摘要

本章主要介紹EC-IoT使用的兩大關鍵技術：電力線通信技術PLC-IoT和容器。

PLC-IoT

概念

PLC（Power Line Communication）技術誕生于上世紀20年代，起步很早，但是由于信號衰減、噪聲嚴重等技術問題，導致PLC技術在21世紀以前未能有大規(guī)模應用。近年來隨著智能電網(wǎng)和PLC技術的發(fā)展，PLC廣泛應用于智能電網(wǎng)、工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)以及家庭網(wǎng)絡等眾多領域。

PLC-IoT（Power Line Communication Internet of Thing），也是一種利用電力線進行數(shù)據(jù)通信的技術，是華為推出的面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景的中頻帶PLC電力線載波通信技術。

相對于傳統(tǒng)PLC，PLC-IoT具備以下特征：

它基于HPLC/IEEE 1901.1，同時將6LoWPAN 技術引入到PLC-IoT協(xié)議架構中，使IPv6可以無縫運行在低速網(wǎng)絡上。

它的工作頻段范圍在0.7到12MHz，噪聲低且相對穩(wěn)定，信道質(zhì)量好。

它采用正交頻分復用（OFDM）技術，頻帶利用率高，抗干擾能力強；通過將數(shù)字信號調(diào)制在高頻載波上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線介質(zhì)的高速長距離傳輸。

應用層通信速率在100kbps到2Mbps，通過多級組網(wǎng)可將傳輸距離擴展至數(shù)公里，基于IPv6可承載豐富的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，使能末端設備智能化，實現(xiàn)設備全聯(lián)接。

網(wǎng)絡模型

PLC-IoT借鑒了OSI網(wǎng)絡模型，網(wǎng)絡架構如圖4-1所示，包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，目的是能夠擴展與標準TCP/IP進行對接實現(xiàn)標準IP網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)電力線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及不同類型PLC終端之間能夠基于IP網(wǎng)絡通信（即IP化PLC），擴展PLC-IoT的應用場景。

使用場景

PLC-IoT技術作為物聯(lián)通信技術，無需額外挖溝埋纜即可構建高速可靠的末端物聯(lián)通信網(wǎng)絡，直接復用電力線，可降低通信施工部署成本超過50%，并大幅度縮短部署周期。因此，要求使用PLC-IoT技術的智能終端具備以下特征：

有線供電：范圍涵蓋交流電網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電和用電所有場景的設備，電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)字化、自動化和智能化離不開發(fā)電設備、配變終端和用電設備的聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化。

群簇特征：同類別或相似功能終端共享一個能源網(wǎng)絡線纜，終端有群或簇的特征；能源網(wǎng)絡拓撲有總線形、樹形、星形。范圍一般是一個變壓器下的電源設備，或添加了載波隔離的配電箱下的用電設備，或一個隔離式電源模塊下的直流電源總線上的用電終端。

非移動性：終端位置固定，例如電表和路燈等；即使終端位置相對挪動，也是帶著電源線的小范圍的移動，例如電梯等。

基于PLC-IoT的上述特征，該技術已被廣泛應用于以下領域：

電力能源：AMI智能抄表、充電樁、能效管理、開關柜、中低壓智能配電等。

交通：智慧交通燈、智慧路燈等。

智能樓宇：梯聯(lián)網(wǎng)、智慧消防（可視化煙感、應急照明燈和指示燈聯(lián)網(wǎng)）等。

智慧家居：智慧照明、智能控制等。

特性價值

PLC-IoT三大關鍵價值特性，助力行業(yè)用戶打造智慧邊緣連接：

支持IPv6

將6LoWPAN技術引入到PLC-IoT協(xié)議架構中，除實現(xiàn)分片傳輸外，還可將40 字節(jié)的IPv6報文頭壓縮至4到12字節(jié)，使IPv6可無縫運行在低速網(wǎng)絡上；同時基于IPv6可通過TCP/UDP協(xié)議承載豐富的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。

共享PLC網(wǎng)絡

基于開放標準的IPv6 技術，不同類型的末端設備可以共享PLC網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)關主機側(cè)應用和容器內(nèi)多個應用也可共享同一個PLC網(wǎng)絡，獨立訪問各自管理的末端設備而互不影響，提升PLC網(wǎng)絡的并發(fā)能力和通信效率。

數(shù)據(jù)安全可靠

PLC-IoT支持鏈路層安全機制，通過數(shù)據(jù)加密保證數(shù)據(jù)機密性，通過完整性校驗保證數(shù)據(jù)防篡改，增強鏈路安全性，防止網(wǎng)絡攻擊；同時采用DTLS協(xié)議實現(xiàn)PLC節(jié)點基于數(shù)字證書的接入認證，并通過DTLS加密通道傳輸協(xié)商鏈路層加密密鑰，實現(xiàn)鏈路層數(shù)據(jù)加密傳輸，為應用提供基礎的安全保障。

PLC-IoT組網(wǎng)

PLC-IoT網(wǎng)絡根據(jù)實際行業(yè)應用場景下布線環(huán)境和終端連接方式的不同，可呈現(xiàn)星型與樹型兩種不同的組網(wǎng)拓撲，如圖1-2所示，其中樹形組網(wǎng)最多支持8級組網(wǎng)，可提供更大的載波傳輸距離。

