支持工业物联网设备的架构考虑因素

工业物联网(IIoT)是一种变革性技术。实施，部署和维护这样的基础设施充其量只是一个棘手的主张。成功的实施不仅仅是设备连接和安全性，还涉及扩展所有连接设备的广度和深度，为用户提供额外的价值，增加盈利能力和增长。

要实现这一目标，需要仔细准备并全面了解当今的IIoT技术。

可用的支持技术包括一些全面的云平台及其相关的设备支持软件开发 工具 包(SDK)，以及一系列商业和开源运行时组件以及云后端应用程序。

本文介绍了成功运行IIoT设备所需的几个关键架构注意事项，重点是设备上运行的软件。

工业物联网支持

工业物联网实施的主要目标是：

• 将端节点和边缘/网关类型的嵌入式设备安全地连接到云后端;
• 从这些设备收集数据，并以有意义的方式可视化的分析或呈现这些数据;
• 提供使用基于云的基础设施交互，配置，维护和升级设备的方法。

为了更好地了解智能设备如何与云交互，或者更具体地说，云后端服务，让我们来看看典型智能设备可能采取的一些基本步骤：

步骤1 - 安全入门

这首先是设备的安全启动。在此初始阶段，引导过程必须顺序验证引导加载程序，操作系统软件和其他软件组件，这些组件都作为引导顺序的一部分执行。发布安全启动后，设备需要使用后端安全地自行登机。云平台提供全面的基础架构，允许对尝试登录系统的设备进行身份管理和身份验证。

步骤2 - 配置，监视和控制

设备启用后，下一步是设备运行时实例化并将设备支持的参数和服务公开给后端。这是使用与云后端基础设施兼容的“数据模型”或标准化“对象模型”来实现的。

步骤3- 安全遥测

在设备和后端之间建立数据或对象模型之后，设备将数据推送到云并从云接收异步消息。保护运动中的数据是IIoT中的桌面赌注要求。传输层安全性(TLS)和安全套接字层(SSL)通常用于建立设备和后端之间交换的数据的安全连接和加密。

步骤4 - 软件更新和维护

这是从云连接设备实现可靠操作的关键属性。为了修复错误，升级功能和补丁安全问题，管理设备固件，应用程序和数据的综合基础架构至关重要。

工业物联网中的嵌入式设备

IIoT设备可以分类为端节点，位于IIoT生态系统的较低层，边缘节点通常用作端节点和云后端之间的网关。终端节点通常是执行器，传感器，控制器，人机界面(HMI)等。在某些情况下，终端节点将直接连接到云，而无需使用边缘节点/网关。

虽然端节点和网关都是嵌入式设备，但它们在外形和功能上可能有很大差异。终端节点设备可以非常小。它们通常是8位或16位智能传感器，它们利用简化的无线协议和极端的电源管理策略来收集本地能源，实现免维护运行。另一方面，边缘节点可以是功能强大的多处理器，多核设备，具有类似企业/服务器的计算能力。从软件的角度来看，终端节点设备可以在裸机(无操作系统)和大型设备，实时操作系统(RTOS)甚至通用操作系统(GPOS)(如Linux®)上运行，经常被部署。

云平台和SDK提供的设备管理功能

云供应商提供各种基础架构和工具来创建和管理连接的IIoT设备。云供应商提供的主要功能之一是安全地加载设备以及监控，管理和更新该设备所需的通信基础设施。但是，具体功能因提供商而异。

您可以从已建立的云供应商那里获得的一些核心功能包括：

1. 设备身份管理和配置

云平台通常提供用户添加，删除和管理设备及相关安全属性所需的基础架构。当用户添加新设备时，将在托管在云上的设备注册表中创建设备的标识，并生成关联的安全凭证。需要将这些凭证提供给设备，以实现对云平台的安全入职。在典型环境中，基于公钥的相互认证用于建立健壮的设备认证基础设施。

2. Communications

Cloud供应商提供的设备SDK包括供应商云平台支持的一套通信协议。在此协议套件层之上有一个特定于云供应商的层，它支持更高阶的构造，其中可能包括用于实例化设备数据模型的特定于平台的绑定，用于定义和协商设备双胞胎的API等。

3. 数据模型

当设备启动时，必须在设备和云后端之间协商数据模型。有几种方法：

• 一个自定义数据模型的方法是通过像微软Azure和亚马逊网络服务(AWS)，云平台，其中通过使用设备SDK提供的特定平台绑定，该设备可以定义和公开其数据模型支持后端。
• 阿基于标准的，对象模型是另一种方法。这里的一个例子是轻量级机器到机器(LwM2M)协议，它利用了OMA标准和IPSO联盟所做的努力。(IPSO联盟是一个行业联盟，通过为传感器和执行器，设备固件等智能对象发布大量绑定到工业机械等来支持LwM2M。)由于对象具有标准化绑定，因此它们可以连接到任何云符合相同对象模型的基础架构。

IIoT设备管理所需的其他设备软件功能：操作系统/系统服务

OS / System服务在云供应商SDK提供的设备入门和通信的基础上进行扩展。这些服务实现了工业物联网设备所需的功能，可实现IIoT设备的全面设备管理。这些功能包括生命周期管理，系统/设备运行状况监控，设备软件更新，设备应用程序更新等。

OS / System服务启用的一些关键功能包括：

1. 软件更新服务

更新设备操作系统(OS)软件和应用程序软件的能力是IIoT智能设备支持的基本要素。在向设备提供操作系统和应用程序更新时，安全性是一项重要的原则。大多数用例需要在设备使用更新工件之前确认隐私，完整性和真实性属性。设备软件架构应考虑评估固件运行状况所需的基础架构，并支持针对已知工作固件版本的故障安全回滚功能。设备的应用程序更新可以作为加密/签名二进制包提供。对于基于 Linux 或Windows的设备，基于容器的应用程序管理变得非常流行。

2. 系统诊断，运行状况监控和分析服务

必须监控部署在制造环境中的IIoT设备的系统运行状况和性能。在事后调试方案中，在设备上分析应用程序的能力可以提供对设备软件运行时的深入洞察，并帮助对已部署的设备进行故障排除。

3. 安全的系统服务

在IIoT环境中，信息技术(IT)和运营技术(OT)网络的融合使安全性变得至关重要。设备运行时应提供IT和OT网络接口硬隔离所需的安全基础结构，以便外部Internet攻击者不会破坏内部工厂网络。应采用合适的防火墙和边缘网络配置工具来实现此隔离。