基于云平台的网络穿越交互系统设计论文

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　　摘 要 ：随着互联网、物联网技术的快速发展,在很多行业领域应用越来越广泛,实际技术应用中有越来越多的接入需 求,通过远程操作与维护能更大提高工作效率,节省人力成本。本文设计基于云平台的网络穿越交互系统,通过该系统能够更 节省成本来实现针对新、老设备系统的统一接入、即时通信、远程交互与控制、远程运维等功能,简便程度上解决老设备接入 问题,并解决需要现场排查、解决问题与现场调试、操作各种设备实现相关服务问题。

　　关键词 ：互联网,物联网,云平台,网络穿越,远程控制


　　【Abstract】： With the rapid development of Internet and Internet of Things technology, it's more and more widely used in many industries and fields. There are more and more access requirements in actual technology applications. Through remote operation and maintenance, work efficiency can be greatly improved and labor cost can be saved. This paper designs a network traversal interactive system based on cloud platform. Through this system, we can save more costs to achieve unified access, instant messaging, remote interaction and control, remote operation and maintenance and other functions for new and old equipment systems. It can easily solve the problems of old equipment access, and solve the problems that need to be checked and solved on site, as well as the problems related to on-site debugging and operation of various equipment to achieve services.

　　【Key words】： Internet;Internet of Things;cloud platform;network traversal;remote control


　　0 引言

　　物联网 [1] 网络与业务发展迅速,尽管物联网相关工 作推进较快,产业化发展仍然面临着巨大的挑战,缺乏统 一的标准体系和成熟的商业模式,同质化产品较多,难以 全面迅速推广,不仅缺乏盈利的商业模式,而且缺乏具有 系统综合解决方案集成能力的系统。目前新物联设备的交 互控制以开发 MQTT[2] 等为代表的物联网通信协议实现, 并通过花费大量人力物力建设物联网网关,万物互联将重 新塑造现有网络与业务平台。但以往老设备运行与维护良 好,更新换代同样需要考虑成本代价与熟悉程度。另外, 传统设备大多以设备主体与各种控制与周边设备组成本 地局域网,由现场人员操作控制台实现针对设备的控制与维护。但针对各地设备调试维护,需要大量的人力与 成本投入,并且还面临着部分领域的设备操作、调试、 故障排查困难等问题。另一方面,基于前端开发技术的 发展,HTML5 的诞生,WebSocket[3] 协议真正实现了 Web 端的即时通信,使 B/S 模式具备了 C/S 模式的实 时通信能力。设计基于云平台的网络穿越交互系统,通 过该系统可完成全国各处的新、旧设备的统一化接入, 实现远程调试、数据采集、故障排查、运维等服务,必 要条件下,可通过视频会议系统 / 流媒体服务等实现现场 环境查看与实时交流,有效保障各地现场设备运作正常。

　　1 系统分析

　　本系统为兼容新旧设备的一体化设计,可根据实际情况选择其中部分方案来完成线上服务搭建。在现有网 络模式下,物联网网关的开发与运维作为首选,但会使 企业有较大的人力物力投入。云视频会议系统 [4] 及流 媒体服务 [5] 类同,可根据企业技术熟练度与实际需求选 择。针对兼容旧设备能够实现网络穿越实时通信,需要 进行进一步设计。

　　1.1 传统通信设计

　　针对本文中需实现的设计,控制设备仅有在本地通 信 TCP/UDP 等内网传输模式下,通过建立后台服务系 统方式连通控制设备打通与云平台服务的交互,可以实 现数据透传,再通过云平台服务实现针对受控设备的控 制。但面临的情况会是,平台服务用户也分布在全国各地,用户都在远程进行设备的控制与维护,如何形成控 制设备、受控设备和用户的对应关系。并且,如果在用 户本地建立后台服务,对用户来说同样是难以操作维护 和浪费物力的状态,每个后台服务只能服务于一个用户。

