面向數字孿生城市的軟件定義物聯網架構*

上海城建信息科技有限公司 陳彬

泛在物聯網感知是實現數字孿生城市的基礎。本文從數字孿生城市物聯網的泛在異構接入、彈性伸縮部署和靈活資源分配等需求出發，綜合軟件定義網絡（SDN）控制層和數據層解耦的架構特點，提出一種面向數字孿生城市的軟件定義物聯網（SDIoT）架構，該架構分感知層、轉發層、控制層、管理層和應用層，軟件定義網絡的三個平面與其技術優勢得到保留，實現軟件定義物聯網和軟件定義網絡靈活共存，簡化了物聯網架構與管理方式，實現物聯網資源的虛擬化和面向多業務服務需求的動態重構。

數字孿生城市是智慧城市的一條新興技術路徑，是智慧城市數據累積到一定階段實現從量變到質變的躍遷，是大數據、人工智能等技術融合發展的城市智能化、運營可持續化的新模式。

數字孿生城市物聯網，采集海量傳感器與各種智能終端產生的巨量數據，存儲于邊緣端和云端，經大數據分析與人工智能實時處理、智能識別、智能推理、科學推斷，實現物理城市與數字城市之間虛實映射和實時交互的融合機制，在物理世界和數字世界之間建立全面的準實時聯系，從而實現物理現實與數字虛擬世界之間的互聯互通。物聯網感知是數字孿生城市建設的起點和基礎；通過物聯網提供海量的城市實時運行的數據，數字孿生城市才能感知真實的物理世界，建立物理世界與虛擬世界之間的映射，實現城市的智能學習，自我優化。

本文首先探討了數字孿生城市對物聯網架構的泛在異構接入、彈性伸縮部署和靈活資源分配的需求，然后闡述了軟件定義網絡的優勢，最后提出一種面向數字孿生城市的軟件定義物聯網架構，該架構分感知層、轉發層、控制層、管理層和應用層；感知層采集數據，轉發層受控轉發，控制層管網絡設備，管理層進行全域管理，數據與控制分離，資源與指令分離，網絡與應用分離；實現多應用承載，整網配置動態優化。

1 數字孿生城市對IoT架構的需求

1.1 泛在異構接入

數字孿生城市物聯網需要支撐多用戶、多項目、多模式、多制式、百萬級設施、億級感知設備，滿足各種場景下泛在感知的需求。需要適配各種異構環境、通信協議和網絡制式，制定感知設備接入標準與協議模型，提高物聯網數據獲取的便捷性。誠然統一的接入標準和先進的接入技術從來都是未來的趨勢，但是面向基礎設施系統建設現狀，支持基于成熟的物聯網技術的主流接入協議（如ModBus、CAN、CoAP、MQTT、HTTP等）、主流網絡協議（如LPWAN、WLAN等）的融合接入能力，才能有效保護已有投資，實現萬物數據智聯。

1.2 彈性伸縮部署

數字孿生城市物聯網需要能夠根據業務需求與技術策略，優化資源組合，調整部署深度，伸縮計算資源，具有可擴展的高度彈性部署管理能力。道路、橋梁、隧道與樓宇所需的物聯網架構完全不同，是否利用現有移動網絡、是否獨立組網、是否設置邊緣節點，每個項目給出了自己的答案。事物發展的邏輯決定了數字孿生城市物聯網也是隨時空動態更新、漸進發展的，需要提供一種有效的管理方式來應對每時每刻的大量設備與終端的動態添加、刪除或者更新的需求。

1.3 靈活資源分配

未來數字孿生城市物聯網的數據量將超出想象，但每種物聯網設備的流量需求不盡相同，但可以分為三類，分別是：面向關鍵任務或者事件驅動的延遲敏感型、與連續流相關的查詢和實時監控的帶寬敏感型，以及一般物聯網事務的盡力而為型。如果采用簡單的網絡架構，龐大的網絡設備和爆炸式增長的數據量很容易發生因為適配問題導致的網絡擁塞，繼而造成過載。各種研究表明現有機制可能無法滿足這種巨大流量所需的服務質量（QoS）要求。

2 軟件定義網絡

傳統的網絡架構中每種設備執行固化的網絡功能與策略，架構的封閉性使得網絡對設備的依賴性強，網絡管理無法應對日趨復雜的應用場景。軟件定義網絡（SDN）是一種新型的網絡框架（如圖1所示），它通過控制層和數據層的解耦，可編程接口和集中的控制器等方面打破了傳統網絡模型的層次結構，突破了傳統網絡基礎設施的局限性。交換機和路由器等網絡設備僅成為轉發設備，所有配置和控制決策和管理都由可擴展的集中控制器完成，由此實現了設備和網絡的動態、靈活和細粒度管理；實現了網絡開放性、控制靈活性和運維高效性，加速了網絡應用和協議的創新，降低了網絡建設和運維成本。

