网关GateWay——连接不同网络的关键设备

Nerd Nirvana2025-05-20 19:09

网关（Gateway）

网关（Gateway）是网络通信中的关键组件，常被用于不同网络之间的数据交换和协议转换。特别是应用在物联网（IoT）、嵌入式系统、智能电表系统（如DCU）等场景中。

一、什么是网关（Gateway）？

网关（Gateway）是一种网络设备或软件模块，用于连接不同网络、协议或系统之间的通信桥梁 。它不仅能完成数据的转发，还能进行协议转换、数据处理、安全控制和设备管理等工作。

举例：

  • 路由器是连接家庭局域网和互联网的网关。
  • 在电力系统中，DCU（数据集中器）就是智能电表与主站系统之间的网关。
  • 在IoT系统中，网关负责将传感器数据从Zigbee、蓝牙、Modbus等协议转为MQTT/HTTP并上传云平台。

二、网关的分类

分类方式 类型 说明
按功能 数据网关 实现数据传输、收集、聚合和缓存
协议网关 实现不同协议间的转换，如Modbus转MQTT
应用网关 实现应用层解析、安全控制、认证等功能
按部署位置 网络层网关 位于不同子网或网络间
应用层网关 位于边缘计算节点、终端设备或服务端

三、网关的核心功能

  1. 协议转换

    • 如：DLMS → JSON、Modbus RTU → MQTT
    • 支持多协议互通是工业网关的重要能力

  2. 数据转发与聚合

    • 汇聚多个终端的数据，打包上传到云平台或主站系统

  3. 本地缓存与断点续传

    • 临时存储数据，断网后自动补传，确保数据可靠性

  4. 安全认证

    • 提供设备认证、数据加密、防火墙等能力

  5. 远程管理与升级

    • 支持OTA（Over The Air）升级、日志收集、远程配置

  6. 边缘计算

    • 在本地执行一定的规则、预处理、告警判断等逻辑

四、典型网关架构图

复制代码 
        [设备1]      [设备2]      [设备3]
           |             |             |
       ---协议A---   ---协议B---   ---协议C---
                 \      |      /
               [多协议网关 Gateway]
                  |      ↓
             协议统一（MQTT/HTTP）
                  ↓
              [云平台 / 主站系统]

五、常见应用场景

1. 工业网关

  • 工业现场使用多种协议（如Modbus、CAN、PROFIBUS），网关可将其转为统一协议上传

2. 电力系统

  • DCU作为网关连接智能电表（DLMS协议）与HES主站（通过MQTT或HTTP）

3. 智能家居

  • 将Zigbee/BLE设备接入WiFi并连接到家庭控制系统或云端

4. 医疗物联网

  • 网关收集医疗设备数据并同步到医院服务器或云平台

六、学习指南与建议

Ⅰ阶段：理解网关基础

  • 了解网络通信基础（IP、端口、TCP/IP协议栈）

  • 学习常见协议（MQTT、HTTP、Modbus、DLMS等）

  • 推荐学习资源：

Ⅱ阶段：搭建/使用网关

  • 使用开源网关项目，如：

    • EMQX（MQTT 网关）
    • Node-RED（低代码数据流工具）

  • 搭建本地网关系统，连接传感器并上传数据至云

Ⅲ阶段：开发与调优

  • 学习多线程与异步编程（如C++、Java、Go）
  • 实现协议转换模块
  • 优化数据传输效率和缓存机制
  • 研究安全机制（如TLS、证书认证）

七、常用网关设备/平台推荐

名称 用途 特点
EMQX MQTT网关 支持百万级并发、可部署在边缘或云端
ThingsBoard Gateway 工业设备接入 支持Modbus、OPC UA等协议
DCU 电力集中器 支持DLMS/COSEM、主站通信

网关是信息流动的桥梁 ，也是边缘计算的核心节点。掌握网关技术不仅能提升系统集成能力，也是深入物联网、工业互联网和电力系统的重要基础。

你提到的 DLMS 网关 和 Modbus 转 MQTT 网关，是两类非常实用且具有代表性的协议转换网关，广泛应用于电力系统和工业自动化场景中。下面我将分别对这两种网关进行详解，并提供学习和实现建议。

DLMS 网关与Modbus 转 MQTT 网关

一、DLMS 网关

1. 作用

DLMS 网关 主要用于在智能电表（Meter）和主站系统（HES、MDMS）之间实现协议桥接和数据转发。通常部署在 DCU（Data Concentrator Unit） 中，也可以作为独立设备部署。

2. 工作流程

复制代码 
智能电表 <---DLMS协议---> DLMS网关（DCU） <---MQTT/HTTP---> 主站系统

3. 核心功能

功能 说明
协议解析 解析 DLMS/COSEM 消息（如 AARQ/AARE、GET、SET、ACTION）
会话管理 建立、维护 DLMS 会话，管理设备连接状态
安全认证 支持 DLMS 安全等级（L0、L1、L2、L5）
数据缓存 缓存抄表数据、事件，断网续传
MQTT 通信 将采集数据发布到主站系统订阅的主题