　　为了解决此问题,通过统一的平台服务来实现所有 用户、控制设备与受控设备的关系,也可通过浏览器技 术来实现, HTTP 技术中轮询、长轮询、流技术均可实 现,但大量资源耗费在查询上,或因为响应一直存在消 耗软硬件资源,同样并不可取。

　　1.2 优化通信设计

　　WebSocket 是 HTML5[6] 中新定义的协议,实现了 B/S 架构中的双向、单套接字、全双工通信。较以往设计,能够节约大量服务器资源,节省网络带宽,提高传 输实时性。

　　引入 WebSocket 技术,普通交互数据通过云平台 服务前后端实现,前端代码实现 WebSocket/MQTT 服 务,只为实现控制数据传输,在数据传输实时性方面有 相当大的优势。各地用户通过客户端浏览器访问平台 服务实现控制与运维,也能够直接简单对应形成关联关 系。在此基础上,只需要再开发一个简单的通信网关将 控制设备与客户端浏览器形成数据通路即可。客户端浏 览器建立 WebSocket 服务器, 网关建立 TCP/UDP 服 务端与 WebSocket 客户端服务,接收控制设备数据转 发给客户端浏览器,客户端浏览器再根据用户操作设备 场景,转发数据到云平台服务到相应的设备网关,实现 场景下的设备控制与维护。

　　2 系统设计方案

　　本系统为实现内外网环境网络穿越与实施交互式控 制,并兼容新、旧设备的接入控制管理,划分为三大 块 ：云平台侧、服务侧、设备侧。系统整体框架如图 1 所示。


　　云平台侧主要有 ：(1)平台服务 ：提供统一登录、 认证、权限功能 ;提供统一接入各地设备网关接入及状 态检测功能 ;为平台客户端浏览器提供后台数据服务 ; 接收客户端浏览器通过 WebSocket 实时发送的控制数 据,封装为受控设备需要的协议数据,发送给设备网 关。(2)数据库服务 ：统一存储用户、调光网关、设备 网关及平台功能等相关数据。(3)物联网网关 ：可接收 设备网关数据或受控设备数据转发给平台服务 ;可接收 平台服务的控制数据转发给设备网关或受控设备。(4) 云视频会议 / 流媒体服务 ：接收平台的音视频采集请 求,推送设备网关侧的摄像头音视频流。

　　服务侧主要有 ：(1)客户端浏览器 ：提供图形界 面展示各地设备、配置等,为用户提供服务 ;建立 WebSocket 服务或 Mqtt 服务接收控制网关传递的控制 服务转发给物联网网关或平台服务 ;接收用户操作,通 过云视频会议 / 流媒体服务器进行音视频采集,实时交 互。(2) 控 制 网 关 ：建 立 TCP/UDP/WebSocket 等 协 议服务,接收控制数据转发给客户端浏览器。(3)控制 设备 ：操作控制设备对各地受控设备进行控制,根据设 备自身可选择对控制网关 / 物联网网关形成连接通路。

　　设备侧主要有 ：(1)设备网关 ：设备系统接入平台 服务 / 物联网网关,定时发送状态与故障信息等 ;接收 平台服务 / 物联网网关发送的控制数据,转换为标准协 议转发给转换器,并接收信息反馈给平台服务 / 物联网网关 ;接收音视频采集请求,从摄像头拉取音视频流发 送到云视频会议 / 流媒体服务。(2)转换器 ：将输入控 制数据根据受控设备的协议信号转换输出。(3)摄像 头 ：接收网关请求,采集音视频数据推送。(4)受控设 备 ：与设备网关 / 物联网网关形成连接通路 ;接收设备 网关 / 物联网网关传来的控制信号实现服务。

　　3 系统总体设计

　　3.1 架构设计

　　本系统软件架构设计如图 2 所示。


　　3.2 软件设计

　　主要对服务层组件进行设计说明。

　　平台服务 ：(1) 采用 SpringBoot 框架, 结合 MyBatis Plus 连接 MySQL 数据库实现相应服务。(2)集成 Netty[7] 建 立 TCP/UDP/WebSocket 服务端, 实现数据链路响应服 务。(3)进行协议数据转换并通过 ProtocolBuffer[8] 封装 协议数据。(4)调用响应视频会议请求或音视频流服务。

