Share via

Обзор рабочих нагрузок Интернета вещей

  • Статья

В этом разделе Microsoft Azure Well-Architected Framework рассматриваются проблемы, связанные с созданием рабочих нагрузок Интернета вещей в Azure. В этой статье описываются области проектирования Интернета вещей, шаблоны архитектуры и уровни архитектуры в рабочей нагрузке Интернета вещей.

Пять основных принципов архитектурного совершенства лежат в основе методологии проектирования рабочих нагрузок Интернета вещей. Эти принципы служат компасом для последующих проектных решений в областях проектирования, описанных в этой статье. В оставшихся статьях этой серии подробно рассматривается оценка областей проектирования с помощью принципов проектирования, относящихся к Интернету вещей, в области надежности, безопасности, оптимизации затрат, операционного совершенства и эффективности производительности.

Совет

Чтобы оценить рабочую нагрузку Интернета вещей с помощью показателей надежности, безопасности, оптимизации затрат, эффективности работы и производительности, ознакомьтесь с обзором Well-Architected Azure.

Что такое рабочая нагрузка Интернета вещей?

Термин рабочая нагрузка относится к коллекции ресурсов приложения, которые поддерживают общую бизнес-цель или выполнение общего бизнес-процесса. Эти цели или процессы используют несколько служб, таких как API и хранилища данных. Службы работают вместе для предоставления конкретных комплексных функций.

Интернет вещей (IoT) — это набор управляемых и платформенных служб в пограничных и облачных средах, которые подключаются, отслеживают и контролируют физические ресурсы.

Таким образом, рабочая нагрузка Интернета вещей описывает практику проектирования, создания и эксплуатации решений Интернета вещей для решения архитектурных проблем в соответствии с вашими требованиями и ограничениями.

Рабочая нагрузка Интернета вещей предназначена для трех компонентов систем Интернета вещей:

  • Объекты или физические объекты, промышленное оборудование, устройства и датчики, которые постоянно или периодически подключаются к облаку.
  • Аналитика, информация, которую собирают вещи, которые люди или ИИ анализируют и превратят в практические знания.
  • Действия, ответы людей или систем на аналитические сведения, которые связываются с бизнес-результатами, системами и инструментами.

Шаблоны архитектуры Интернета вещей

Большинство систем Интернета вещей используют либо подключенные продукты , либо шаблон архитектуры подключенных операций . Каждый шаблон имеет определенные требования и ограничения в областях проектирования Интернета вещей.

  • Архитектура подключенных продуктов ориентирована на горячий путь. Конечные пользователи управляют продуктами и взаимодействуют с ними с помощью приложений в режиме реального времени. Этот шаблон применяется к производителям интеллектуальных устройств для потребителей и предприятий в широком спектре расположений и параметров. Примеры включают интеллектуальные кофемашины, смарт-телевизоры и интеллектуальные производственные машины. В этих решениях Интернета вещей разработчики продуктов предоставляют пользователям продукта подключенные службы.

  • Архитектура подключенных операций ориентирована на теплый или холодный путь с пограничными устройствами, оповещениями и облачной обработкой. Эти решения анализируют данные из нескольких источников, собирают операционные аналитические сведения, создают модели машинного обучения и инициируют дальнейшие действия с устройствами и облаком. Шаблон подключенных операций применяется к предприятиям и поставщикам интеллектуальных служб, которые подключают уже существующие компьютеры и устройства. Примеры включают интеллектуальные фабрики и умные здания. В этих решениях Интернета вещей построитель служб предоставляет интеллектуальные службы, которые предоставляют аналитические сведения и поддерживают эффективность и эффективность подключенных сред.

Дополнительные сведения об архитектуре базового решения для рабочих нагрузок Интернета вещей см. в разделах Эталонная архитектура Интернета вещей Azure и Эталонные архитектуры Интернета вещей Azure для отрасли.