圖1 軟件定義網絡架構Fig.1 Software defined network architecture

3 軟件定義物聯網的架構

根據數字孿生的思想，在SDN擁有的轉發數據解耦、全局集中控制、靈活可編程的基礎上，本文將軟件定義擴展到數字孿生城市物聯網中的各種資源和服務。物聯網中的物理資源和服務通過信息物理映射技術抽象為網絡模型，匯集形成資源池和服務集。由控制器調度、管理和控制資源和服務，簡化了物聯網架構與管理方式，實現資源的模塊化和應用服務的定制化。

面向數字孿生城市的軟件定義物聯網SDIoT由感知層、轉發層、控制層、管理層和應用層組成（如圖2所示）。

圖2 面向數字孿生城市的SDIoT架構Fig.2 SDIoT architecture for digital Twin Cities

3.1 感知層

感知層由感知節點組成，負責采集數據和受控轉發數據，也可上報指令與數據狀態。感知節點不是網絡設備，不能被認定為轉發層。為滿足泛在感知的需求，感知節點須具備簡單、經濟、低能耗、布置靈活和操作簡單的特性。

3.2 轉發層

轉發層包含交換機、路由器等網絡轉發設備，還包括異構網絡的匯聚節點即物聯網網關（IoTGateway，IoT網關，如圖3所示）。網絡設備負責數據轉發，無自主決策供，網絡智能被分離到控制層。IoT網關為各種通信協議的實現適配，為各模塊和應用提供一致的服務，并對傳感器/設備、存儲和計算資源進行抽象和輕量級實現，形成資源池和服務集，如軟件定義的虛擬傳感器、虛擬網關等。IoT網關通過本地網絡互聯互通，支持海量泛在終端的接入，對物聯網數據進行采集、匯聚、傳輸和基本處理；而相關的控制與管理功能則通過管理層的IoT控制器實現。

圖3 IoT控制器與IoT網關Fig.3 IoT controller and IoT gateway

3.3 控制層

將SDN網絡控制器單獨匯聚成控制層，是SDIoT中SDN網絡的核心控制單元，只負責已經相當復雜的網絡系統。SDN控制器經南向接口與轉發層網絡設備交互，將網絡策略轉化為網絡配置、安全服務等信息下發到交換機、路由器等設備；SDN控制器經北向接口與應用層和管理層交互。開發者通過北向接口對網絡進行配置、管理和優化。為避免單點故障，大規模網絡需要多個SDN控制器協同運行。

控制層中SDN控制器與轉發層的網絡設備是SDN網絡的基本單元，將SDN控制器單獨分層，可以保證SDN技術在SDIoT的獨立性與適用性。

3.4 管理層

面向應用/事務驅動的SDN網絡架構只能以應用/事務需求為中心，易導致資源濫用，引起網絡資源失衡，因此需要構建具有全局視圖的、能進行全域管理的管理層。管理層由IoT控制器組成，對傳感器/設備進行編程、配置和管理，對IoT網關進行統一管理、統一調度、數據共享和動態配置等。

基于全局視圖，IoT控制器可以動態激活/停用傳感器并自定義其配置以滿足應用需求，同時降低能耗。下行接口（與SDN區分，不稱南向接口，下同）收集來的轉發層的傳感器與網關信息，并對資源管理系統提供靈活的資源抽象（如虛擬化傳感器資源）并通過上行接口相應的API（應用程序接口）提供底層抽象給上層業務應用；管理層的網絡管理模塊通過控制層的北向接口與SDN控制器交互，配置物聯網所需的網絡資源的策略配置，路由協作，性能監控，睡眠調度，流量優化等。IoT控制器也可通過增加分布式部署的數量來實現高可用性與高性能。

3.5 應用層

應用層負責業務的構建、部署和管理，基于控制層和管理層提供的API的開發網絡應用。開發者可以通過控制層提供的北向接口和管理層提供的上行接口進行物聯網應用的開發、安全管理與網絡維護等操作。

4 結語

面向數字孿生城市的SDIoT架構將控制層與管理層分離，SDN的三個平面與其技術優勢得到保留，實現SDIoT和SDN靈活共存，網絡架構清晰，易于管理與維護。SDIoT管理層實現物聯網決策，并對網絡控制層進行，實現多應用承載，整網配置動態優化。面向數字孿生城市的SDIoT架構融合繁雜的物聯網網絡協議，簡化設備配置和管理，實現從感知到邊緣，從邊緣到網絡、從網絡到應用的靈活部署。基于該架構，硬件和軟件完全解耦，屏蔽了底層設備的硬件差異，實現物聯網資源的虛擬化和面向多業務服務需求的動態重構，提升服務響應能力，增強物聯網的彈性、敏捷性和智能性。