Internet of Things (IoT) Architecture for Beginners

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來源：物联网资本论作者：高一弘

物聯網(IoT)是目前最新最熱的技術熱點之一，也是這個資訊化時代的重要發展節點。

相對於網際網路而言，物聯網的本質在於「萬物相連」。物聯網的核心和基礎，仍然是網路，是在網路基礎上，延伸和擴充套件的網路；其使用者端延伸和擴充套件，到了任何物品與物品之間，進行資訊交換和通訊，也就是物物相連。

物聯網作業系統概述：

儘管物聯網的發展形態，受到普遍看好和關注，但是「連線、區別、辨識、溝通、操作」這五大問題，一直如影隨形，可以說只有這些問題得到很好的解決和兼顧，才能繼續應對安全性、易用性、低成本等問題。

在網路「人與人」之間的資訊交換和共享基礎上，進一步擴充套件實現「物與物」「人與物」之間的資訊交換和共享。

在這樣的大背景下，我們發現物聯網作業系統，與傳統的個人電腦作業系統，和智慧手機類作業系統不同，它具備物聯網應用領域內的以下特點：

1、核心尺寸伸縮性，以及整體架構的可擴充套件性。

物聯網的發展即將進入一個小的爆發期，所以面對一輪輪的技術革新，甚至換代時，整體架構的靈活性和可擴充套件性，可以說決定了一個企業的商業命脈。同時，為了適應不同的應用場景下的技術要求，核心尺寸的伸縮性，也是需要面對的問題。

2、核心的即時性。

對於非搶佔式排程方式的核心，很難滿足關鍵性動作的即時性要求，比如常見的中斷響應，和多工排程等情況下，作業系統的即時性便有了更高的要求，特別是對於大多數的物聯網應用而言，有意義的響應時間決定了市場的接受度。

3、高可靠性 。

在物聯網的應用環境下，面對海量節點可以說裝置一經投入使用，就很難再去維護。所以平均無故障執行時間，和在一些嚴苛環境下的效能表現，就顯得尤為重要。而在一向很注重資訊保全的機密機構的資料安全性，引發了業內關於開源機制、VMM機制等的廣泛討論。

4、低功耗。

由於物聯網的應用場景和網路節點的數量增多，低功耗是一個非常關鍵的指標。所以在整體架構設計的時候，就需要加入一些休眠模式、節能模式、降頻模式等邏輯判斷，以延長續航能力。

物聯網作業系統整體架構和功能：

在最低層的硬體平台之上，有物聯網作業系統核心，和外圍功能模組，加上整合開發環境，這些子系統之間相互配合，共同組成一個完整的面向，各種各樣物聯網應用場景的軟體基礎平台，一起支撐了物聯網的具體應用。

圖2是最抽象的一個物聯網作業系統描述。

具體地說，物聯網作業系統除具備傳統作業系統的裝置資源管理功能外，還具備下列功能：

1、遮蔽物聯網碎片化的特徵，提供統一的程式設計介面；

2、物聯網生態環境培育；

3、降低物聯網應用開發的成本和時間；

4、為物聯網統一管理奠定基礎。

針對物聯網作業系統的外圍功能模組，也有一些特殊的要求：

1、支援應用程式的遠端升級。

上文說到，因為物聯網的種種應用環境和條件限制，遠端升級是物聯網作業系統，在升級方式上的唯一選擇，當然同時也是最為低成本的選擇。

2、外部儲存。

支援硬碟、USB stick、Flash、ROM等常用儲存裝置，以便在網路連線中斷的情況下，起到臨時儲存資料的作用。

3、對物聯網常用的無線通訊功能要內建支援。

在公共網路、近場通訊、桌面網路介面之間，要能夠相互轉換，能夠把從一種協議獲取到的資料包文，轉換成為另外一種協議的報文傳送出去。除此之外，還應支援簡訊息的接收和傳送、語音通訊、視訊通訊等功能；

