物聯網模式簡介

物聯網（IoT）在最近幾年獲得了巨大的吸引力，該領域在未來幾年將呈指數級增長。這一增長將跨越所有主要領域/垂直行業，包括消費者、家庭、制造業、健康、旅游和運輸。這本書將為那些想了解基本物聯網模式以及如何混合和匹配這些模式以實現獨特和多樣化的物聯網應用的人提供一個新穎的視角。 本介紹章詳細介紹了在設計物聯網解決方案時必須牢記的體系結構注意事項。構建物聯網解決方案具有挑戰性，因為物理硬件選擇、復雜的集成和所涉及的連接要求帶來了額外的復雜性。本章還為后面幾章將介紹的模式奠定了基礎。 在本章中，我們將介紹以下主題：

• 物聯網概述

• 物聯網參考架構

• 物聯網用例的獨特要求

• 建議的體系結構原則和注意事項

物聯網概述

物聯網最近引起了很多興趣，并從純粹的學術追求發展到了實現真實用例的地步。由于多種多樣的技術（嵌入式、云、邊緣、大數據、人工智能（AI）、機器學習（ML)，等等），并且由于可用的部署選項的范圍（將現場設備限制為云中計算和其他資源的幾乎無限可用性）。物聯網實現了不同的用例，并跨越了多個領域（家庭自動化、醫療保健、跟蹤和追蹤、聯網車輛、自動駕駛等）。 物聯網的相關性在未來幾年只會增加，原因如下： 物聯網用例包括物理世界和虛擬世界，因此，可以開發有趣而豐富的用例（與文字處理器、ERP系統等純虛擬/軟件系統相比）。可以說，物聯網用例的范圍和多樣性僅受一個人想象力的限制。 物聯網的巨大潛力已經得到了學術界和實施者的驗證。這可歸因于以下原因： 硬件組件的性能和效率隨著成本（和尺寸）的不斷降低而提高，這符合摩爾定律。當前一代硬件組件對電池的有效利用也減少了頻繁更換電池的麻煩。 商業云提供商（超規模提供商）的興起，在計算、存儲、復雜分析、高速數據接收等方面實現了無限的可擴展性。這些特性非常適合物聯網應用的需求。以下是公共云提供商/超級規模商提供的一些服務，在開發物聯網用例時可以利用這些服務： 設備管理 固件更新 邊緣管理/分析 設備/數據安全

數字雙胞胎 物聯網分析 數據攝入 數據可視化 數據存儲 影像分析 通知 以傳統連接選項（例如Wi-Fi、3G和4G）以及LoRaWAN和NB-IoT等連接選項的形式提供的無處不在的低成本連接。NB-IoT等技術對物聯網特別有用，因為它們支持遠程連接并提供長電池壽命。5G的出現通過提供高帶寬和最小延遲，進一步擴大了物聯網用例的范圍。 區塊鏈、機器人、AI/ML、能量采集、AR/VR、無人機、社交媒體等相關技術的日益成熟。這些技術使物聯網從業者能夠利用這些技術提供的能力來增強物聯網能力，從而進一步推動創新的邊界，并設想非傳統的想法。 移動和可穿戴設備的日益普及。這些設備可以隨時訪問物聯網數據，并有助于實時控制和監控物聯網設備。 市場競爭加劇，迫使企業將數據視為決策的支點和貨幣化機會。物聯網還作為運營額外收入模式的基礎，如服務收入超過產品銷售收入。

人類在操作和管理大多數非物聯網（傳統IT/OT系統）系統方面發揮著至關重要的作用，而物聯網系統被設計為獨立運行或在最少的人工干預下運行。 物聯網設備在計算、存儲或兩者方面都受到限制，而大多數非物聯網應用程序都部署在標準工作站上，那里有充足的存儲和計算可用。 物聯網應用一旦部署，預計將持續數年（10至15年是制造業的常態），而非物聯網應用的保質期很短（典型的刷新周期在3至5年之間）。因此，物聯網系統必須通過平衡當前和長期需求來構建。 在硬件/軟件組件以及連接協議的選擇中觀察到相當大的異質性。這是因為有不同的技術可供選擇，對于每種技術選擇，供應商都提供了多種實現和產品。相比之下，非物聯網系統中可能的技術選擇更少。 物聯網和非物聯網系統中生成的數據的特征存在差異。與非物聯網系統相比，物聯網系統中大數據的所有七個V（速度、多樣性、可變性、體積、準確性、可視化和價值）都很高。 很少有物聯網系統是孤立運行的，通常與其他企業系統集成。在IoTsystems中，需要集成信息技術（IT）和操作技術（OT）以及硬件設備。這提供了一個在傳統系統中罕見的全新的集成復雜性級別。 安全在任何連接的系統中都很重要，但在物聯網中它變得更加重要，因為攻擊除了會造成聲譽/財務損失外，還會導致物理傷害（工業機器人失控）。此外，大多數物聯網現場設備都安裝在易受攻擊的環境中，很容易被篡改。因此，物聯網用例中的攻擊面比非物聯網用例的攻擊面大得多。 物聯網系統的這些獨特特性可以在下圖中可視化：

圖1.1-物聯網系統的獨特特性

這種復雜性對任何剛剛涉足物聯網領域的人來說都是相當可怕的。盡管各種各樣的物聯網用例（或解決方案領域）是可能的，但在大多數物聯網用例和相關架構中也存在一定程度的共性。我們已經提到了這些相似之處，以便任何對該領域陌生的人都能理解現有的體系結構和用例。