圖1-2 PLC-IoT組網(wǎng)類型

PLC-IoT網(wǎng)絡支持三種角色：

CCO：中央?yún)f(xié)調(diào)器（Central Coordinator），在PLC-IoT通信中的具體體現(xiàn)為頭端通信模塊，負責末端設備的接入以及數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

PCO：代理協(xié)調(diào)器（Proxy Coordinator），僅樹型組網(wǎng)下支持，為中央?yún)f(xié)調(diào)器與站點或者站點與站點之間進行數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的站點。

STA：尾端設備（Station），在PLC-IoT通信中的具體體現(xiàn)為尾端通信模塊，接收與發(fā)送電力載波信號，為終端設備提供統(tǒng)一的接入PLC-IoT網(wǎng)絡方式。

為了實現(xiàn)快速組網(wǎng)，PLC-IoT組網(wǎng)具備如下特征：

快速逐級收斂，代理認證技術，最短時間完成大規(guī)模站點入網(wǎng)。

快速路徑評估，路徑擇優(yōu)，確保入網(wǎng)后STA通信成功率。

動態(tài)時隙管理，自適應臺區(qū)多相位規(guī)模不平衡問題，最大化利用帶寬。

單網(wǎng)關最大支持節(jié)點數(shù)512個，支持8級組網(wǎng)，解決大臺區(qū)覆蓋。

容器技術

EC-IoT場景中邊緣計算網(wǎng)關支持部署容器，通過容器提供一個隔離的虛擬執(zhí)行環(huán)境，用戶可在部署的容器上安裝自己的業(yè)務APP實現(xiàn)不同業(yè)務功能。

概念

容器，是一種輕量級的虛擬化技術，但它不需要像傳統(tǒng)虛擬機一樣虛擬出整個操作系統(tǒng)，包括CPU、內(nèi)存、磁盤、外設，然后當成一個真實機器使用，而是在主機的操作系統(tǒng)上虛擬出一個輕量級與主機系統(tǒng)隔離的虛擬環(huán)境。

如圖1-3所示，容器中可以安裝業(yè)務APP，并賦予業(yè)務功能的獨立性，使其免受外在環(huán)境差異（如開發(fā)環(huán)境）影響，有助于減少運行在相同基礎設施上的不同軟件沖突。容器中包含了APP應用程序運行的完整環(huán)境，所需的全部依賴、類庫、其他二進制文件、配置文件等都統(tǒng)一整合在容器鏡像包中，這樣容器就封裝了所有運行APP應用程序所需的資源，使得鏡像從一個環(huán)境移植到另外一個環(huán)境更加靈活。

分類

容器技術架構主流的有兩種：

一種是Linux Container，即LXC。

LXC起源于Linux內(nèi)核中的Cgroup和namespace的開發(fā)，以支持輕量級虛擬化操作系統(tǒng)環(huán)境，是一種操作系統(tǒng)級別的輕量級Linux容器，提供輕量級的虛擬化隔離進程和資源：? 它將應用軟件系統(tǒng)打包成一個軟件容器，內(nèi)含應用軟件本身的代碼，以及所需要的操作系統(tǒng)核心庫。

? 它通過統(tǒng)一的名字空間和共用API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）來分配不同軟件容器的硬件資源，創(chuàng)造出應用程序的獨立沙箱運行環(huán)境，使得Linux用戶可以容易的創(chuàng)建和管理系統(tǒng)或應用容器。

一種是Docker公司發(fā)布的Docker。

Docker是在LXC基礎上進一步封裝的容器技術架構，它相當與一個應用程序級別的容器，也稱為APP容器，即每個Docker容器是一個獨立的APP，Docker將APP打包成一個鏡像，在其它地方需要使用此APP時，直接獲取到此鏡像即可，方便部署與安裝。如圖1-4所示，Docker與LXC實現(xiàn)容器都是通過Linux kernel的namespace與Cgroup機制實現(xiàn)。

相較于LXC，Docker還提供了一系列更強的功能：

可移植性

Docker定義了一種新的格式，將應用和其依賴環(huán)境全部打包到一個單一對象中，這個對象可以在任何安裝有Docker的機器上共享，在任何機器上執(zhí)行這個對象的效果都是一樣的，而LXC僅僅實現(xiàn)了進程沙盒化，并不能在不同機器上進行移植。Docker將應用的所有配置進行抽象，整合到一個容器中，使得該容器具有可移植性，即在Docker架構下，一個APP應用程序就是一個容器。對于LXC，目前最多支持4個容器，1個容器可以部署多個APP。

以應用為中心

Docker優(yōu)化了應用的部署，主要表現(xiàn)在API、用戶接口、設計原理等方面。? 自動化構建

Docker中支持Dockerfile，將應用的所有依賴項，構建工具和包都以源碼的形式寫在Dockerfile中，然后Docker可以根據(jù)Dockerfile構建鏡像。該鏡像在任何機器上面運行的效果都一樣。

? 版本控制

Docker對容器提供版本控制功能，如版本回退等，同時Docker還實現(xiàn)了增量上傳和下載的功能，節(jié)約了上傳和下載時的帶寬資源。

EC-IoT場景中的邊緣計算網(wǎng)關在LXC容器技術基礎上進行了增強，吸收了Docker的一些優(yōu)勢，增加了構建方式、版本控制、LXC容器內(nèi)的APP管理、容器簽名校驗等新功能。

原文標題：華為園區(qū)EC-IoT的關鍵技術

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責任編輯:pj