基于開源軟件搭建設計NB-IoT物聯網應用系統的分析

1 背景

根據預測，2020年全球物聯網（IoT）連接設備數預計將達到260億臺；而到2025年，該數字將接近700億。而根據更為詳細分析統計，數量龐大的物聯網連接中建有60%屬于廣域低功耗（LPWA）連接需求。NB-IoT技術是3GPP為LPWA領域專門定制發布的無線接入標準，具備大連接、廣覆蓋、低功耗等諸多優點。國內NBIoT產業鏈目前已進入快速發展時期，應用觸角也日漸延伸到智慧家庭、公共服務、生產制造、可穿戴智能設備等眾多領域。未來，預計將會有更為龐大數量的智能終端通過NB-IoT和云端應用服務器交互。

2 云端NB-IoT應用系統的需求分析

開發穩定優良的NB-IoT物聯網應用，需要對NBIoT的芯片/模組/無線接入深入專研，云端應用系統的軟件結構和功能上相應的調整和優化也比不可少。部分服務端系統直接套用移動互聯網應用框架開發，雖然實現了簡單的“云-端”物聯對接，但是進入大規模實施和推廣階段后，會遇到各種各樣的問題，例如終端耗電大，云端消息丟失嚴重，功能迭代升級困難等，NB-IoT的技術優勢也沒有發揮。

良好的NB-IoT應用系統，云端應用服務器應該考慮終端的行為模式和物聯網應用場景的特點。較為典型的包括如下三個方面。

（1）云端應用匹配NB-IoT終端連接方式。

根據3GPP規范，NB-IoT終端使用COAP協議和應用服務器交互，COAP是專門針對資源限制型終端（供電/計算/存儲/網絡能力弱）的協議。如云端沿用現有的連接協議框架和NB-IoT終端對接，例如MQTT、TCP長連接、HTTP等，會導致終端程序變得更復雜、軟硬件研制成本、耗電急劇上升。目前通信運營商一般已自建COAP服務器，應用服務器僅需要通過HTTP和COAP服務器對接即可；應用云端應遵循通信運營商的接入指引與自己的終端對接。

（2）考慮NB-IoT終端能力開放平臺多個并存的實際情況。

大規模的NB-IoT應用中，終端有可能分布在全國廣泛的地區，例如不同地市，不同省份等，需要考慮NBIoT終端可能通過不同途徑接入的現實情況。例如應用大部分終端通過通信運營商A的網絡接入，但特定地域由于信號覆蓋或價格原因，當地終端需接入通信運營商B的網絡。應用云端需要考慮兼容不同NB-IoT終端接入和能力開放方式，必要時需要具備對接不同通信運營商能力開放平臺的能。同時在應用云端軟件的設計上，降低終端接入方式差別對應用功能的影響。

（3）應對NB-IoT終端行為給服務器造成的沖擊。

廣域低功耗（LPWA）物聯網應用中，數量眾多的終端有可能加載同一版本程序，行為會存在有很高的同步性，會給應用服務器的業務處理帶來浪涌沖擊壓力。例如水務公司下屬數量眾多的智能表終端，在程序預設的時間點（例如凌晨1：00）集中上報采集的用水情況數據。應用服務器需要短時間內處理大量的上報信息，如果沒有合適手段應對這種浪涌壓力，會造成應用側丟失上報數據，終端指令錯誤，服務器關鍵進程出錯等。同時，龐大數量終端采集上報的數據，隨著應用運行時間增加也會在云端形成數據積累現象，如果缺乏良好的處理手段，同樣會影響應用處理的性能。

3 利用開源軟件搭建NB-IoT應用系統

目前，利用開源軟件搭建企業級應用系統已經成為業界常態。隨著開源軟件種類、數量和質量的不斷提升，應用系統的開源軟件解決方案在成本、靈活定制、可靠性、快速上線等方面的優勢也變得更有吸引力。

豐富的開源軟件也為搭建性能優良/運行穩定/可擴展性好的NB-IoT應用云端服務器提供了良好的材料。

4 “微服務+容器”服務器端系統框架

NB-IoT應用服務器承擔用戶交互、終端管理、業務處理、數據存儲分析等多種功能，也需要和多個外部網元對接交互，需要有良好的整體框架設計，保證各個功能之間的獨立、降低開發難度和易維護性。

（1）微服務架構（Microservice Architecture）通過將功能分解到各個離散的服務（應用服務組件）中以實現相互之間解耦。單個應用服務組件僅實現功能明確定義、處理邏輯清晰的服務，可獨立開發/管理迭代。多個應用服務組件組合承接復雜的應用業務邏輯。

（2）起源于主機虛擬化的容器（Container）技術為服務器端的應用開發部署和維護管理提供了極大的靈活性，也為微服務的實現提供了良好的工具。容器為應用服務組件提供了一個類似于虛擬機、環境獨立的運行環境，并具備快速啟動和便捷移植部署的優點。

（3）NB-IoT應用云端服務器可劃分為如下幾個微服務，每個服務組件封裝在獨立的容器中。

●數據庫：對其他組件提供數據保存、增刪改的服務。

●終端連接：專職負責與NB-IoT能力開放平臺對接，對上層應用屏蔽終端連接方式的差異。

●消息總線/隊列：在各個服務功能組件之間提供消息傳送服務。

●應用業務邏輯：容器內封裝應用業務邏輯的實現代碼。

●服務器門戶（Portal）：提供應用的界面功能。

●性能監控：收集主機、各個服務功能組件（容器）的運行情況以及業務日志。

上述不同類型的服務組件，封裝的容器實際部署中還可以進一步拆分。例如不同數據庫，連接不同運營商能力開放平臺，不同的門戶（Web/公眾號/移動端）等，可以進一步單獨容器封裝。在實際部署中，低負荷的容器可以集中部署在一臺主機中，關鍵/負荷高的功能組件可單獨主機部署，甚至部署在多臺主機實現負荷分擔。

