一种智能家居网关的智能架构设计与实现

物联网（IoT）诞生的宗旨就是让每个人的生活更加简单和方便。然而随着我们房子里面物联网设备的不断增加则变得越来越难管理。物联网设备通常要借助IoT hub——本质上就是一个小型的网关，它的唯一作用就是充当一个基站为不同的物联网设备提供不同的无线标准——可以直接接入到已经存在的家庭网关系统中来。这些对硬件不断增加的要求给运营商和服务提供商带来了严峻的挑战：房子内的设置变得更加复杂，消费者会经常搞错，因此这是不可持续的。本篇文章我将说明物联网对家庭网关的影响，并介绍一种新的架构设计，除了能解决现在所面临的很多问题，同时也能够为运营商提供更大的灵活性，推动新的商业模式。

家居物联网网络不可避免的事实

我们以现在比较典型的家庭网络拓扑结构为例，毫无疑问，我们需要家庭路由器或者网关作为整个网络的中心节点，它的主要任务就是为多路连接提供宽带服务以及为无线设备提供无线网络访问互联网。配置也相当的简单，但是WiFi不是唯一的无线通信标准，而且确实显得过于臃肿——无论是带宽还是功耗——对于大部分物联网设备如传感器和制动器等都不太适合。取而代之我们可以选择更合适的标准如ZigBee、Thread和蓝牙等。尽管一部分高级的家庭网关设计集成了这些额外的无线标准，但是还没有广泛普及，因此运营商还需要提供这些规格的物联网Hub来满足这些市场需求。

这些解决方案看似很简单，但是最终会导致更多的物联网hub连接到家庭路由器上，这不仅增加了家庭内硬件设备的数量，而且环境也变得越来越差，会对用户造成一定的困扰，此外一些重叠网络的交叉使用也会给整个网络造成不稳定的影响：毕竟我们无法确定两个不同的物联网hub是否会使用相同的无线电频率和网络协议，尽管你能降低自己家内设备之间的影响，但是却无法控制邻居无线网网络造成的干扰。

系统不断集成所带来的挑战

硬件的更新——具体来讲就是无线电技术——对于家庭网关来讲更加的直接：一般都不会很昂贵而且软件定义无线电（SDR）提供了完善的解决方案。Imagination公司推出了一系列高级的无线电技术，比如Ensigma无线通信处理器内核，SoC供应商可以生产低成本的家庭网关芯片，而且集成了所有流行的无线通信标准。

更严峻的挑战其实来自于软件集成，各种物联网生态系统都需要集成到同一个网关系统上来，每一种都有不同的标准，每一种都有自己的资源要求，有时候可能还需要使用不同的操作系统。而且为了确保质量以及测试还需要延长开发时间，所以说有很多不可避免的工程问题要解决。最大的难题就是创建一个安全的环境能够让这么多的物联网服务共存，同时又能够互相独立的运行，而且不会妨碍坚挺网关的其他核心功能。

唯一的解决方案就是采用新的架构设计：足够的灵活适用所有的应用场景，而且软件的开发、测试和验证也会相对的简单，较强的扩展性可以增加新的服务功能，此外还具有较强的安全特性，这就是我们要向大家推荐的硬件虚拟化。

进入虚拟化世界的可能性

虚拟化已经在企业服务器市场的应用已经有很多年了，指的是在单个服务器上能够同时运行多个软件环境和服务，这样的策略可以降低硬件的设备和运维成本。Imagination公司已经做了进一步深入研究，并将这种策略应用到嵌入式SoC：MIPS系列所有处理器都支持硬件虚拟化。MIPS CPU支持全面的硬件虚拟化，也就是指芯片具有保证系统安全启动和维护不同虚拟分区的所有机制，每个虚拟分区都与其他分区隔离，对于所有物联网应用能通过极其快速的上下文切换来保证足够的吞吐量。

在虚拟化系统中优先级最高的程序成为系统管理员，运行在本地操作系统上，这是通过硬件信任机制来建立一种安全启动的方式，这样是为了确保管理员程序是处理器第一先执行的。管理员监管所有处理器内核和资源的访问，比如无线电通信引擎和外部存储器空间。它支持虚拟机或者“容器”的创建，每个虚拟机都能够安全的运行一种软件环境，并且与其他系统隔离，好像每个系统都能够直接访问底层硬件和存储子系统一样。

对于家庭网关应用，这个架构允许网关的核心应用软件在自己独立的容器内运行。这个系统还支持引入额外的容器提供其他物联网服务，每个容器都是安全的且与其他服务容器相隔离，而且就像是在本地硬件上运行似的。这意味着服务可以使用不同的操作系统，只要合适就行。它们不需要使用通用的内核或者驱动程序，因此可以运行不同版本的Linux系统或者实时操作系统（RTOS）。这些都可以与现有的服务一起运行，而不需要将它们移植到通用的操作系统上来。

真实应用的一个例子

在这个例子当中，我们让核心网关软件运行在一个安全的虚拟化环境中，第二个容器负责管理基于实时操作系统（RTOS）的家居安全系统。第三个容器提供家居控制服务，例如智能照明或者加热。管理员程序可以通过多路复用的方式访问网关的无线电资源（如WiFi、ZigBee、蓝牙等），这使得所有服务能够使用统一的无线电频率，提供无线电频谱的利用率。

这个设计架构是非常灵活的且可扩展：值得注意的是宽带（运营商）这边的网关可以与家庭的WiFi和物联网网络分开来维护。这样就可以方便的对两边固件进行更新，无论网关是否处于运行状态。新的物联网服务的引入不会干扰已经存在的服务，同样的，服务的更新也是每个容器互相独立的而不需要重启整个系统，因此运营商的相关固件升级期间仍然能够保证各项服务的连续性。

网关制造商和运营商的双赢之路

硬件虚拟化的方式驱动软件的模块化设计，这明显的降低了项目开发成本，同时做到了质量保证，测试的简单化，这些都加快了产品面市的时间。更重要的是简化了软件服务集成操作，我们不需要用传统的方式将所有的物联网服务都集成到一个家庭网关系统中：通常之前部署在物联网hub上的软件程序都可以放在家庭网关系统中开设的容器内运行，同时支持各种无线通信协议，就好像运行在专用的硬件平台上一样。与此同时，网关的核心功能可以在自己受保护的分区内运行，判定一个设计实例是否成功的一个重要标准就是安全，不能够干扰网关其他系统分区的服务和操作。

从运营商的角度来看，网关系统的硬件虚拟化给物联网服务提供了更广泛的选择。在与选定的网关系统供应商进行长期集成工作之前不需要提前选择物联网合作伙伴，它们可以随时选择第三方服务提供商，将物联网服务软件集成到现有的网关设备开设的虚拟容器中，没必要再使用各种类型的物联网hub。当然网关系统还必须集成各种常用的无线通信网络技术，对于运营商来说就是能够更加高效的控制这些网络、无线电频率的多路复用，提升无线电频谱的利用效率，提供可靠性高、集成速度快、成本低的解决方案。

总结来说就是无论从工程还是商业的角度来看，家庭网关系统的硬件虚拟化都具有非常明显的优势。虚拟化架构设计让软件服务部署更加简单，加快产品面市，更广泛的第三方服务选择，整体上降低系统成本。而且提供了一个融合后的网关系统，运营商能够高效的管理，能够控制所有的服务，这样就会增加客户的选择意愿和满意度。