工业互联网网关管理系统的设计和实现

张晓辉 那蓉萃 李颜秀

（中冶赛迪重庆信息技术有限公司 重庆市 401122）

物联网通信优势下，工业互联网所涉及的数据类型和格式越来越繁杂，汇总难度也越来越大，对各种类协议设备的适配都需要由采集、分类、传输等操作作为支撑，网关设备在整个过程中主要发挥承上启下的作用，以此来使数据信息在不同网络间安全传递。

1 工业互联网通用平台架构与传输协议

1.1 平台架构

工业互联网平台分为四个层次。见图1。

结合图1，工业互联网通用平台共由四部份组成，由下至上来看，边缘层位于最底端，负责与全部类型传感设备和其它终端设备进行连接，因此这一层也被称作接入层。接入层具体负责完成对底层数据的收集，也包括各种人员信息，之后对这些信息数据进行汇总处理，在相应技术支持下（负载均衡），模块化管理将最终实现，进而达到提升资源使用效率的目的；平台层是在IaaS基础上扩展出来的一个应用平台，是整个平台架构的核心层，用于实现数据计算、处理、存储等操作，同时也具备算法分析、资源调度、应用开发等功能；应用层包括两方面内容，一是常规业务运行，二是创新应用，其创建背景是满足深度挖掘数据应用价值的需求。在相应功能支持下，工业应用层能够使机械、化工、电子等多个领域生产活动得到充分整合，并通过使用人工智能、可视化等新兴技术，使具体工艺和技术在特定场景中展势出来。

图1：工业互联网通用平台架构

1.2 传输协议

与网络信息传输相同，工业环境下数据传输和收集，也需要有相应协议来支撑。协议类型分为两类，一类是“网内”传输协议，即子网内传输协议，另一类是通过互联网传输的，不同网络之间的传输协议。

1.2.1 子网内传输协议

子网主要是指物理空间和虚拟空间内的局域网络，在相关协议支持下，传感设备可与同级设备和上层设备进行通信。按照通信方式划分，子网内传输协议又分为近距离通信协议、远距离通信协议、有线通信协议。Mod bus是目前通用的一种工业控制器网络通信协，在自动化领域里得到广泛应用。其优点包括：使用简单，开放性强，没有版权要求。ASCII和RTU是Mod Bus的两种通信模式，相比之下，采用十六进制传送数据的RTU模式数据传送效率更高。

1.2.2 子网外传输协议

子网外通信协议运行基础是TCP/IP协议，支持工业环境内部网络设备与互联网通信。REST/HTTP协议、COAP协议、MQTT协议是三种比较主流的子网外传输协议，它们各自拥有特殊的应用范围和属性特征。其中，REST/HTTP协议在标准HTTP协议基础上得到广泛应用，COAP协议可简化无线传感网，MQTT协议能够使各种协议得到很好的兼容。

2 工业互联网网关管理系统设计

2.1 平台架构设计

不同规模工业现场对互联网网关管理系统设计的要求不同，为了更好明确系统设计需求，文章以大型工业设备为例进行分析。通常而言，工业网络系统传输数据分类两类，一种是状态数据，另外则是控制数据。其中，第一种的特点是海量数据且对及时性要求高，后者则负责更新边缘网关信息及数据处理工作。结合工业生产实际，大型设备在运行过程中容易出现数据上传准确性偏低（由环境混乱、干扰较多导致）、数据量增长速度过快（由过高监控需求导致）、数据格式难统一、设备反应时间较长等问题，因此，新构建的工业互联网管理平台需要具备如下四项功能：

（1）数据的实时显示和历史查询；

（2）实现远程控制；

（3）保证数据传输及时性、准确性、有效性；

（4）确保系统足够安全、稳定，以及具备可扩展性。

基于上述问题和需求，本研究设计了图2所示的网关架构。

图2：数据过滤流程图

工业互联网管理平台体系架构共分为三个层次，由下至上排列为：传感器设备、网关、云服务平台。其中，分布广泛的传感器设备会完成各类工业数据获取任务，根据工业互联网中的数据分布情况，采取合理有效的方式对数据进行采集和汇总，最后输送到网关。结合实际需求，系统功能设计分为三个模块：数据智能回传模块，协同任务分发模块，“网关+云端”管理平台。在网关设计方面，数据接入，数据管理，数据应用分别代表三个不同的功能层级。

