物聯網（IoT）誕生的宗旨就是讓每個人的生活更加簡單和方便。然而隨著我們房子里面物聯網設備的不斷增加則變得越來越難管理。物聯網設備通常要借助IoT hub——本質上就是一個小型的網關，它的唯一作用就是充當一個基站為不同的物聯網設備提供不同的無線標準——可以直接接入到已經存在的家庭網關系統中來。這些對硬件不斷增加的要求給運營商和服務提供商帶來了嚴峻的挑戰：房子內的設置變得更加復雜，消費者會經常搞錯，因此這是不可持續的。本篇文章我將說明物聯網對家庭網關的影響，并介紹一種新的架構設計，除了能解決現在所面臨的很多問題，同時也能夠為運營商提供更大的靈活性，推動新的商業模式。

家居物聯網網絡不可避免的事實

我們以現在比較典型的家庭網絡拓撲結構為例，毫無疑問，我們需要家庭路由器或者網關作為整個網絡的中心節點，它的主要任務就是為多路連接提供寬帶服務以及為無線設備提供無線網絡訪問互聯網。配置也相當的簡單，但是WiFi不是唯一的無線通信標準，而且確實顯得過于臃腫——無論是帶寬還是功耗——對于大部分物聯網設備如傳感器和制動器等都不太適合。取而代之我們可以選擇更合適的標準如ZigBee、Thread和藍牙等。盡管一部分高級的家庭網關設計集成了這些額外的無線標準，但是還沒有廣泛普及，因此運營商還需要提供這些規格的物聯網Hub來滿足這些市場需求。

這些解決方案看似很簡單，但是最終會導致更多的物聯網hub連接到家庭路由器上，這不僅增加了家庭內硬件設備的數量，而且環境也變得越來越差，會對用戶造成一定的困擾，此外一些重疊網絡的交叉使用也會給整個網絡造成不穩定的影響：畢竟我們無法確定兩個不同的物聯網hub是否會使用相同的無線電頻率和網絡協議，盡管你能降低自己家內設備之間的影響，但是卻無法控制鄰居無線網網絡造成的干擾。

系統不斷集成所帶來的挑戰

硬件的更新——具體來講就是無線電技術——對于家庭網關來講更加的直接：一般都不會很昂貴而且軟件定義無線電（SDR）提供了完善的解決方案。Imagination公司推出了一系列高級的無線電技術，比如Ensigma無線通信處理器內核，SoC供應商可以生產低成本的家庭網關芯片，而且集成了所有流行的無線通信標準。

更嚴峻的挑戰其實來自于軟件集成，各種物聯網生態系統都需要集成到同一個網關系統上來，每一種都有不同的標準，每一種都有自己的資源要求，有時候可能還需要使用不同的操作系統。而且為了確保質量以及測試還需要延長開發時間，所以說有很多不可避免的工程問題要解決。最大的難題就是創建一個安全的環境能夠讓這么多的物聯網服務共存，同時又能夠互相獨立的運行，而且不會妨礙堅挺網關的其他核心功能。

唯一的解決方案就是采用新的架構設計：足夠的靈活適用所有的應用場景，而且軟件的開發、測試和驗證也會相對的簡單，較強的擴展性可以增加新的服務功能，此外還具有較強的安全特性，這就是我們要向大家推薦的硬件虛擬化。

進入虛擬化世界的可能性

虛擬化已經在企業服務器市場的應用已經有很多年了，指的是在單個服務器上能夠同時運行多個軟件環境和服務，這樣的策略可以降低硬件的設備和運維成本。Imagination公司已經做了進一步深入研究，并將這種策略應用到嵌入式SoC：MIPS系列所有處理器都支持硬件虛擬化。MIPS CPU支持全面的硬件虛擬化，也就是指芯片具有保證系統安全啟動和維護不同虛擬分區的所有機制，每個虛擬分區都與其他分區隔離，對于所有物聯網應用能通過極其快速的上下文切換來保證足夠的吞吐量。