（4）目前已有豐富的開源軟件資源幫助搭建“微服務+容器”的應用服務端系統，小型系統中可以僅利用Docker技術，在不同容器中封裝上述各個功能組件，實現相互隔離。容器外部通過腳本配置各個服務組件容器的啟動和連接。隨著微服務組件數量的增加和分布式部署，可以利用開源的容器編排軟件，如Kubernetes、Docker Swarm等，完成對微服務的集中管理。

5 構建高性能的消息隊列和處理機制

NB-IoT應用服務器端功能組件封裝到不同微服務容器后，可通過消息總線/隊列服務組件在微服務容器之間建立消息傳送管道，進一步解耦服務組件的同時，提升整體系統的處理性能，同時應對終端集中數據上報造成的浪涌壓力。

（1）應用可以參照業界成熟的消息模型用于應用層之間的信息交互。通常消息模型均包含Message（消息體）、Producer（消息生產者）、Consumer（消息消費者）、Broker（消息服務端）等幾個部分。在此模型中，消息由Producer發出后，又經過Broker路由送至Consumer。應用服務組件（如應用業務邏輯、終端連接等）以Producer或Consumer身份注冊成為消息隊列客戶端，成為發送消息和接收消息的主體；消息的緩存、路由、分發等操作，由模型中的Broker完成。

（2）有多個開源軟件實現了上述消息模型中的Broker功能，如ActiveMQ，Kafka，RabbitMQ等，提供靈活、高效的消息轉發和路由。上述軟件支持通過配置文件（.xml）調整Broker處理消息隊列策略，提升轉發消息的性能，例如消息隊列個數/長度，調整Topics/Partitions數量（Kafka），優化對處理失敗或者過期的消息處理策略（ActiveMQ）等；同時上述軟件均提供了開發接口，不同語言開發的功能組件遵循接口即可與消息隊列服務交互。

（3）以NB-IoT應用服務端系統中，終端上報信息的處理流程為例，可以通過開源軟件Kafka提供的消息處理，處理終端集中上報數據行為造成的浪涌沖擊。（如圖1所示）

圖1

在浪涌高峰時間點，負責與通信運營商能力開發平臺對接的功能組件以消息Producer的身份接入Kafka，收到終端上報消息后不做復雜的處理直接放入消息隊列，避免業務邏輯處理不及時造成上報消息丟失，緩解應用業務邏輯功能組件的處理壓力；Consumer端運行與Partition數量相同應用業務邏輯功能組件，同時內部啟動多條線程并發處理隊列送來的消息。利用上述消息處理機制可有效提升云端應用的消息處理能力，在業務忙時可應對閑時運行幾十倍的浪涌壓力。

6 細分類型和用途優化數據處理策略

數據庫是每個信息應用系統必不可少的部分，包括NB-IoT應用云端服務器。NB-IoT應用的特性決定了隨著系統運行時間的增加，終端數量/采集數據/監控數據在云端的累積也會急劇增加，單一的關系型數據庫在應對數據I/O、海量數據分析、NoSql數據存儲、全文數據檢索等方面會面臨瓶頸。應用云端需要有完備的策略來應對這種壓力，而細分數據的類型和用途區別處理是其中的關鍵。

開源軟件中已有很多高質量數據庫軟件，包括關系型數據庫MySql，PostgreSQL；非關系型數據庫MongoDB、Redis；還有如建立在Apache Lucene? 基礎上的搜索引擎Elasticsearch，這些軟件專注于不同的數據處理細分領域。應用云端可以根據數據類型和用途的差異，針對性的選用不同開源數據庫，讓NB-IoT應用系統具備更良好的運行性能，同時發掘數據中的更多價值。

（1）使用關系型數據庫如Mysql、PostgreSQL等支撐云端應用基本功能的運行，例如業務邏輯、UI界面等。關系型數據庫配套的開發資源十分豐富，從需求分析到系統設計，從開發語言接口到優良代碼框架都有成熟的資源，可以有效提升開發效率和代碼質量。

（2）系統中需要頻繁讀寫、快速返回檢索結果的業務數據，放入memcache、redis等支持內存緩存的數據庫單獨管理，避免加重RDBMS負擔，致使服務器響應惡化，影響應用系統的整體功能。例如，NB-IoT應用到不同能力開放平臺的連接token、服務功能組件之間消息路由策略數據、系統公共參數等。如redis支持內存保存數據，并對外提供遠高于Mysql的高速查詢服務。

（3）利用NoSql數據庫存儲隨著應用系統運行累積產生的數據，包括終端歷史上報累積的數據，進程產生的業務日志等。針對此類數據的查詢和復雜分析需求，也均由NoSql數據庫，降低RDBMS負荷。同時大量NoSql形式的原始信息存儲更為直接方便，Nosql數據的分析和檢索也有豐富的開源工具，如Mongdo和Elasticsearch均支持更為靈活的分析聚合，也能進行復雜的數據建模。

結合容器和消息隊列的使用，組合不同開源數據庫軟件并不需要增加太多的開發工作，卻能幫助NB-IoT應用系統能更有效應對業務量的增長。

7 總結

目前，豐富的開源軟件為開發者提供了大量的功能組件“素材”，而對NB-IoT技術特性和終端行為特點的充分了解和仔細分析，是幫助開發者選取合適“素材”搭建穩固、高效的NB-IoT應用云端服務器的基礎。