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对不同的数据协议、数据模式进行采集适配。基于XX智慧平台统一数据交换标准与第三方系统对接实现数据交换实现不同场景中的在线监测仪表以及其他物联传感设备的通讯和数据交换。为企业信息化集成平台的不同业务系统提供底层物联采集及数据支撑。
1.1.2.需求分析
数据通讯平台主要承担硬件设备与应用系统的交互第三方系统与企业内部系统的交互。需要满足内部业务在该通讯平台的基础上实现业务系统的业务可扩展性。基于以上分析对数据通讯平台提出了以下要求
(1) 多协议的支持由于设备厂商的差异性采用的协议参差不齐基于以上原因对数据通讯平台提出了较高的要求要求数据通讯平台支持多协议例如MQTT、TCP、CoAP。
(2) 同类型设备数据包通讯的标识硬件同类型设备采购的厂商不同设备通讯数据包格式不同而在业务系统中需要以标准的数据实现对业务系统的支持基于以上原因要求数据通讯平台能实现不同类型设备的标识以用于设备通讯数据协议的解析。
(3) 通讯数据临时存储业务系统存在着升级、机房临时停电等情况基于以上情况通讯服务需要提供通讯数据的临时存储功能。
(4) 通信服务状态监测通讯平台提供的通讯服务可能面向不同类型设备群不同设备群自定义协议存在差异基于以上情况建立不同的通讯链路用于自定义通讯协议的区分是非常有必要的。通讯链路的稳定性与通讯服务质量有关也与运维有关实时监测通讯服务的稳定性对数据的完整性非常重要。
(5) 数据标准化服务项目施工完毕后可能存在相同功能设备的二次采购服务于项目数据通讯平台提供面向业务的统一数据标准化服务有利于减少系统的接入与建设成本。
(6) 通讯服务的统一维护数据通讯服务支持不同协议的数据通讯时异构协议需要采用统一的资源管理服务进行调度与管理
通讯服务需要支持大规模的设备接入单机通讯服务存在并发极限基于以上需求通讯服务需要满足协议通讯服务的横向可扩展用于支持大规模的设备接入。
1.1.3.重难点分析
通过需求的深度分析我们可以看出单独一种通讯协议的实现比较简单单协议的通讯服务可以采用开源的解决方案该方案可以满足规模较小的设备接入但在面对大规模高并发的情况下会显得力不从心的情况。当出现多协议的情况下系统实现会变得非常复杂实现成本和维护成本非常高。多协议的通讯集成对于通讯服务平台的实现是一种挑战。
通讯服务资源的管理与监控对于通讯服务的实现也是一种挑战。通讯服务的管理主要解决通讯服务对于硬件资源的合理利用、通讯数据包的临时存储、通讯状态的监测、通讯服务的鉴权管理。
在系统集成中适配不同的业务系统非常有必要但这对通讯服务平台性能的适配提出了更高的要求。
1.1.4.重难点解决措施
针对重难点在技术上提出了一下解决措施
(1) 通讯服务横向扩展技术设备接入规模在硬件资源满足的情况下无限制数据采集平台可依据业务扩展的需要动态的新增不同类型的通讯服务器资源
(2) 支持多协议硬件设备接入该数据采集平台针对不同的协议开发了不同的通讯服务器并进行通讯集成从而支持更为广泛的设备接入通讯平台
(3) 数据隔离技术支持接入平台的通讯数据进行数据的隔离支持企业之间数据的隔离项目之间数据的隔离
(4) 数据分发技术支持同一通讯服务数据的分发用户可以根据业务动态增减数据的分发用于满足业务的需要
(5) 微服务技术由传统的单体服务技术转向微服务技术故障率更低后期可维护性更好
(6) 各通讯协议服务独立开发采用微服务技术进行通讯平台集成
1.2.系统架构设计
1.2.1.系统架构图
在目前主流的基于企业级别的技术路线可供选择的有Java 技术体系、C#技术体系、.netCore技术体系从目前国内主流技术应用和国内环境考虑我们优先选择Java 技术体系该体系用户使用群里大开源资源较多有完整的技术架构体系Java技术体系中所选用的技术路线为java、注册中心、网关、基于开源的通讯服务、跨服务调用插件、监测中心。详细技术架构如图所示: 1.2.2.业务架构设计