　　客户端浏览器 ：(1)采用 Vue[9] 框架, 通过 HTTP 调用实现平台服务。(2)结合 WebSocket/Mqtt 技术实 现控制数据转发服务。

　　控制网关 ：(1) 采用 SpringBoot 框架, 集成 Netty 服务组件,实现 TCP/UDP 服务器,监听控制设备数据 并转换协议。(2)通过 Netty 服务组件实现 WebSocket 客户端,将协议数据向客户端浏览的 WebSocket 服务 端推送。

　　设备网关 ：(1) 使用 C/C++ 开发, 通过 Protocol Buffer 封装协议数据提供平台服务及状态、运维服务 等。(2)将音视频流采集,组成 RTMP 数据包推送到云 视频会议 / 流媒体服务上。(3)接收平台服务 / 物联网网 关数据,转换协议发送到转换器,实现设备控制服务。

　　物联网网关 ：(1)建立 Mqtt Broker 实现 MQTT 协 议数据转发功能。(2)实现设备接入功能。(3)协议数 据转发,实现相应服务功能。

　　云视频会议 / 流媒体 ：(1)可通过开源框架 Kurento 或其他基于 WebRTC 的框架实现云视频会议系统进行 实时交互。(2)设备网关讲音视频流采集到一起,组 成 RTMP/HBase64&AAC 等数据推送到流媒体服务器。 (3)客户端浏览器从云视频会议 / 流媒体服务拉取流媒 体数据,播放音频和视频。

　　3.3 部署运维

　　本系统部署运维方面,云平台侧建立 MySQL 主备 服务器,防止数据丢失,提高 I/O 性能 ;平台服务后 端与前端、物联网网关与云视频会议 / 流媒体服务通过 Docker[10] 容器部署,通过隔离沙箱机制实现应用隔离,形成相对安全的隔离机制,并方便移植到其他服务器。

　　控制网关为用户单独使用, 在使用控制设备时,如 果没有 MQTT 服务,可通过平台服务浏览器下载控制 网关点击自动启动。


　　设备网关集成在硬件设备,部署在受控设备现场, 与摄像头、转换器、受控设备连接,实现相应服务。

　　4 结语

　　本文提出基于云平台的网络穿越交互系统,设计结 合了 WebSocket 与 MQTT 技术,并可以根据实际情 况选用其中部分组件服务 ;可将需要现场调试维护的设 备通过线上异地实现 ;可实现远程调试、数据采集、故 障排查、运维等服务 ;可通过视频会议系统 / 流媒体服务等实现现场环境查看与实时交流。通过该系统,解决 新、旧不同协议不同环境场景下的设备实现线上调试维 护,解决专业人员必须现场作业与专业知识欠缺导致运 维困难问题,解决企业运维与故障排查难题,有效节省 人力物力成本,并为物联网通信的发展在技术层面做出 更多可能的探讨与改进。

　　参考文献

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　　[5 ]徐畅,陆威，刘凯祥，等.基于流媒体技术的教学视频服务平台设计[J].计算机与现代化，2018(12):27-31.

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　　[7]顾振德，刘子辰，龙隆，等.基于Netty的IOT终端通信服务系统设计[J].计算机应用与软件,2019.36(4):135-139

　　[8]宋瑾.基于protocolBuffer协议的服务端-客户端通信[J].电脑编程技巧与维护,2014(12):100-101.

　　[9 ]肖文娟，王加胜.基于vue和springBoot的校园记录管理webAPP的设计与实现J].计算机应用与软件，2020.37(4):25-3O+88

　　[10]彭丽苹,吕晓丹,蒋朝惠,等基于Docker的云资源弹性调度策略[J] .计算机应用, 2018 , 38 ( 2) :557-562.
 
 
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