Was ist die typische Netzwerktopologie für ein IoT-Netzwerk?

Ich sehe mehrere Fragen zu Details eines IoT-Netzwerks, einschließlich dieser zur Portweiterleitung . Ich denke, es wäre nützlich zu fragen, was als typische Basisarchitektur für ein universelles IoT-System angesehen werden könnte.

Wir haben mehrere Fragen zum Thema Vernetzung auf der Sensorseite, ob Mesh-Netzwerke geeignet sind usw. Für diese Frage interessieren mich diese weniger - sie können als drahtlose Verbindungen mit kurzer Reichweite verallgemeinert werden. Ich bin auch nicht besonders an den Details des lokalen Netzwerks zwischen Knoten interessiert, außer wenn die Details die gesamte Netzwerktopologie direkt beeinflussen.

Ich suche keine erschöpfende Beschreibung, sondern nur die Erfassung der aktuellen Norm. Welche allgemeine Netzwerktopologie wird heute normalerweise verwendet und bietet ein gutes skalierbares Modell, das mindestens diese Funktionen abdeckt:

• lokale, vernetzte Steuerung
• Fernzugriff
• Sensorknoten an mehreren Stellen
• Datenaggregation (für maschinelles Lernen usw.)
• Weitergabe von Daten (vertrauenswürdige Nachbarn usw.)
• Ausfallsicherheit (normalerweise WAN denken)

Ich suche hier keine Erfindungen oder Antworten, die tief in die spezifischen Eckfälle gehen. Ich möchte auch die Sicherheit ausschließen, es sei denn, ein Aspekt der Topologie ist für eine gute Sicherheit wesentlich (was meiner Meinung nach so offensichtlich ist, dass er nicht in die obige Funktionsliste gehört).

Der Einfachheit halber beschreibe ich dies anhand eines typischen Smart-Home-Setups als Referenz, aber hier wird von der Anwendung nichts wirklich behoben. Die Topologie auf hoher Ebene eignet sich gleichermaßen für eine mehrere Kilometer lange Farmüberwachungsanwendung mit Tausenden oder Sensoren, die Verfolgung von Parkplätzen in einer Stadt oder das Beleuchtungsmanagement in einem Bürogebäude.

Ich werde das Problem ungefähr in Schichten der Gerätehierarchie behandeln, die einer zunehmenden Komplexität einer Installation oder dem Abrufen bestimmter Anwendungsfallszenarien entsprechen können. Hier ist mein verallgemeinertes Diagramm, das das gesamte Netzwerk abdeckt.

Knotenebene der einzelne Knoten in meinem Diagramm ist eine WiFi verbunden Lampe mit einem lokalen physikalischen Korrekturschalter. Der Knoten hat häufig sowohl Sensor- als auch Steuerfunktionen und eine geringe Menge an lokalem Rechnen / Speichern. Im Idealfall kann der Knoten autonom agieren. Der Knoten kann die Steuerung von lokalen Switches direkt über das LAN (wenn er über WLAN / Bluetooth verfügt) oder entweder vom lokalen Hub oder von der Cloud aus übernehmen. Ein Knoten unterhält häufig eine dauerhafte TCP-Verbindung mit dem Hub oder der Cloud.

Ein Standort enthält normalerweise mehrere Knoten mit unterschiedlichen Funktionen, die verschiedene Konnektivitätsoptionen verwenden. Ein Smart-Home kann Innen- / Außentemperatur-, Aktivitäts- und Videodaten erfassen. Fernsensoren verwenden möglicherweise unterschiedliche Verbindungen zum Internet. Knoten verwenden typischerweise Mikrocontroller , häufig bei niedrigen Taktfrequenzen.

Hub-Ebene In einem Smart Home gibt es möglicherweise mehrere Hubs (einen für jeden Gerätehersteller), eine Aggregation oder eine Hierarchie. Der Hub kann im Router oder eigenständig kombiniert werden. Der Hub muss nicht einmal im Netzwerk aktiv sein (außer um Pakete weiterzuleiten). Der Hub ist jedoch möglicherweise für die Weiterleitung von Befehlen an einen Knoten verantwortlich - Befehle, die entweder von anderen lokal verbundenen Knoten oder von einem Remote-Server stammen. Der Hub implementiert möglicherweise das Speichern von Daten, das Komprimieren oder Filtern von Daten. Wirklich, der Hub ist nur ein Vermittler. Heute ist der Hub der erste Teil des Netzwerks, der öffentliches DNS bereitstellen kann, wodurch Netzwerkstrukturinformationen im gesamten System veröffentlicht werden können. Wie in dieser Frage beschriebenEin Hub ist häufig erforderlich, um eine Verbindung zwischen Wired / WiFi TCP-IP und einem Funkprotokoll mit geringem Stromverbrauch wie ZigBee oder Bluetooth-Low-Energy herzustellen . Hubs werden normalerweise um Mikroprozessoren herum aufgebaut und sind weniger leistungsbeschränkt als Knoten.

Roaming-Terminals Wird auch als Smartphone bezeichnet. Dies ist häufig der Hauptpunkt der Benutzerinteraktion. Ein einfacher Knoten kann seine gesamte Benutzeroberfläche über ein Smartphone präsentieren, sobald der Knoten entweder eine direkte oder eine vermittelte Verbindung mit einem bestimmten Gerät herstellen kann. Um dies zu erreichen, ist grundsätzlich ein Mechanismus zur Herstellung von Vertrauen / Besitz / Paarung erforderlich. Ein Terminal kann feststellen, ob sich sein eigener Hub im lokalen Netzwerk befindet, ob die gesamte Kommunikation über einen externen Server ausgeführt werden muss oder ob es in der Lage ist, die IP-Adresse zu suchen, die ein direktes Routing zu seinem "Home" -Hub ermöglicht. Das letztere Szenario erfordert normalerweise, dass der Router für die Portweiterleitung konfiguriert ist.

Cloud-DienstEs ist üblich, dass der Cloud-Dienst den größten Teil der Arbeit im Stapel ausführt, obwohl dies nicht immer erforderlich ist (und nicht für alle Implementierungen eine Cloud-Funktion erforderlich ist). Die nützlichste Funktion, die ein externer (öffentlich adressierter) Server bereitstellen kann, ist die Orchestrierung. Jeder Knoten und jedes Zwischenelement des Netzwerks kann normalerweise über einen direkten Kanal mit diesem Server kommunizieren, und der Server kann problemlos Nachrichten von einem Gerät an die anderen weiterleiten. Der Server kann Daten aggregieren und dem Benutzer Visualisierungen präsentieren. Basierend auf der Benutzerkonfiguration können Informationen auch an andere Benutzer weitergeleitet werden (Zugriff und Heizungskontrolle können Gästen gewährt werden, z. B. können Überschwemmungs- / Feuer- / Eindringwarnungen andere Netzwerkoptionen verwenden, um Warnungen zu generieren). Die Cloud ist auch gut positioniert, um andere Datenquellen aufzunehmen.