免单点故障，大规模网络需要多个SDN控制器协同运行。

控制层中SDN控制器与转发层的网络设备是SDN网络的基本单元，将SDN控制器单独分层，可以保证SDN技术在SDIoT的独立性与适用性。

3.4 管理层

面向应用/事务驱动的SDN网络架构只能以应用/事务需求为中心，易导致资源滥用，引起网络资源失衡，因此需要构建具有全局视图的、能进行全域管理的管理层。管理层由IoT控制器组成，对传感器/设备进行编程、配置和管理，对IoT网关进行统一管理、统一调度、数据共享和动态配置等。

基于全局视图，IoT控制器可以动态激活/停用传感器并自定义其配置以满足应用需求，同时降低能耗。下行接口（与SDN区分，不称南向接口，下同）收集来的转发层的传感器与网关信息，并对资源管理系统提供灵活的资源抽象（如虚拟化传感器资源）并通过上行接口相应的API（应用程序接口）提供底层抽象给上层业务应用；管理层的网络管理模块通过控制层的北向接口与SDN控制器交互，配置物联网所需的网络资源的策略配置，路由协作，性能监控，睡眠调度，流量优化等。IoT控制器也可通过增加分布式部署的数量来实现高可用性与高性能。

3.5 应用层

应用层负责业务的构建、部署和管理，基于控制层和管理层提供的API的开发网络应用。开发者可以通过控制层提供的北向接口和管理层提供的上行接口进行物联网应用的开发、安全管理与网络维护等操作。

4 结语

面向数字孪生城市的SDIoT架构将控制层与管理层分离，SDN的三个平面与其技术优势得到保留，实现SDIoT和SDN灵活共存，网络架构清晰，易于管理与维护。SDIoT管理层实现物联网决策，并对网络控制层进行，实现多应用承载，整网配置动态优化。面向数字孪生城市的SDIoT架构融合繁杂的物联网网络协议，简化设备配置和管理，实现从感知到边缘，从边缘到网络、从网络到应用的灵活部署。基于该架构，硬件和软件完全解耦，屏蔽了底层设备的硬件差异，实现物联网资源的虚拟化和面向多业务服务需求的动态重构，提升服务响应能力，增强物联网的弹性、敏捷性和智能性。