一種智能家居網(wǎng)關(guān)的智能架構(gòu)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）誕生的宗旨就是讓每個人的生活更加簡單和方便。然而隨著我們房子里面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不斷增加則變得越來越難管理。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常要借助IoT hub——本質(zhì)上就是一個小型的網(wǎng)關(guān)，它的唯一作用就是充當(dāng)一個基站為不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供不同的無線標(biāo)準(zhǔn)——可以直接接入到已經(jīng)存在的家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中來。這些對硬件不斷增加的要求給運(yùn)營商和服務(wù)提供商帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：房子內(nèi)的設(shè)置變得更加復(fù)雜，消費(fèi)者會經(jīng)常搞錯，因此這是不可持續(xù)的。本篇文章我將說明物聯(lián)網(wǎng)對家庭網(wǎng)關(guān)的影響，并介紹一種新的架構(gòu)設(shè)計，除了能解決現(xiàn)在所面臨的很多問題，同時也能夠為運(yùn)營商提供更大的靈活性，推動新的商業(yè)模式。

家居物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)不可避免的事實(shí)

我們以現(xiàn)在比較典型的家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，毫無疑問，我們需要家庭路由器或者網(wǎng)關(guān)作為整個網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，它的主要任務(wù)就是為多路連接提供寬帶服務(wù)以及為無線設(shè)備提供無線網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。配置也相當(dāng)?shù)暮唵?，但是WiFi不是唯一的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，而且確實(shí)顯得過于臃腫——無論是帶寬還是功耗——對于大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如傳感器和制動器等都不太適合。取而代之我們可以選擇更合適的標(biāo)準(zhǔn)如ZigBee、Thread和藍(lán)牙等。盡管一部分高級的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計集成了這些額外的無線標(biāo)準(zhǔn)，但是還沒有廣泛普及，因此運(yùn)營商還需要提供這些規(guī)格的物聯(lián)網(wǎng)Hub來滿足這些市場需求。

這些解決方案看似很簡單，但是最終會導(dǎo)致更多的物聯(lián)網(wǎng)hub連接到家庭路由器上，這不僅增加了家庭內(nèi)硬件設(shè)備的數(shù)量，而且環(huán)境也變得越來越差，會對用戶造成一定的困擾，此外一些重疊網(wǎng)絡(luò)的交叉使用也會給整個網(wǎng)絡(luò)造成不穩(wěn)定的影響：畢竟我們無法確定兩個不同的物聯(lián)網(wǎng)hub是否會使用相同的無線電頻率和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，盡管你能降低自己家內(nèi)設(shè)備之間的影響，但是卻無法控制鄰居無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)造成的干擾。

系統(tǒng)不斷集成所帶來的挑戰(zhàn)

硬件的更新——具體來講就是無線電技術(shù)——對于家庭網(wǎng)關(guān)來講更加的直接：一般都不會很昂貴而且軟件定義無線電（SDR）提供了完善的解決方案。Imagination公司推出了一系列高級的無線電技術(shù)，比如Ensigma無線通信處理器內(nèi)核，SoC供應(yīng)商可以生產(chǎn)低成本的家庭網(wǎng)關(guān)芯片，而且集成了所有流行的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。

更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)其實(shí)來自于軟件集成，各種物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)都需要集成到同一個網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上來，每一種都有不同的標(biāo)準(zhǔn)，每一種都有自己的資源要求，有時候可能還需要使用不同的操作系統(tǒng)。而且為了確保質(zhì)量以及測試還需要延長開發(fā)時間，所以說有很多不可避免的工程問題要解決。最大的難題就是創(chuàng)建一個安全的環(huán)境能夠讓這么多的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)共存，同時又能夠互相獨(dú)立的運(yùn)行，而且不會妨礙堅挺網(wǎng)關(guān)的其他核心功能。

唯一的解決方案就是采用新的架構(gòu)設(shè)計：足夠的靈活適用所有的應(yīng)用場景，而且軟件的開發(fā)、測試和驗證也會相對的簡單，較強(qiáng)的擴(kuò)展性可以增加新的服務(wù)功能，此外還具有較強(qiáng)的安全特性，這就是我們要向大家推薦的硬件虛擬化。

進(jìn)入虛擬化世界的可能性

虛擬化已經(jīng)在企業(yè)服務(wù)器市場的應(yīng)用已經(jīng)有很多年了，指的是在單個服務(wù)器上能夠同時運(yùn)行多個軟件環(huán)境和服務(wù)，這樣的策略可以降低硬件的設(shè)備和運(yùn)維成本。Imagination公司已經(jīng)做了進(jìn)一步深入研究，并將這種策略應(yīng)用到嵌入式SoC：MIPS系列所有處理器都支持硬件虛擬化。MIPS CPU支持全面的硬件虛擬化，也就是指芯片具有保證系統(tǒng)安全啟動和維護(hù)不同虛擬分區(qū)的所有機(jī)制，每個虛擬分區(qū)都與其他分區(qū)隔離，對于所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用能通過極其快速的上下文切換來保證足夠的吞吐量。

