基于开源软件搭建设计NB-IoT物联网应用系统的分析

1 背景

根据预测，2020年全球物联网（IoT）连接设备数预计将达到260亿台；而到2025年，该数字将接近700亿。而根据更为详细分析统计，数量庞大的物联网连接中建有60%属于广域低功耗（LPWA）连接需求。NB-IoT技术是3GPP为LPWA领域专门定制发布的无线接入标准，具备大连接、广覆盖、低功耗等诸多优点。国内NBIoT产业链目前已进入快速发展时期，应用触角也日渐延伸到智慧家庭、公共服务、生产制造、可穿戴智能设备等众多领域。未来，预计将会有更为庞大数量的智能终端通过NB-IoT和云端应用服务器交互。

2 云端NB-IoT应用系统的需求分析

开发稳定优良的NB-IoT物联网应用，需要对NBIoT的芯片/模组/无线接入深入专研，云端应用系统的软件结构和功能上相应的调整和优化也比不可少。部分服务端系统直接套用移动互联网应用框架开发，虽然实现了简单的“云-端”物联对接，但是进入大规模实施和推广阶段后，会遇到各种各样的问题，例如终端耗电大，云端消息丢失严重，功能迭代升级困难等，NB-IoT的技术优势也没有发挥。

良好的NB-IoT应用系统，云端应用服务器应该考虑终端的行为模式和物联网应用场景的特点。较为典型的包括如下三个方面。

（1）云端应用匹配NB-IoT终端连接方式。

根据3GPP规范，NB-IoT终端使用COAP协议和应用服务器交互，COAP是专门针对资源限制型终端（供电/计算/存储/网络能力弱）的协议。如云端沿用现有的连接协议框架和NB-IoT终端对接，例如MQTT、TCP长连接、HTTP等，会导致终端程序变得更复杂、软硬件研制成本、耗电急剧上升。目前通信运营商一般已自建COAP服务器，应用服务器仅需要通过HTTP和COAP服务器对接即可；应用云端应遵循通信运营商的接入指引与自己的终端对接。

（2）考虑NB-IoT终端能力开放平台多个并存的实际情况。

大规模的NB-IoT应用中，终端有可能分布在全国广泛的地区，例如不同地市，不同省份等，需要考虑NBIoT终端可能通过不同途径接入的现实情况。例如应用大部分终端通过通信运营商A的网络接入，但特定地域由于信号覆盖或价格原因，当地终端需接入通信运营商B的网络。应用云端需要考虑兼容不同NB-IoT终端接入和能力开放方式，必要时需要具备对接不同通信运营商能力开放平台的能。同时在应用云端软件的设计上，降低终端接入方式差别对应用功能的影响。

（3）应对NB-IoT终端行为给服务器造成的冲击。

广域低功耗（LPWA）物联网应用中，数量众多的终端有可能加载同一版本程序，行为会存在有很高的同步性，会给应用服务器的业务处理带来浪涌冲击压力。例如水务公司下属数量众多的智能表终端，在程序预设的时间点（例如凌晨1：00）集中上报采集的用水情况数据。应用服务器需要短时间内处理大量的上报信息，如果没有合适手段应对这种浪涌压力，会造成应用侧丢失上报数据，终端指令错误，服务器关键进程出错等。同时，庞大数量终端采集上报的数据，随着应用运行时间增加也会在云端形成数据积累现象，如果缺乏良好的处理手段，同样会影响应用处理的性能。

3 利用开源软件搭建NB-IoT应用系统

目前，利用开源软件搭建企业级应用系统已经成为业界常态。随着开源软件种类、数量和质量的不断提升，应用系统的开源软件解决方案在成本、灵活定制、可靠性、快速上线等方面的优势也变得更有吸引力。

丰富的开源软件也为搭建性能优良/运行稳定/可扩展性好的NB-IoT应用云端服务器提供了良好的材料。

4 “微服务+容器”服务器端系统框架

NB-IoT应用服务器承担用户交互、终端管理、业务处理、数据存储分析等多种功能，也需要和多个外部网元对接交互，需要有良好的整体框架设计，保证各个功能之间的独立、降低开发难度和易维护性。

（1）微服务架构（Microservice Architecture）通过将功能分解到各个离散的服务（应用服务组件）中以实现相互之间解耦。单个应用服务组件仅实现功能明确定义、处理逻辑清晰的服务，可独立开发/管理迭代。多个应用服务组件组合承接复杂的应用业务逻辑。

（2）起源于主机虚拟化的容器（Container）技术为服务器端的应用开发部署和维护管理提供了极大的灵活性，也为微服务的实现提供了良好的工具。容器为应用服务组件提供了一个类似于虚拟机、环境独立的运行环境，并具备快速启动和便捷移植部署的优点。

（3）NB-IoT应用云端服务器可划分为如下几个微服务，每个服务组件封装在独立的容器中。

●数据库：对其他组件提供数据保存、增删改的服务。

●终端连接：专职负责与NB-IoT能力开放平台对接，对上层应用屏蔽终端连接方式的差异。

●消息总线/队列：在各个服务功能组件之间提供消息传送服务。

●应用业务逻辑：容器内封装应用业务逻辑的实现代码。

●服务器门户（Portal）：提供应用的界面功能。

●性能监控：收集主机、各个服务功能组件（容器）的运行情况以及业务日志。

上述不同类型的服务组件，封装的容器实际部署中还可以进一步拆分。例如不同数据库，连接不同运营商能力开放平台，不同的门户（Web/公众号/移动端）等，可以进一步单独容器封装。在实际部署中，低负荷的容器可以集中部署在一台主机中，关键/负荷高的功能组件可单独主机部署，甚至部署在多台主机实现负荷分担。