основные Well-Architected Framework в рабочей нагрузке Интернета вещей

Azure Well-Architected Framework состоит из пяти основных аспектов архитектуры, которые можно использовать для повышения качества рабочих нагрузок Интернета вещей. В следующих статьях показано, как принципы проектирования, относящиеся к Интернету вещей, влияют на решения в областях проектирования Интернета вещей.

  • Надежность гарантирует, что приложения соответствуют обязательствам по доступности. Устойчивость гарантирует доступность рабочих нагрузок и возможность восстановления после сбоев в любом масштабе. В статье Надежность рабочей нагрузки Интернета вещей описывается влияние областей проектирования Интернета вещей, таких как разнородность, масштабируемость, подключение и гибридность.

  • Безопасность обеспечивает конфиденциальность, целостность и гарантии доступности от преднамеренных атак и злоупотреблений данными и системами. Безопасность в рабочей нагрузке Интернета вещей описывает, как разнородность и гибридность влияют на безопасность Интернета вещей.

  • Оптимизация затрат позволяет сбалансировать бизнес-цели с обоснованием бюджета, чтобы создавать экономичные рабочие нагрузки, избегая при этом капитальных решений. Оптимизация затрат в рабочей нагрузке Интернета вещей позволяет сократить затраты и повысить эффективность работы в областях проектирования Интернета вещей.

  • Эффективность работы охватывает процессы, которые создают и запускают приложения в рабочей среде. Эффективность работы в рабочей нагрузке Интернета вещей описывает, как разнородность, масштабируемость, подключение и гибридность влияют на операции Интернета вещей.

  • Эффективность производительности — это возможность эффективного масштабирования рабочей нагрузки в соответствии с потребностями. Эффективность производительности рабочей нагрузки Интернета вещей описывает, как разнородность, масштабируемость, подключение и гибридность влияют на производительность Интернета вещей.

Области проектирования Интернета вещей

Основные области проектирования Интернета вещей, которые упрощают разработку решений Интернета вещей:

  • Неоднородности
  • Безопасность
  • Масштабируемость
  • Гибкость
  • Удобство обслуживания
  • Соединение
  • Гибридность

Области проектирования взаимосвязаны, и решения, принятые в одной области, могут повлиять на решения во всей структуре. Чтобы оценить области проектирования, используйте принципы проектирования, относящиеся к Интернету вещей, в пяти основных принципах архитектурного совершенства. Эти принципы помогают уточнить рекомендации по обеспечению соответствия рабочей нагрузки Интернета вещей требованиям на разных уровнях архитектуры.

В следующих разделах описываются области проектирования Интернета вещей и их применение к подключенным продуктам Интернета вещей и шаблонам архитектуры подключенных операций .

Неоднородности

Решения Интернета вещей должны соответствовать различным устройствам, оборудованию, программному обеспечению, сценариям, средам, шаблонам обработки и стандартам. Важно определить необходимый уровень разнородности для каждого уровня архитектуры во время разработки.

В архитектурах подключенных продуктов разнородность описывает разновидности компьютеров и устройств, которые необходимо поддерживать. Разнородность также описывает различные среды, в которых можно развернуть интеллектуальные продукты, такие как сети и типы пользователей.

В архитектуре подключенных операций разнородность сосредоточена на поддержке различных протоколов операционных технологий (OT) и подключений.

Безопасность

Решения Интернета вещей должны учитывать меры безопасности и конфиденциальности на всех уровнях. Меры безопасности включают:

  • Удостоверение устройства и пользователя.
  • Проверка подлинности и авторизация.
  • Защита неактивных и передаваемых данных.
  • Стратегии аттестации данных.

В архитектурах подключенных продуктов ограниченный контроль над использованием продуктов в разнородных и широко распределенных средах влияет на безопасность. Согласно модели Microsoft Threat Modeling Tool STRIDE, наибольший риск для устройств связан с подделкой, а угроза для служб — отказом в обслуживании от угнанных устройств.