2.2 智能回传模块设计

所谓“智能”，主要指对每一条设备中的数据进行标识，这种标识往往具有唯一性，而结合数据固有属性和特征，以及用户实际需求进行预处理，则被认为是实现数据唯一性的基础。基于工业互联网应用的智能回传模块设计，网关数据层支持阈值和频率两种过滤方式。但同时也支持自定义过滤，用户可将计算脚本下发到指定网关（数据过滤流程见图2）。考虑到网关设备具有内存低、容量小等特点，因此不建议采用HTTP协议进行数据传输，否则会造成负载过重，引发开销过大等问题。MQTT具有低成本、轻量级、支持高并发，以及兼容性强等优点，比较适合作为向云端传输数据的协议。

2.3 任务分发模块设计

任务分发模块设计以云端至网关任务下发机制为基础，该机制主要用于解决网关升级问题，以满足工业生产任务更新和重配置需求。Docker镜像和计算脚本是下发文件的主要内容。新的Docker容器部署分为两个步骤，一是将已发布的映像从Docker服务中提取出来，二是基于镜像启动容器。针对Docker注册表负担过重、网络流量泛滥、镜像服务失败等问题，本设计采用了基于P2P网络的文件分发系统。P2P网络可以挖掘所有节点的带宽资源并进行充分利用，减轻云端的负荷压力，让部署环节提速。由于本次网关管理系统设计是以工业互联网应用环境为背景的，因此对分发节点的研究必须以工业环境下的网关设备作为基础。结合工业生产实际来看，任何一台被使用的PC机（客户端主机）都将通过一个专门的IP地址与外部环境进行通信。考虑到私有网络结构相对简单，且网关节点所处于的网络环境比较优越（速度快、延迟低），因此不需要对主机隐藏在NAT网络后面这一情况进行单独处理。以此为基础，原有平台只需要扩展一个务分发协调控制器即可。P2P通信模式环境下，借助云控制器进行调度，网关既是资源提供方，又是资源请求方，数据传输速率与请求方的数量呈正比。

2.4 网关与云端管理平台设计

2.4.1 网关平台设计

工业互联网网关不仅被视为用户观测数据的第一窗口，更是整个系统最为重要的管理平台，在高效完成简单管理工作的同时，减轻了云端管理压力。在某种程度上，网关管理平台能够任一数据分析需求和管理需求

在本次设计中，网关管理平台可实现的功能主要包括以下三项内容：

（1）可以对网关状态进行直接监控和管理。不管是正在运行的网关设备，还是处于非工作状态的网关设备，都将会受到直接监控和管理，过程中，网关应用平台也会随具体要求而得到更新。

（2）可以直接监控和管理传感节点。根据需要，网关管理平台能够对任意一个传感器节点设备进行列表查询，包括过往日志和历史数据，同时也支持参数修改与数据删除操作。

（3）可实现数据智能回传。对每一条设备中的数据进行唯一性标识，结合数据固有属性和特征，对用户实际需求进行预处理。

2.4.2 云端管理平台设计

云端管理平台设计共分三部分内容，包括基础结构，负载均衡，功能设计。

首先看基础结构，多功能服务集群以平台的形式得以展现，在底层基础功能架构的支撑下，体现平台与应用的优势，用户将享有新增应用和应用拓展的权利，前提是，需要根据自身实际使用需求进行操作。本次设计所采用的平台架构是REST，与RPC、SOAP相比，此结构结构更加清晰，可扩展性更强。但需要指出的是，它并不是一种标准，只是一种设计风格。

然后看负载均衡，负载均衡是Web服务应用需要认真考虑的一个问题，结合实际来看，DNS轮询、LVS调度和Nginx服务反向代理被认为是比较有效的三种解决方案。以DNS轮询为例，用户在访问浏览器时，首先需要借助DNS功能来解析即将链接的IP地址，再通过此IP访问Web服务。而对于DNS轮询来说，它会在服务权重配置基础上，通过对解析记录和服务IP进行添加和绑定来实现负载均衡。

最后是功能设计，主要内容有：网关设备和网关下节点设备管理、节点数据订阅和查询、任务文件下发和用户数据管理。Web应用通过REST API接口向后端HTTP服务发送请求和数据，接受到请求后，通过Mongo DB数据库、MQTT服务、本地服务等三种途径中的一种来完成其与Web服务的数据交互。