在虛擬化系統中優先級最高的程序成為系統管理員，運行在本地操作系統上，這是通過硬件信任機制來建立一種安全啟動的方式，這樣是為了確保管理員程序是處理器第一先執行的。管理員監管所有處理器內核和資源的訪問，比如無線電通信引擎和外部存儲器空間。它支持虛擬機或者“容器”的創建，每個虛擬機都能夠安全的運行一種軟件環境，并且與其他系統隔離，好像每個系統都能夠直接訪問底層硬件和存儲子系統一樣。

對于家庭網關應用，這個架構允許網關的核心應用軟件在自己獨立的容器內運行。這個系統還支持引入額外的容器提供其他物聯網服務，每個容器都是安全的且與其他服務容器相隔離，而且就像是在本地硬件上運行似的。這意味著服務可以使用不同的操作系統，只要合適就行。它們不需要使用通用的內核或者驅動程序，因此可以運行不同版本的Linux系統或者實時操作系統（RTOS）。這些都可以與現有的服務一起運行，而不需要將它們移植到通用的操作系統上來。

真實應用的一個例子

在這個例子當中，我們讓核心網關軟件運行在一個安全的虛擬化環境中，第二個容器負責管理基于實時操作系統（RTOS）的家居安全系統。第三個容器提供家居控制服務，例如智能照明或者加熱。管理員程序可以通過多路復用的方式訪問網關的無線電資源（如WiFi、ZigBee、藍牙等），這使得所有服務能夠使用統一的無線電頻率，提供無線電頻譜的利用率。

這個設計架構是非常靈活的且可擴展：值得注意的是寬帶（運營商）這邊的網關可以與家庭的WiFi和物聯網網絡分開來維護。這樣就可以方便的對兩邊固件進行更新，無論網關是否處于運行狀態。新的物聯網服務的引入不會干擾已經存在的服務，同樣的，服務的更新也是每個容器互相獨立的而不需要重啟整個系統，因此運營商的相關固件升級期間仍然能夠保證各項服務的連續性。

網關制造商和運營商的雙贏之路

硬件虛擬化的方式驅動軟件的模塊化設計，這明顯的降低了項目開發成本，同時做到了質量保證，測試的簡單化，這些都加快了產品面市的時間。更重要的是簡化了軟件服務集成操作，我們不需要用傳統的方式將所有的物聯網服務都集成到一個家庭網關系統中：通常之前部署在物聯網hub上的軟件程序都可以放在家庭網關系統中開設的容器內運行，同時支持各種無線通信協議，就好像運行在專用的硬件平臺上一樣。與此同時，網關的核心功能可以在自己受保護的分區內運行，判定一個設計實例是否成功的一個重要標準就是安全，不能夠干擾網關其他系統分區的服務和操作。

從運營商的角度來看，網關系統的硬件虛擬化給物聯網服務提供了更廣泛的選擇。在與選定的網關系統供應商進行長期集成工作之前不需要提前選擇物聯網合作伙伴，它們可以隨時選擇第三方服務提供商，將物聯網服務軟件集成到現有的網關設備開設的虛擬容器中，沒必要再使用各種類型的物聯網hub。當然網關系統還必須集成各種常用的無線通信網絡技術，對于運營商來說就是能夠更加高效的控制這些網絡、無線電頻率的多路復用，提升無線電頻譜的利用效率，提供可靠性高、集成速度快、成本低的解決方案。

總結來說就是無論從工程還是商業的角度來看，家庭網關系統的硬件虛擬化都具有非常明顯的優勢。虛擬化架構設計讓軟件服務部署更加簡單，加快產品面市，更廣泛的第三方服務選擇，整體上降低系統成本。而且提供了一個融合后的網關系統，運營商能夠高效的管理，能夠控制所有的服務，這樣就會增加客戶的選擇意愿和滿意度。