В архитектурах подключенных операций важны требования безопасности для среды развертывания. Безопасность сосредоточена на конкретных требованиях к среде OT и моделях развертывания, таких как ISA95 и Purdue, а также интеграции с облачной платформой Интернета вещей. На основе STRIDE самыми высокими рисками безопасности для подключенных операций являются подмена, незаконное изменение, раскрытие информации и повышение привилегий.

Масштабируемость

Решения Интернета вещей должны поддерживать гипермасштабируемость с миллионами подключенных устройств и событий, которые с высокой частотой приема больших объемов данных. Решения Интернета вещей должны поддерживать подтверждение концепции и пилотные проекты, которые начинаются с нескольких устройств и событий, а затем масштабироваться до гипермасштабируемых измерений. Учет масштабируемости каждого уровня архитектуры имеет важное значение для успеха решения Интернета вещей.

В архитектуре подключенных продуктов масштаб описывает количество устройств. В большинстве случаев каждое устройство имеет ограниченный набор данных и взаимодействий, контролируемый конструктором устройств, а масштабируемость зависит только от количества развернутых устройств.

В архитектурах подключенных операций масштабируемость зависит от количества сообщений и событий для обработки. Как правило, количество компьютеров и устройств ограничено, но компьютеры и устройства OT отправляют большое количество сообщений и событий.

Гибкость

Решения Интернета вещей строят на принципе компонуемости, который позволяет объединять в качестве стандартных блоков различные сторонние или сторонние компоненты. Хорошо спроектированное решение Интернета вещей имеет точки расширения, которые обеспечивают интеграцию с существующими устройствами, системами и приложениями. Масштабируемая архитектура, управляемая событиями, с обменом данными через посредника является частью основной структуры с слабо связанной композицией служб и модулей обработки.

В архитектурах подключенных продуктов изменение требований к конечным пользователям определяет гибкость. Решения должны позволить легко изменять поведение устройств и службы конечных пользователей в облаке, а также предоставлять новые службы.

В архитектурах подключенных операций поддержка различных типов устройств определяет гибкость. Решения должны иметь возможность легко подключать устаревшие и проприетарные протоколы.

Удобство обслуживания

Решения Интернета вещей должны учитывать простоту обслуживания и ремонта компонентов, устройств и других системных элементов. Раннее обнаружение потенциальных проблем имеет решающее значение. В идеале хорошо спроектированное решение Интернета вещей должно автоматически исправлять проблемы, прежде чем возникнут серьезные проблемы. Операции по обслуживанию и ремонту должны привести к минимальному простою или нарушению работы.

В архитектурах подключенных продуктов широкое распространение устройств влияет на удобство обслуживания. Возможность мониторинга, администрирования и обновления устройств в контексте конечного пользователя и контроля без прямого доступа к этой среде ограничена.

В архитектурах подключенных операций удобство обслуживания зависит от заданного контекста, элементов управления и процедур среды OT, которые могут включать системы и протоколы, которые уже доступны или используются.

Соединение

Решения Интернета вещей должны поддерживать длительные периоды автономного подключения, низкой пропускной способности или периодических подключений. Для поддержки подключения можно создать метрики для отслеживания устройств, которые не обмениваются данными регулярно.

Подключенные продукты работают в неконтролируемых потребительских средах, поэтому подключение неизвестно и трудно поддерживать. Архитектуры подключенных продуктов должны поддерживать неожиданные длительные периоды автономного подключения и подключения с низкой пропускной способностью.

В архитектурах подключенных операций модель развертывания среды OT влияет на подключение. Как правило, степень подключения, включая периодические подключения, известна и управляется в сценариях OT.

Гибридность

Решения Интернета вещей должны соответствовать гибридной сложности и выполняться на разных оборудовании и платформах в локальных, пограничных и многооблачных средах. Очень важно управлять разрозненными архитектурами рабочих нагрузок Интернета вещей, обеспечивать бескомпромиссную безопасность и обеспечивать гибкость разработчиков.

