多協議通用網關服務器的接口適配設計

李昂 譚智超 田杰 何迎生

關鍵詞：物聯網；多協議網關；面向接口編程思想；網關服務器；通用網關；傳輸協議

0 引言

物聯網是一種新興技術[1]，它被廣泛應用于醫療保健、交通運輸、制造和智慧城市等多個領域[2-5]。物聯網能通過終端設備感知信息、采集數據并通過對應網關服務器處理后，上傳至云端進行處理分析，達到提高資源利用率、優化生產效率的目的[6]。然而，若當前存在多個來自不同制造廠商的設備時，物聯網將會需要多個對應的網關服務器進行處理，使得不同設備之間難以交換數據，最終導致用戶需要安裝多個不同制造廠商的網關控制對應的設備，造成臃腫而繁雜的操作體驗，如圖1所示。

因此，需要一種通用網關服務器作為調解器，處理多種協議，使得不同協議的物聯網設備能夠通過統一的網關進行通信[7]。目前，物聯網通用網關服務器設計中一種常見的方法是使用中間件平臺，如消息隊列遙測傳輸（MQTT） 協議，以實現不同物聯網設備和網關之間的通信[8]；另一種方法是使用語義技術來增強不同物聯網設備和網關的交互性[9]。然而，MQTT雖然具有安全、輕量、可擴展性等優點，但對復雜數據結構的支持有限，無法實現雙向通信；而基于語義技術增強的方法雖然可以實現數據集成和靈活性，但其實現的復雜性難以忽視。

在本文中，提出了一種基于面向接口編程思想的通用物聯網網關服務器設計。該設計可靈活地接入不同的設備，減少中間開發時間成本，具有良好的可擴展性。通過將不同通信協議的功能封裝成獨立的接口，該設計能夠實現跨協議的通信，支持復雜數據結構和雙向通信，并確保數據交換的隱私和完整性。

1 物聯網通用網關服務器設計

針對上述提出的問題，本文提出了一種新型的物聯網通用網關設計，并對網關接口協議、內部信息系統、對外部用戶提供的接口三方面進行設計，并給出了網關服務器整體架構的設計，如圖2所示。

接口適配層可將不同通信協議進行整合，轉換為系統可支持的標準通信協議或數據格式；處理完成后將數據發送至設備管理模塊進行設備的相關操作；最后再經過系統統一的協議通過系統定義的通信接口發送至客戶端，最終達到靈活接入不同協議設備的目的。

1.1 接口適配層

接口適配器是一種常見的設計模式，它基于面向接口編程思想，主要用于解決物聯網設備之間通信協議的不兼容性問題。接口適配器將來自不同制造商的物聯網設備使用的各種通信協議轉換為系統支持的標準通信協議和數據格式，以確保它們能夠正常交互。接口適配器的設計思想是將底層的細節和實現與上層的業務邏輯分離，通過面向接口的設計，提高系統的可擴展性和靈活性。

下面將結合實例對接口適配層進行分析與設計。

假設當前有一個IoT 設備，它從房間收集溫度和濕度數據后，通過專有通信協議發送到網關進行處理和分析。為將數據標準化，可以定義一種表示溫度和濕度數據的通用數據格式。例如，可以定義一個JSON 數據格式，其中包含溫度和濕度字段，以及指示數據收集時間的時間戳：

最后，可以使用這個消息結構定義發送和接收消息的傳輸協議。例如，使用基于HTTP 封裝的協議，其中消息作為HTTP-POST 請求發送到網關，響應由HTTP 狀態代碼和JSON 有效負載組裝返回。

接口適配器采用面向接口編程的思想，定義了一種通用數據格式和協議，并將專有通信協議轉換為標準的HTTP協議。通過使用通用的接口和協議，不同類型的設備可以使用同一種協議和數據格式與不同的網關和系統進行交互。這種設計模式通過分離底層實現和業務邏輯，提高了系統的可維護性和可擴展性。

1.2 設備管理層

在設備管理模塊中，第一步是與接口適配層（In?terface Adapter Layer，IAL） 建立通信接口，實現物聯網設備與系統其余部分之間的數據和命令交換。

