一种基于微内核架构的物联网网关实现方法及系统与流程

1.本发明公开一种基于微内核架构的物联网网关实现方法及系统，涉及边缘计算操作技术领域。


背景技术：

2.随着边缘计算大规模的运用，边缘操作系统面临边缘环境越来越复杂的挑战。边缘是生成所有事件数据并执行自动操作的地方，因为它必须得到管理和保护。它还包括一系列传感器、执行器和设备，它们相互之间以及与云服务进行实时数据的交互和通信。另一个方面，随着物联网规模的不断扩大，数据分析和决策等一些功能将不得不本地化，这意味着这些功能正在从云转移到边缘。
3.目前的现状问题是，对于边缘计算场景下的操作系统内核，因为处于边缘侧，所处的计算环境要求限制比较多，条件相对苛刻，要求具备最主要的是操作系统的伸缩性和稳定性。同时，操作系统的内核应该足够节能，确保在一些能源受限的应用下，能够持续足够长的时间。比如，在设备没有任务处理的时候，能够持续处于休眠状态；在需要处理外部事件时，又能够快速的唤醒。由于边缘计算场景中的物联网网关是遍布广泛的且很多是无人值守的，同时物联网设备及场景的迅猛发展也对物联网网关的更新升级提出了更高的要求，如何使物联网网关既能够更稳定的运行，又能够方便的更新软件支持是目前遇到的一个重要问题。
4.故现发明一种基于微内核架构的物联网网关实现方法及系统，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的问题，提供一种基于微内核架构的物联网网关实现方法及系统，所采用的技术方案为：一种基于微内核架构的物联网网关实现方法，所述的方法包括针对物联网网关在微内核外设置物联网网关系统服务层；设置物联网网关硬件抽象层，为传感器软件堆栈提供抽象，进行不同硬件平台的移植。
6.所述方法基于驱动框架，设置应用程序二进制接口abi。
7.所述方法还包括设置系统组件更新器，在不重启内核的前提下更新升级系统组件。
8.所述微内核作为物联网网关的核心基础，所述微内核包括底层的寻址空间管理、线程管理和进程间通信。
9.所述方法还包括设置内核ipc协议，允许不同客户端和服务进行互操作，实现与定义分离。
10.所述物联网网关硬件抽象层支持物联网软件的可重用性和可移植性。
11.一种基于微内核架构的物联网网关实现系统，所述的系统包括物联网网关系统服务层和物联网网关硬件抽象层；
12.针对物联网网关在微内核外设置物联网网关系统服务层；
13.设置物联网网关硬件抽象层，为传感器软件堆栈提供抽象，进行不同硬件平台的移植。
14.所述系统基于驱动框架，设置应用程序二进制接口abi。
15.本发明的有益效果为：本发明的物联网网关边缘计算操作系统倾向于对数据、计算任务和计算资源的管理框架，分解边缘计算应用的复杂度，实现应用的敏捷开发与部署；
16.物联网网关是物联网设备的智能中央集线器，将物联网内的设备相互连接并连接到云，转化为设备之间的通信，从而将数据过滤为有用的相关信息；
17.物联网网关允许从集中位置对设备进行单独的远程控制，从而节省时间和精力，中央集线器提供了一个单一的位置，用户和设备可以提供数据，并且数据通过云在设备之间传输；
18.物联网网关允许设备简化地进行通信，传输的数据被过滤成有用的信息；物联网网关是智能的，能够在边缘工作，这意味着在通过云分发过滤数据之前，每个网关可以检测和过滤可用数据，从而改善通信和响应时间；数据可以通过物联网网关进行处理和解释，从而无需第三方或人工干预来破译和处理信息；
19.随着物联网设备的扩展，各种安全风险也随之而来，物联网网关在互联网和设备之间提供了额外的层，可以防止安全漏洞和不必要的黑客攻击；网关为物联网设备提供了额外的安全性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是物联网服务总体架构示意图；图2是本发明的微内核物联网网关架构设计图。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