3 工业互联网网关管理系统实现

3.1 管理系统整体架构搭建

本次工业互联网网关管理平台设计采用了RESTful架构，并且为使系统稳定性能够满足全部生产需求，还特别加入了代理服务器，即Nginx。它是一种Web服务器，具备负载均衡、Web缓存、代理HTTP等功能；在开发ice-work等开放性组件平台前提下，以React前端框架作为用户访问界面；系统任务分发功能开发在HTTP协议控制下来完成；借助NATS消息队列来实现高并发网关数据汇总，NATS属于一种高性能、开源的中间件，其量级较轻，吞吐量远远高出其他同类型软件；借助MQTT协议和EMQ代理服务器功能实现数据智能回传功能；网关和云端数据库使用SQLite、Mongo DB和Mysql，其中，SQLite属于一种进程内的库，作为数据管理模块中的数据库，SQLite充分发挥了自身内存占用量小，量级轻，不需要任何外部依赖等优势。系统整体架构模式见图3。

图3：工业互联网网关管理系统架构图

3.2 智能回转模块实现

第一次启动网关管理平台软件时，会初始化系统数据，之后，网关配置信息表会生成。此市，需要用手动的方式来对网关ID和网关区域，以及接入密钥和MQTT服务地址、端口号进行设置。需要指出的是，“Topic全局唯一”是整个网关配置过程需要格外注意的一项内容。当网关配置完成并获得具体信息后，需要通过“消息订阅”的方式与网关内消息列队进行沟通，实现与底层传感节点间的传输。在NATS中，有两种主题类型，一是设备状态数据，表示设备基本信息已经处于或尚未处于工作状态，另一种是设备实时采集数据，负责为传感器实际采集到的电流电压数据。网关系统初始化完成后，如果读取到MQTT服务地址，可直接上传数据。数据上传前需判断预处理情况，若不需要对数据进行预处理，则直接从NATS订阅的数据上传；若需要进行预处理，将由智能回传功能负责完成。

3.3 任务分发模块实现

任务文件会在任务分发模块实现过程中通过云端系统进行上传，并生成一个具有唯一性的任务ID。在依次对网关区域、ID、网关优先级进行输入后任务列表会根据所输入的内容自动生成，并在文件内容被上传，以及网关ID和地域信息被确定后，生成任务列表。收到下一个心跳包后，与数据库内数据信息对比，判断网关是否处于任务列表中。通过对比结果，将对应的任务类型、序号以及网关列表作为结果返回到网关。在接收到心跳包返回值后，网关会对其内容进行判别，以判别结果作为基准，决定是否进行其它操作。

3.4 网关与云端管理平台搭建

3.4.1 网关管理平台搭建

通常而言，工业互联网网关需要具备用户接入、设备接入、平台管理等基础性功能。结合前面设计分析与需求，网关管理平台应当具备网关状态监控和管理，传感节点数据监控和管理，数据处理等几项功能。功能结构图见图4。

图4：工业互联网网关管理平台功能结构图

在平台更新方面，当云端上传了新的应用版本时，会通过反向控制功能来告知网关，除新版本内容外，信息还包含了URL地址。在网关接收到版本更新信息后，平台更新栏会立刻新增出一个下载按钮，用户可直接点击该按钮进行下载，进而完成版本更新。

3.4.2 云端管理平台搭建

在网关设备管理中，心跳包用于完成网关与云端服务的连接需求，按照1分钟发送一次的频率。心跳包内包含了网关内网IP、运行状态、接入设备ID等多项信息。处理和提取请求参数被接收到后的有效值，并在网关设备数据列表中转存。，通过网关ID判断是否需要进一步下发控制信息，无论是否要下发，后需要回复相应字段信息。在节点数据订阅方面，节点数据的Topic是以按需订阅要求和标准来进行定义的，通过添加相应前缀，以及借助相关协议与MQTT服务功能，列表中的Topic又得到进一步遍历。在数据节点查询方面，节点数据查询被分为实时数据查询和历史数据查询两种，系统在实际运行中会不间断的对Topic列表中的消息进行订阅，并将那些已订阅的消息进行储存，这样，过往数据信息便能通过历史数据查询方式进行查找，而后端服务在从数据库中获得有效信息后，会将这些结果传递至前端。

4 结束语

互联网技术的迅猛发展，加速了工业新业态的生成，工业互联网及其相关内容已成为现阶段我国一项主要发展任务。针对数据量并发数多，设备管理杂而乱和数据分析的难度大等问题，工业互联网网关管理系统设计要从需求出发，找到问题的解决办法，对原有系统进行不断优化，通过增设新功能来满足应用需求。