В архитектурах подключенных продуктов широкое распространение устройств определяет гибридность. Построитель решений Интернета вещей управляет оборудованием и платформой среды выполнения, а гибридность фокусируется на разнообразии сред развертывания.

В архитектурах подключенных операций гибридность описывает логику распределения и обработки данных. Требования к масштабированию и задержке определяют, где обрабатывать данные и насколько быстрой должна быть обратная связь.

Уровни архитектуры Интернета вещей

Архитектура Интернета вещей состоит из набора базовых слоев. Определенные технологии поддерживают различные уровни, а рабочая нагрузка Интернета вещей выделяет варианты проектирования и создания каждого уровня.

  • Основные уровни определяют решения, относящиеся к Интернету вещей.
  • Общие уровни не относятся к рабочим нагрузкам Интернета вещей.
  • Сквозные слои поддерживают все уровни при проектировании, создании и запуске решений.

Рабочая нагрузка Интернета вещей отвечает различным требованиям и реализациям, зависящим от уровня. Платформа фокусируется на основных уровнях и определяет конкретное влияние рабочей нагрузки Интернета вещей на общие уровни.

Схема, на которую показаны слои и сквозные действия в архитектуре Интернета вещей.

В следующих разделах описаны уровни архитектуры Интернета вещей и технологии Майкрософт, которые их поддерживают.

Основные уровни и службы

Основные уровни и службы Интернета вещей определяют, является ли решение решением Интернета вещей. Основные уровни рабочей нагрузки Интернета вещей:

  • Устройство и шлюз
  • Управление устройствами и моделирование
  • Прием и обмен данными

Рабочая нагрузка Интернета вещей фокусируется в первую очередь на этих уровнях. Для реализации этих уровней корпорация Майкрософт предоставляет технологии и службы Интернета вещей, такие как:

Совет

Azure IoT Central — это платформа управляемых приложений, которую можно использовать для быстрой оценки сценария Интернета вещей и оценки возможностей для вашего бизнеса. После использования IoT Central для оценки сценария Интернета вещей вы можете создать готовое корпоративное решение, используя возможности платформы Интернета вещей Azure.

Уровень устройств и шлюзов

Этот уровень представляет физическое или виртуальное устройство и оборудование шлюза, развернутое на пограничном или локальном уровне. Элементы этого уровня включают операционные системы и встроенное ПО устройства или шлюза. Операционные системы управляют процессами на устройствах и шлюзах. Встроенное ПО — это программное обеспечение и инструкции, программируемые на устройствах и шлюзах. Этот уровень отвечает за:

  • Зондирование и работа с другими периферийными устройствами и датчиками.
  • Обработка и передача данных Интернета вещей.
  • Взаимодействие с облачной платформой Интернета вещей.
  • Безопасность устройства базового уровня, шифрование и корневой каталог доверия.
  • Управление программным обеспечением и обработкой на уровне устройства.

Распространенные варианты использования включают чтение значений датчиков с устройства, обработку и передачу данных в облако, а также включение локального взаимодействия.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Уровень приема и связи

Этот уровень объединяет и посредников между уровнем устройства и шлюза и облачным решением Интернета вещей. Этот уровень обеспечивает следующее:

  • Поддержка двунаправленного взаимодействия с устройствами и шлюзами.
  • Агрегирование и объединение обмена данными с разных устройств и шлюзов.
  • Маршрутизация связи с определенным устройством, шлюзом или службой.
  • Объединение и преобразование между различными протоколами. Например, оповещение облачных или пограничных служб в сообщении MQTT, которое будет отправлено на устройство или шлюз.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Уровень управления устройствами и моделирования

Этот уровень поддерживает список устройств и удостоверений шлюза, их состояние и возможности. Этот уровень также позволяет создавать модели типов устройств и связи между устройствами.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Общие уровни и службы

Рабочие нагрузки, отличные от Интернета вещей, такие как data & ИИ и современные приложения, также используют общие уровни. Платформа Azure Well-Architected верхнего уровня отвечает общим элементам этих общих уровней, а другие платформы рабочей нагрузки отвечают другим требованиям. В следующих разделах описывается влияние Интернета вещей на требования и приводятся ссылки на другие рекомендации.