下一步是確保來自物聯網設備的數據采用統一格式，以便系統的其余部分能統一處理，這是接口適配層再次發揮作用的地方。它進行數據格式轉換，將來自不同設備的數據標準化，這將更易于管理和分析。

在建立通信接口并完成數據轉換過程后，設備管理模塊就可以提供一組與設備管理相關的API（Appli?cation Programming Interfaces）。這些API為系統的其他部分提供了一種標準化的方式來與物聯網設備進行交互，通常包括設備發現、設備配置、設備狀態監控、數據采集和存儲、數據可視化分析、告警和通知模塊，如表1所示。

在接口適配層進行標準化數據的基礎上，通過在設備管理模塊中實現這些API，有效地管理和監控的物聯網設備，提高設備性能，并防止停機或設備故障。

1.3 實施安全功能

在此模塊中，將討論網關服務器應實施的一些基本安全功能，以確保網關服務器能更加有效地保護設備和數據的安全性，并預防各種潛在的威脅和攻擊。

數據加密：數據加密是一項重要的安全功能，可確保數據在傳輸和存儲過程中的機密性。服務器使用AES-256 等強加密協議來加密敏感數據，并將加密密鑰安全存儲，確保只有授權用戶才能訪問它們。

訪問控制：訪問控制是另一個重要的安全功能，它限制對敏感數據和資源的訪問。服務器使用基于角色的訪問控制（RBAC） 和用戶身份驗證機制對訪問進行控制，僅允許授權用戶訪問數據和設備。

用戶認證：用戶認證是一種用于驗證訪問系統的用戶身份的機制。網關服務器通過使用密碼和雙因素身份驗證（手機+ 電腦雙重認證）來實現，要求用戶創建一個強密碼，并定期更改以確保安全。

1.4 實施負載均衡和故障轉移機制

為確保物聯網網關服務器的高可用性和擴展性，將對服務器實施負載均衡和故障轉移機制。通過負載均衡技術，服務器可以均衡地響應請求，從而避免出現負載過重和性能大幅下降的情況；而故障轉移機制則可以在服務器故障或不可用時自動將請求轉移到備用服務器，從而確保系統的連續性和可用性。

負載均衡可以通過多種方式實現，其中包括循環法、最小連接數、IP 散列等。在循環中，請求按順序在服務器之間分發；在最少連接中，具有最少活動連接的服務器接收下一個請求；IP 哈希根據客戶端的IP 地址分發請求。服務器將結合循環法和最少連接數實現負載均衡，請求按順序（循環）在服務器之間分發，活動連接最少的服務器接收下一個請求（最少連接）。這種組合可以幫助有效地平衡負載，確保沒有服務器過載，同時最大限度地減少響應時間。在服務器較少時，則采用動態負載均衡。根據實時服務器負荷和相關網絡指標（如CPU 使用率、內存使用率和網絡流量等），執行動態負載均衡算法對請求進行合理分配，確保具有最多可用資源的服務器接收下一個請求。

在實現故障轉移機制方面系統將采用冗余方法，即其中主服務器由一個或多個輔助服務器備份。當主服務器出現故障時，輔助服務器會自動接管，確保為物聯網設備提供無縫服務。這可以通過集群來實現，其中多個服務器連接成一個組并共享相同的資源和數據。

2 結束語

在本文中，提出了一種基于面向接口編程思想的物聯網多協議通用網關服務器設計，其中包括接口適配層設計、設備管理層設計及安全功能、負載均衡和故障轉移機制的實施。

接口適配層提供標準接口適配各種協議，實現不同物聯網設備和網關的集成；設備管理層簡化對各種物聯網設備的管理流程，實現了對不同協議設備的統一管理方式；安全功能的實施可確保數據完整性、機密性和可用性，這對物聯網系統的正常運轉至關重要。此外，負載均衡和故障轉移機制的實施提高了服務器的可靠性和可用性，為用戶提供持續服務。

物聯網通用網關服務器集成各種物聯網設備和網關、簡化設備管理并增強物聯網系統的可靠性和安全性，為通用網關服務器的設計提供了一種新的思路。