在虛擬化系統(tǒng)中優(yōu)先級最高的程序成為系統(tǒng)管理員，運(yùn)行在本地操作系統(tǒng)上，這是通過硬件信任機(jī)制來建立一種安全啟動的方式，這樣是為了確保管理員程序是處理器第一先執(zhí)行的。管理員監(jiān)管所有處理器內(nèi)核和資源的訪問，比如無線電通信引擎和外部存儲器空間。它支持虛擬機(jī)或者“容器”的創(chuàng)建，每個虛擬機(jī)都能夠安全的運(yùn)行一種軟件環(huán)境，并且與其他系統(tǒng)隔離，好像每個系統(tǒng)都能夠直接訪問底層硬件和存儲子系統(tǒng)一樣。

對于家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)用，這個架構(gòu)允許網(wǎng)關(guān)的核心應(yīng)用軟件在自己獨(dú)立的容器內(nèi)運(yùn)行。這個系統(tǒng)還支持引入額外的容器提供其他物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，每個容器都是安全的且與其他服務(wù)容器相隔離，而且就像是在本地硬件上運(yùn)行似的。這意味著服務(wù)可以使用不同的操作系統(tǒng)，只要合適就行。它們不需要使用通用的內(nèi)核或者驅(qū)動程序，因此可以運(yùn)行不同版本的Linux系統(tǒng)或者實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）。這些都可以與現(xiàn)有的服務(wù)一起運(yùn)行，而不需要將它們移植到通用的操作系統(tǒng)上來。

真實(shí)應(yīng)用的一個例子

在這個例子當(dāng)中，我們讓核心網(wǎng)關(guān)軟件運(yùn)行在一個安全的虛擬化環(huán)境中，第二個容器負(fù)責(zé)管理基于實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS）的家居安全系統(tǒng)。第三個容器提供家居控制服務(wù)，例如智能照明或者加熱。管理員程序可以通過多路復(fù)用的方式訪問網(wǎng)關(guān)的無線電資源（如WiFi、ZigBee、藍(lán)牙等），這使得所有服務(wù)能夠使用統(tǒng)一的無線電頻率，提供無線電頻譜的利用率。

這個設(shè)計架構(gòu)是非常靈活的且可擴(kuò)展：值得注意的是寬帶（運(yùn)營商）這邊的網(wǎng)關(guān)可以與家庭的WiFi和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分開來維護(hù)。這樣就可以方便的對兩邊固件進(jìn)行更新，無論網(wǎng)關(guān)是否處于運(yùn)行狀態(tài)。新的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的引入不會干擾已經(jīng)存在的服務(wù)，同樣的，服務(wù)的更新也是每個容器互相獨(dú)立的而不需要重啟整個系統(tǒng)，因此運(yùn)營商的相關(guān)固件升級期間仍然能夠保證各項服務(wù)的連續(xù)性。

網(wǎng)關(guān)制造商和運(yùn)營商的雙贏之路

硬件虛擬化的方式驅(qū)動軟件的模塊化設(shè)計，這明顯的降低了項目開發(fā)成本，同時做到了質(zhì)量保證，測試的簡單化，這些都加快了產(chǎn)品面市的時間。更重要的是簡化了軟件服務(wù)集成操作，我們不需要用傳統(tǒng)的方式將所有的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)都集成到一個家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中：通常之前部署在物聯(lián)網(wǎng)hub上的軟件程序都可以放在家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中開設(shè)的容器內(nèi)運(yùn)行，同時支持各種無線通信協(xié)議，就好像運(yùn)行在專用的硬件平臺上一樣。與此同時，網(wǎng)關(guān)的核心功能可以在自己受保護(hù)的分區(qū)內(nèi)運(yùn)行，判定一個設(shè)計實(shí)例是否成功的一個重要標(biāo)準(zhǔn)就是安全，不能夠干擾網(wǎng)關(guān)其他系統(tǒng)分區(qū)的服務(wù)和操作。

從運(yùn)營商的角度來看，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件虛擬化給物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供了更廣泛的選擇。在與選定的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)供應(yīng)商進(jìn)行長期集成工作之前不需要提前選擇物聯(lián)網(wǎng)合作伙伴，它們可以隨時選擇第三方服務(wù)提供商，將物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)軟件集成到現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)設(shè)備開設(shè)的虛擬容器中，沒必要再使用各種類型的物聯(lián)網(wǎng)hub。當(dāng)然網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)還必須集成各種常用的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對于運(yùn)營商來說就是能夠更加高效的控制這些網(wǎng)絡(luò)、無線電頻率的多路復(fù)用，提升無線電頻譜的利用效率，提供可靠性高、集成速度快、成本低的解決方案。

總結(jié)來說就是無論從工程還是商業(yè)的角度來看，家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件虛擬化都具有非常明顯的優(yōu)勢。虛擬化架構(gòu)設(shè)計讓軟件服務(wù)部署更加簡單，加快產(chǎn)品面市，更廣泛的第三方服務(wù)選擇，整體上降低系統(tǒng)成本。而且提供了一個融合后的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，運(yùn)營商能夠高效的管理，能夠控制所有的服務(wù)，這樣就會增加客戶的選擇意愿和滿意度。