（4）目前已有丰富的开源软件资源帮助搭建“微服务+容器”的应用服务端系统，小型系统中可以仅利用Docker技术，在不同容器中封装上述各个功能组件，实现相互隔离。容器外部通过脚本配置各个服务组件容器的启动和连接。随着微服务组件数量的增加和分布式部署，可以利用开源的容器编排软件，如Kubernetes、Docker Swarm等，完成对微服务的集中管理。

5 构建高性能的消息队列和处理机制

NB-IoT应用服务器端功能组件封装到不同微服务容器后，可通过消息总线/队列服务组件在微服务容器之间建立消息传送管道，进一步解耦服务组件的同时，提升整体系统的处理性能，同时应对终端集中数据上报造成的浪涌压力。

（1）应用可以参照业界成熟的消息模型用于应用层之间的信息交互。通常消息模型均包含Message（消息体）、Producer（消息生产者）、Consumer（消息消费者）、Broker（消息服务端）等几个部分。在此模型中，消息由Producer发出后，又经过Broker路由送至Consumer。应用服务组件（如应用业务逻辑、终端连接等）以Producer或Consumer身份注册成为消息队列客户端，成为发送消息和接收消息的主体；消息的缓存、路由、分发等操作，由模型中的Broker完成。

（2）有多个开源软件实现了上述消息模型中的Broker功能，如ActiveMQ，Kafka，RabbitMQ等，提供灵活、高效的消息转发和路由。上述软件支持通过配置文件（.xml）调整Broker处理消息队列策略，提升转发消息的性能，例如消息队列个数/长度，调整Topics/Partitions数量（Kafka），优化对处理失败或者过期的消息处理策略（ActiveMQ）等；同时上述软件均提供了开发接口，不同语言开发的功能组件遵循接口即可与消息队列服务交互。

（3）以NB-IoT应用服务端系统中，终端上报信息的处理流程为例，可以通过开源软件Kafka提供的消息处理，处理终端集中上报数据行为造成的浪涌冲击。（如图1所示）

图1

在浪涌高峰时间点，负责与通信运营商能力开发平台对接的功能组件以消息Producer的身份接入Kafka，收到终端上报消息后不做复杂的处理直接放入消息队列，避免业务逻辑处理不及时造成上报消息丢失，缓解应用业务逻辑功能组件的处理压力；Consumer端运行与Partition数量相同应用业务逻辑功能组件，同时内部启动多条线程并发处理队列送来的消息。利用上述消息处理机制可有效提升云端应用的消息处理能力，在业务忙时可应对闲时运行几十倍的浪涌压力。

6 细分类型和用途优化数据处理策略

数据库是每个信息应用系统必不可少的部分，包括NB-IoT应用云端服务器。NB-IoT应用的特性决定了随着系统运行时间的增加，终端数量/采集数据/监控数据在云端的累积也会急剧增加，单一的关系型数据库在应对数据I/O、海量数据分析、NoSql数据存储、全文数据检索等方面会面临瓶颈。应用云端需要有完备的策略来应对这种压力，而细分数据的类型和用途区别处理是其中的关键。

开源软件中已有很多高质量数据库软件，包括关系型数据库MySql，PostgreSQL；非关系型数据库MongoDB、Redis；还有如建立在Apache Lucene™ 基础上的搜索引擎Elasticsearch，这些软件专注于不同的数据处理细分领域。应用云端可以根据数据类型和用途的差异，针对性的选用不同开源数据库，让NB-IoT应用系统具备更良好的运行性能，同时发掘数据中的更多价值。

（1）使用关系型数据库如Mysql、PostgreSQL等支撑云端应用基本功能的运行，例如业务逻辑、UI界面等。关系型数据库配套的开发资源十分丰富，从需求分析到系统设计，从开发语言接口到优良代码框架都有成熟的资源，可以有效提升开发效率和代码质量。

（2）系统中需要频繁读写、快速返回检索结果的业务数据，放入memcache、redis等支持内存缓存的数据库单独管理，避免加重RDBMS负担，致使服务器响应恶化，影响应用系统的整体功能。例如，NB-IoT应用到不同能力开放平台的连接token、服务功能组件之间消息路由策略数据、系统公共参数等。如redis支持内存保存数据，并对外提供远高于Mysql的高速查询服务。

（3）利用NoSql数据库存储随着应用系统运行累积产生的数据，包括终端历史上报累积的数据，进程产生的业务日志等。针对此类数据的查询和复杂分析需求，也均由NoSql数据库，降低RDBMS负荷。同时大量NoSql形式的原始信息存储更为直接方便，Nosql数据的分析和检索也有丰富的开源工具，如Mongdo和Elasticsearch均支持更为灵活的分析聚合，也能进行复杂的数据建模。

结合容器和消息队列的使用，组合不同开源数据库软件并不需要增加太多的开发工作，却能帮助NB-IoT应用系统能更有效应对业务量的增长。

7 总结

目前，丰富的开源软件为开发者提供了大量的功能组件“素材”，而对NB-IoT技术特性和终端行为特点的充分了解和仔细分析，是帮助开发者选取合适“素材”搭建稳固、高效的NB-IoT应用云端服务器的基础。