数据通讯平台主要包括MQ消息服务、TCP通讯服务、CoAP通讯服务、MQTT通讯服务、资源管理服务。每个子服务中核心业务模块如图所示
核心业务模块
(1) MQ消息服务
MQ消息服务为独立部署的开源软件系统资源管理平台通过组件的方式根据业务需要动态的创建销毁消息队列MQ消息队列服务的部署可以横向的扩展部署部署后的消息服务信息需要录入到资源管理服务中作为基础信息供平台使用。用户通过资源管理平台创建的消息队列需绑定对应的通讯服务供通信服务使用。
(2) TCP通讯服务
TCP通讯服务支持远程服务的创建、销毁、消息转发、权限验证、IP过滤、反向控制等功能。平台通过资源管理服务完成以上操作TCP通讯服务也可作为单独的插件使用。TPC通讯服务与资源管理平台的信息交互通过注册中心进行。TCP通讯服务部署完成后需将相关信息录入到资源管理服务中供资源管理平台对TCP通讯服务的远程检测与控制。
(3) CoAP通讯服务
CoAP通讯服务主要用于处理资源有限的低功耗设备协议。该服务支持服务创建、销毁、反向控制、权限认证、设备在线注册等功能。
(4) MQTT通讯服务
MQTT通讯服务支持服务创建、服务销毁、消息转发、权限认证。
(5) 资源管理服务
资源管理服务主要用于管理在服务器上部署的通讯服务、通讯服务中的鉴权、MQ服务。通讯服务主要包括TCP通讯服务、CoAP通讯服务、MQTT通讯服务。
1.2.3.主流技术架构分析
目前主流通讯服务设计思路有三种通讯服务的横向设计方案与纵向设计方案。
1) 常规设计方案 纵向设计方案
小型公司采用的技术架构也是开源市场上提供的最直接的解决方案该方案会取消通讯路由(通讯路由的开发存在技术难度且机器硬件采购成本较高)取消通讯路由后通讯并发不加载业务的情况下能达到1w
应用场景以项目为为主主要应用于局域网加载业务单机并发可达到3-6K
备注在大部分以项目为主或者工业应用软件基于局域网部署的场合下采用小型公司采用的技术方案该方案网络上有现成的解决方案开发成低技术难度低。
应用场景以项目为主的局域网或者工业设备互联上。
2) 纵向设计方案该框架为中型公司常用软件框架结构该框架存在并发瓶颈瓶颈在通讯路由上并发程度的高低取决于通讯路由硬件的配置在机器高配的情况下高并发在100w以上。
纵向设计方案
该框架为中型公司常用软件框架结构该框架存在并发瓶颈瓶颈在通讯路由上并发程度的高低取决于通讯路由硬件的配置在机器高配的情况下高并发在100w以上。
难点通讯路由的开发(选型测试)设备管理平台的开发。
应用场景专注于家具销售设备销售。
3) 横向设计方案该设计方案目前azure云阿里云等为代表的大型互联网公司采用了该软件架构方式主要有由通讯组件队列组件Rpc.api通讯接口设备管理平台构成该通讯采集系统。
横向设计方案
说明设备管理平台中的通讯组件动态队列用户基于业务动态在设备管理平台上进行创建并动态绑定通讯组件与动态队列。设备接入该通讯平台时需要预先在该设备平台上注册设备终端平台会分配各个设备对应的连接认证码后方可接入通讯平台。
该设计方案的优点由于高端计算机造价高单机通讯存在并发极限采用通讯分布式并发方式存在无限扩张的可能
技术难点dynamic.IOTHub的动态创建队列的动态创建设备平台的上对IOTHub与Dynamic.queue动态绑定硬件设备的动态扩容无技术积累的公司存在挑战。
应用场景用于多业主使用各业主无相关性无性能瓶颈单机高配通讯可满足上万并发。该性能能支持绝大多数业务即使存在特定业务单IOTHub不能满足需求的情况下可采用新增IOT的方式支持更多设备的接入。
以上三种技术方案应用于不同的场景方案选择需要根据实际应用场景开发技术储备人员配置情况。
1.2.4.关键技术
基于目前的市场上采用主流解决方案我们吸收了现有的解决方案的基础上提出了满足业务需求合理技术解决方案。如图所示。
横向设计方案
该方案采用了通讯服务与MQ消息服务横向扩展的技术采用资源管理平台进行通讯资源的管理与监测手段最后对交互的数据实现数据规则化提供给业务系统使用。
1.3.系统功能设计
1.3.1.功能清单列表
通过需求分析深度分析与难点分析整理出的功能清单列如表