Уровень транспорта

Этот уровень представляет способ подключения устройств, шлюзов и служб и обмена данными, используемые ими протоколы, а также способ перемещения или маршрутизации событий как в локальной среде, так и в облаке.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Уровень обработки и аналитики событий

Этот уровень обрабатывает события Интернета вещей из уровня приема и связи и действует с ней.

  • Обработка и аналитика потоков горячих путей выполняются почти в режиме реального времени для выявления немедленных аналитических сведений и действий. Например, потоковая обработка создает оповещения при повышении температуры.
  • Обработка теплого пути и аналитика определяют краткосрочные аналитические сведения и действия. Например, аналитика прогнозирует тенденцию повышения температуры.
  • При обработке и анализе холодных путей создаются интеллектуальные модели данных для использования горячих или теплых путей.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Уровень хранения

Этот уровень сохраняет данные о событиях и состоянии устройства Интернета вещей в течение некоторого периода времени. Тип хранилища зависит от требуемого использования данных.

  • Хранилище потоковой передачи, например очереди сообщений, отделяет службы Интернета вещей и доступность связи.
  • Хранилище на основе временных рядов обеспечивает анализ теплого пути.
  • Долгосрочное хранение поддерживает машинное обучение и создание моделей ИИ.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Уровень взаимодействия и отчетности

Этот уровень позволяет конечным пользователям взаимодействовать с платформой Интернета вещей и иметь представление о состоянии устройства, аналитике и обработке событий на основе ролей.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Уровень интеграции

Этот уровень позволяет взаимодействовать с системами за пределами решения Интернета вещей с помощью API обмена данными между компьютерами или службой.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Сквозные действия

Сквозные действия, такие как DevOps, помогают разрабатывать, создавать, развертывать и отслеживать решения Интернета вещей. DevOps позволяет ранее изолированным ролям, таким как разработка, операции, проектирование качества и безопасность, координировать и совместно работать для создания более качественных, надежных и гибких продуктов.

DevOps хорошо известен в разработке программного обеспечения, но может применяться к любому продукту или процессу разработки и операциям. Команды, которые внедряют культуру, методики и инструменты DevOps, могут лучше реагировать на потребности клиентов, повысить доверие к приложениям и продуктам, которые они создают, и быстрее достичь бизнес-целей.

На следующей схеме показан цикл непрерывного планирования, разработки, доставки и эксплуатации DevOps:

Схема, показывающая, как DevOps непрерывно обеспечивает ценность.

  • Действия по разработке и развертыванию включают проектирование, сборку, тестирование и развертывание решения Интернета вещей и его компонентов. Действие охватывает все уровни и включает оборудование, встроенное ПО, службы и отчеты.

  • Действия по управлению и операциям определяют текущее состояние работоспособности системы Интернета вещей на всех уровнях.

Правильное выполнение DevOps и других сквозных действий может определить успех в создании и запуске хорошо спроектированного решения Интернета вещей. Сквозные действия помогают соответствовать требованиям, установленным во время разработки, и адаптироваться к изменяющимся требованиям с течением времени. Важно четко оценить свой опыт в этих действиях и принять меры для обеспечения выполнения на требуемом уровне качества.

К соответствующим технологиям Майкрософт относятся:

Дальнейшие действия

Надежность рабочей нагрузки Интернета вещей

Безопасность в рабочей нагрузке Интернета вещей

Оптимизация затрат в рабочей нагрузке Интернета вещей

Эффективность работы в рабочей нагрузке Интернета вещей

Повышение производительности рабочей нагрузки Интернета вещей