4、網路功能。

物聯網作業系統，必須支援完善的TCP/IP協議棧，包括對IPv4和IPv6的同時支援。但TCP/IP協議棧是面向網路設計的通訊協議棧，由於物聯網本身特徵與網路有很大差異，TCP/IP協議棧在應用到物聯網的時候，面臨許多問題和挑戰，需要對TCP/IP協議棧做一番優化改造。

5、支援完善的GUI功能。

圖形使用者介面，一般應用於物聯網的智慧終端中，完成使用者和裝置的互動。GUI應該定義一個完整的框架，以方便圖形功能的擴充套件。同時應該實現常用的使用者介面元素，比如文字框、按鈕、列表等。

物聯網作業系統例項分析

RT-Thread

由開源社群主導開發的開源嵌入式即時作業系統，它包含即時嵌入式系統相關的各個元件：即時作業系統核心，TCP/IP協議棧、檔案系統、libc介面、圖形引擎等。

從圖中對比上文提到的物聯網作業系統抽象架構，可以發現RT-Thread包括了：

1、底層移植、驅動層，這層與硬體密切相關，由Drivers和CPU移植相構成。

2、硬即時核心，這層是RT-Thread的核心，包括了核心系統中物件的實現，例如多執行緒及其排程，訊號量，郵箱，訊息佇列，記憶體管理，定時器等實現。

3、元件層，這些是基於RT-Thread核心基礎上的外圍元件，例如檔案系統，命令列shell介面，lwIP輕型TCP/IP協議棧，GUI圖形引擎等。

Ostro Linux

英特爾這款基於Yocto Project的作業系統Ostro Linux符合IoTivity，支援眾多的無線技術，還提供一種感測器框架。它非常注重物聯網安全，提供作業系統、裝置、應用程式和資料等層面的保護，包括加密和MAC。

在上圖的整體架構中，值得一提的是：

1、程式設計介面： 程式設計介面，是Ostro提供給應用程式開發者使用的，用於開發各種各樣的物聯網應用程式。當前來說，Ostro提供了多種多樣的程式設計介面，供程式設計師根據自己的喜好，和特定應用場景呼叫。

2、物聯網協同框架： Ostro內建了對IoTivity的支援。IoTivity 是一個開源的軟體框架，用於無縫的支援裝置到裝置的互聯，以及人與裝置的簡便互聯。其主要是為了滿足物聯網開發的需要，構建物聯網的生態系統，使得裝置和裝置之間可以安全可靠的連線。而IoTivity 透過提供一系列框架和服務，來加速裝置的互聯應用開發。該專案由 Open Interconnect Consortium (OIC) 組織贊助，相當於是 OIC 標準的一個參考實現。

3、Ostro服務： Ostro服務主要是指，系統級的一些程序或執行緒，這些程序或執行緒負責管理網路連線，載入必要的支撐服務，以及提供程序間通訊(IPC)支援等。在Ostro作業系統中，保留了大部分Linux作業系統所支援的systemd，D-Bus等。

參考對岸中國華為LiteOS

身為中國物聯網技術，尤其是NB-IoT的先驅，華為在物聯網作業系統上也大有作為。其釋出的基於Linux的LiteOS甚至是目前世界上最輕量級的物聯網作業系統，其系統體積輕巧到 10KB 級，具備零配置、自組網、跨平台的能力，可廣泛應用於智慧家居、穿戴式、車聯網、工業等領域。

LiteOS應用廣泛，從基於MCU的裝置，到與安卓相容的應用程式處理系統，不一而足。這款可定製的作業系統擁有諸多功能，比如零配置、自動發現、自動聯網、快速啟動和即時操作，它提供廣泛的無線支援，包括LTE和網狀網路。LiteOS隨華為的敏捷物聯網解決方案交付，它驅動窄頻物聯網(NB-IoT)解決方案。

中興物聯網作業系統

既然提到了華為，那麼順便說一下在2016年中興提出的物聯網作業系統方案。