23.实施例一：
24.一种基于微内核架构的物联网网关实现方法，所述的方法包括针对物联网网关在微内核外设置物联网网关系统服务层；设置物联网网关硬件抽象层，为传感器软件堆栈提供抽象，进行不同硬件平台的移植；
25.本发明方法采用了微内核的体系结构；它将内核中最基本的功能(如进程管理等)保留在内核，而将那些不需要在核心态执行的功能移到用户态执行，从而降低了内核的设计复杂性；而那些移出内核的操作系统代码根据分层的原则被划分成若干服务程序，它们的执行相互独立，交互则都借助于微内核进行通信；微内核结构有效地分离了内核与服务、服务与服务，使得它们之间的接口更加清晰，维护的代价大大降低，各部分可以独立地优化和演进，从而保证了物联网网关的可靠性；足够精简的微内核系统也相对宏内核减少了可
能的安全漏洞，使内核可以安全稳定的运行；
26.进一步的，所述方法基于驱动框架，设置应用程序二进制接口abi；
27.进一步的，所述方法还包括设置系统组件更新器，在不重启内核的前提下更新升级系统组件；
28.进一步的，所述微内核作为物联网网关的核心基础，所述微内核包括底层的寻址空间管理、线程管理和进程间通信；
29.进一步的，所述方法还包括设置内核ipc协议，允许不同客户端和服务进行互操作，实现与定义分离；
30.再进一步的，所述物联网网关硬件抽象层支持物联网软件的可重用性和可移植性；
31.如图2所示，微内核物联网网关架构从下至上主要由硬件、微内核层、系统服务层、硬件抽象层、传感器软件堆栈、设备管理与配置、安全、固件空中升级、协议、数据管理、云链接管理器、自定义应用构成，下面依次介绍各部分的设计方案；
32.物联网网关硬件包括处理器/微控制器、物联网传感器、保护电路、连接模块(如zigbee、蓝牙、wifi等)；硬件类型(处理器/微控制器)、处理速度和内存空间取决于物联网网关设备的操作系统；
33.物联网网关操作系统包括微内核层和系统服务层，微内核层作为边缘计算操作系统的最底层，主要由系统调用、句柄和权限、消息传递、进程管理、对象和事件、虚拟内存和地址空间管理组成；用户空间代码通过系统调用与内核对象交互，并且几乎完全通过句柄管理，对句柄或它所引用的对象采取的操作受与该句柄关联的权限管理，线程表示它们所在的进程拥有的地址空间内的执行线程(cpu寄存器、堆栈等)，而进程归作业所有，作业定义了各种资源限制；当句柄被写入通道时，它们会从发送进程中删除，当从通道读取带有句柄的消息时，句柄被添加到接收进程中；虚拟内存对象代表一组物理内存页，虚拟内存地址区域(vmar)为管理进程的地址空间提供了一种抽象；
34.系统服务层主要提供了网络、驱动、进程间通信等功能服务；驱动程序框架(fdf)是一个库、工具、元数据和图像的集合，使驱动程序编写者能够开发、测试和分发针对操作系统的驱动程序；它的目标是提供一个稳定的应用程序二进制接口(abi)，允许驱动程序开发人员潜在地编写一次驱动程序，并在内核和平台的多个版本上使用它；驱动程序管理器是一个二进制文件，作为fdf的一部分被维护和开发，它负责在所有平台上加载驱动程序和管理设备，这是设备启动时要启动的初始过程之一；它在预先配置的路径中查找驱动程序包，通过运行驱动程序的绑定程序尝试为每个设备匹配驱动程序，并管理设备生命周期；它承载了一个名为设备文件系统(devfs)的虚拟文件系统，该文件系统提供了来自驱动程序外的用户空间中服务或组件对所有设备的统一访问；在微内核架构中网络协议栈并不实现在内核中，而是作为系统服务层的一个服务运行，network3是一个运行在tcp/ip协议栈；作为适应不同场景的物联网网关，可方便的升级和替换自定义的网络协议栈,而不需要更新重启内核；
35.s3进程间通讯(ipc)协议的主要工作是允许不同的客户端和服务进行互操作；)通过将ipc机制的实现与其定义分离，可以帮助实现客户端的多样性，并通过自动代码生成来简化；微内核架构的操作系统广泛依赖ipc，因为大多数功能都是在内核之外的用户空间实