数据通讯平台功能 序号 功能点 描述 1 资源管理 通讯资源管理 用于通讯资源的录入服务 MQ资源管理 用于MQ消息资源的录入服务 2 MQ队列管理 队列创建 用于对了MQ队列的动态创建销毁 3 TCP服务 启动服务 承担通讯服务的创建、销毁工作 IP认证服务 用于通讯服务的鉴权IP过滤 TCP通道验证 用于通讯服务的鉴权认证 4 MQTT服务 启动服务 承担通讯服务的创建、销毁、编辑工作 认证服务 用于通讯服务的鉴权认证 5 CoAP通讯服务 启动服务 承担通讯服务的创建、销毁、编辑工作 CoAP通道认证 用于CoAP鉴权服务 CoAP命令 用于设备的方向控制 6 项目管理 项目浏览 用于TCP、MQTT、COAP、MQ服务的管理与监测 设备管理 7 数据标准 用于将通讯中的数据进行标准化标准化后的数据统一提供给业务系统使用。
1.3.2.资源管理
资源管理服务主要用于通讯服务资源的管理通讯服务资源包括TCP服务CoAP通讯服务、MQTT通讯服务MQ消息队列通讯服务这些服务需要提前部署到硬件环境中供通讯服务使用。通讯服务资源单独部署采用了通讯资源横向扩展的方式解决了单机通讯并发受限的瓶颈问题。
1.3.3.MQ队列管理
MQ通讯队列管理主要用于MQ队列的动态创建销毁浏览工作创建的队列用于通讯服务消息的临时存储或者消息的转发。MQ服务是一种异步的服务间通信方式适用于无服务器和微服务架构。消息在被处理和删除之前存储在队列上每条消息仅可被一位用户处理一次。消息队列用于缓存或批处理工作以及缓解高峰期工作负载在应用程序中主要解决应用耦合异步消息流量削锋等问题实现高性能、高可用、可伸缩。
1.3.4.TCP通讯服务
该服务通过TCP协议进行数据传输该服务提供服务的动态创建、销毁、监测传统的工业应用TCP通讯服务缺少鉴权机制在该通讯服务中提供了鉴权机制用于通讯服务的鉴权同时支持无鉴权的通讯服务用于兼容不支持通讯鉴权的硬件设备。较老旧的通讯设备常采用该通讯协议作用工业互联的协议现阶段仍然有大部分企业采用该协议作为主要通讯协议用于设备通讯。
1.3.5.MQTT通讯服务
该服务提供服务的动态创建、销毁、监测、鉴权与此同时该服务支持无鉴权的通讯设备。MQTT是一个基于客户端-服务器的消息发布/订阅传输协议。MQTT协议是轻量、简单、开放和易于实现的这些特点使它适用范围非常广泛。在很多情况下包括受限的环境中如机器与机器M2M通信和物联网IoT。MQTT通讯协议在卫星链路通信传感器、偶尔拨号的医疗设备、智能家居、及一些小型化设备中已广泛使用该通讯服务为目前主流的通讯服务。
1.3.6.CoAP通讯服务
CoAP通讯服务主要用于低功耗支持CoAP协议的设备该服务支持CoAP通讯的认证设备的方向控制与此同时该服务支持无鉴权的通讯服务用于支持无鉴权的设备。该服务通过CoAP协议进行数据传输。CoAPConstrained Application Protocol是一种在物联网世界的类web协议。顾名思义使用在资源受限的物联网设备上。物联网设备的ramrom都通常非常小运行TCP和HTTP是不可以接受的。目前CoAP通讯协议在低功耗要求和信号穿透能力要求较高的场景下使用较多。
1.3.7.项目管理
平台支持基于公司多项目接入公司与公司之间数据进行逻辑隔离支持项目与项目之间进行数据隔离。注册到平台的公司可以在平台上新建项目并将项目绑定到通讯的消息队列上项目业务编程时依据绑定的消息队列消费队列中的消息。
平台提供web页面或者API接口为用户提供设备注册接口设备注册成功后可采用平台提供的通讯服务进行硬件设备与通讯服务器的通讯并将消息发送到消息队列业务程序从消息队列中获取数据进行消费。
1.3.8.数据标准化
业务系统开发完毕后接入数据的格式有特定标准项目采购设备的通讯数据标准存在差异性若项目存在阶段性建设或者持续性的优化缺少数据标准化的过程后期项目的维护改造与第三方的对接成本会非常高特别是在大型多子系统的项目中表现得尤为突出基于以上原因考虑通讯数据接入业务系统之前进行数据的标准化非常有必要。