现的，包括设备驱动程序等特权组件；因此，ipc机制必须高效、确定、稳健且易于使用；
36.操作系统通过硬件抽象来实现异构硬件平台的适配，硬件抽象是操作系统内核与硬件设备之间的接口层，支持物联网软件的可重用性和可移植性；它隐藏了特定平台的硬件实现细节，为内核的上层逻辑结构提供了统一的抽象视图；硬件抽象层使得内核在移植到不同硬件平台时，可以用最小的代码修改量来移植整个操作系统；该层使软件设计独立于底层硬件平台；因此，它有助于减少将开发的软件应用程序移植到不同硬件平台(从现有平台迁移或重新设计产品线期间)所需的时间和成本；
37.物联网传感器软件堆栈基本上由软件栈组成，用作与物联网传感器模块的接口；特定堆栈的集成取决于物联网网关必须支持的传感器接口；一些流行的集成堆栈有zigbee、6lowpan、enocean、ble、modbus、profibus等；由于是基于微内核架构的物联网网关，当升级协议版本或者升级支持新的协议堆栈时，并不需要更新重启内核，物联网网关可以持续稳定的运行；
38.物联网网关的设备管理和配置，需要与不同类型的传感器设备接口，每个传感器节点(用于捕获不同的数据)具有不同的属性集，物联网网关设备需要跟踪所有连接的设备/传感器，除此之外，所有设备/传感器管理和配置任务都在物联网网关上执行；因此，物联网网关设备易于配置非常重要，用以管理物联网传感器设置、属性和访问控制；所有物联网传感器设备的配置和设置存储在网关设备存储器中，这可确保每次重新引导后，上次保存的设置都可用；
39.物联网网关设计过程中，网关安全是物联网网关体系结构中的关键考虑因素之一；设计的物联网网关应确保强大的数据安全、设备安全和网络安全；网关和云之间的所有消息以及网关传感器节点之间的消息都经过加密，以确保传感器节点的数据完整性和机密性；物联网应用程序中每个节点之间的数据都经过加密，以确保网络安全；
40.确保物联网网关安全需要物联网开发者，不断修复安全环路漏洞并保持设备完整性；空中固件升级(fota)使这成为可能，fota更新确保物联网网关软件使用最新版本的安全补丁、操作系统、防火墙等进行更新；在物联网网络内，网关设备定期检查云中的固件更新并获取更新；如果发生故障，iot网关将恢复到最新已知状态；在更新过程开始之前，iot网关检查可用固件版本是否来自可信来源；同时基于微内核的物联网网关较宏内核将更具安全性，内核安全漏洞更少；
41.物联网网关通过以太网、wi-fi或5g/4g/3g调制解调器与云连接；与云建立双向通信通道，用于数据交换和命令传输，底层通信层是udp或tcp/ip协议；为了便于开发和保持标准化，使用了mqtt、coap、xmpp、amqp等协议；这是因为在原始套接字上处理和维护与云的通信是一个更复杂的过程；协议的选择要考虑到与云共享的数据量和频率；
42.数据管理包括数据流、数据过滤和数据存储(在与云失去连接的情况下)，物联网网关管理从传感器节点到网关的数据，以及从网关到云的数据；
43.云链接管理器负责与云的无缝连接，还处理诸如重新连接、设备状态、心跳消息和网关设备与云的身份验证等场景；
44.物联网网关应用程序是根据业务需要定制设计的，网关应用程序与所有其他层或模块的服务和功能交互，以高效、安全和响应的方式管理传感器节点和网关之间以及网关到云之间的数据。
45.实施例二：
46.一种基于微内核架构的物联网网关实现系统，所述的系统包括物联网网关系统服务层和物联网网关硬件抽象层；
47.针对物联网网关在微内核外设置物联网网关系统服务层；
48.设置物联网网关硬件抽象层，为传感器软件堆栈提供抽象，进行不同硬件平台的移植；
49.再进一步的，所述系统基于驱动框架，设置应用程序二进制接口abi。
50.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。