4. 关键模块

  • DLMS Stack（协议栈）：如 Gurux.DLMS、OpenDLMS
  • 任务调度模块：管理批量抄读任务
  • 数据缓存模块：Redis/SQLite 实现临时存储
  • MQTT 客户端模块：使用 Eclipse Paho、mosquitto 等库

5. 推荐资料

  • Gurux DLMS 代码：https://github.com/Gurux
  • IEC 62056 DLMS 协议文档
  • DLMS Green Book（规范）
  • MQTT 平台：EMQX、Mosquitto

二、Modbus 转 MQTT 网关

1. 作用

Modbus 转 MQTT 网关用于在工业设备（如PLC、传感器）与云端系统之间进行协议转换，常用于老旧设备改造，边缘计算等场景。

复制代码 
Modbus设备 <---Modbus RTU/TCP---> 网关 <---MQTT---> 云平台

2. 支持协议

协议 用途
Modbus RTU 串口通信（RS485）
Modbus TCP 网络通信
MQTT 云平台通信协议

3. 工作机制

  1. 轮询读取 Modbus 设备寄存器（Holding/Input）

  2. 将读取结果打包成 JSON 数据

  3. 发布到 MQTT Broker 的指定主题，如：

    复制代码 
    /factory/device01/temperature

4. 开源项目/工具推荐

名称 描述
ThingsBoard Gateway 支持 Modbus/MQTT 双协议，图形配置
Node-RED 适合快速原型开发
ModbusPal + EMQX 测试环境搭建
Python-pymodbus + paho-mqtt 可快速实现自定义网关逻辑

5. 样例代码（Python简易实现）

python 复制代码 
import pymodbus.client.sync
import paho.mqtt.client as mqtt
import json

# 连接Modbus设备
modbus_client = pymodbus.client.sync.ModbusSerialClient(
    method='rtu', port='/dev/ttyUSB0', baudrate=9600, timeout=1)
modbus_client.connect()

# MQTT连接
mqtt_client = mqtt.Client()
mqtt_client.connect("broker.emqx.io", 1883, 60)

# 读取寄存器并上传
rr = modbus_client.read_holding_registers(0x00, 2, unit=1)
temperature = rr.registers[0] / 10.0

payload = json.dumps({"temperature": temperature})
mqtt_client.publish("factory/device01/temperature", payload)

三、DLMS 与 Modbus 转 MQTT 网关对比

项目 DLMS 网关 Modbus 转 MQTT 网关
应用场景 电力系统（智能电表） 工业设备（PLC、仪表）
协议复杂度 较高，基于对象模型 简单，基于寄存器地址
安全机制 支持多级安全认证 通常无加密，需自行扩展
实现难度 较高（DLMS协议栈、会话） 中等（轮询 + MQTT）

Modbus → MQTT 网关架构设计示例

1. 项目背景

在工业自动化和物联网系统中，大量设备仍使用 Modbus 协议（RTU/TCP）。为实现设备接入云平台并进行数据可视化、远程监控，需要将 Modbus 协议转换为 MQTT 协议。该网关作为桥梁，实现数据格式与传输协议的转换。

2. 系统目标

  • 支持 Modbus RTU 和 Modbus TCP 协议的设备接入
  • 定时或事件驱动读取设备寄存器
  • 转换为 JSON 格式的 MQTT 消息并发布
  • 支持断线重连、数据缓冲、重试机制
  • 支持设备配置管理和远程升级（可选）

3. 系统架构概览

复制代码 
              +--------------------------+
              |      云平台（MQTT Broker）|
              +-----------↑--------------+
                          |
                    MQTT over TCP
                          |
+-----------+    +--------+--------+     +-----------+
| Modbus RTU|<-->|  Modbus→MQTT   |<---> | Modbus TCP|
|  设备A     |    |   网关核心程序  |     |  设备B     |
+-----------+    +----------------+     +-----------+

                      [嵌入式 Linux / 边缘计算设备]

4. 模块划分

4.1 协议适配层（Protocol Adapter）

模块名 功能描述
Modbus RTU 驱动 串口读取（RS-485），使用 libmodbus 或 pymodbus
Modbus TCP 驱动 网络读取，连接 PLC 等设备
寄存器映射配置 读取位、字、浮点等数据，并关联为 JSON Key

4.2 数据转换层（Data Processor）

  • 将读取的数据转换为 JSON 格式：
json 复制代码 
{
  "device_id": "plc001",
  "timestamp": "2025-05-17T10:00:00Z",
  "temperature": 36.5,
  "pressure": 101.3
}
  • 支持数据精度处理（如寄存器值/10）
  • 支持简单规则引擎（如阈值判断告警）

4.3 通信层（MQTT Client）

功能 描述
MQTT 连接管理 自动连接、断线重连、SSL 支持
QoS 支持 支持 QoS 0/1/2
发布机制 定时发布 / 变更触发发布
主题结构 /factory/plc001/temperature，或 /device/{id}/data

4.4 缓存与重试机制（Buffer & Retry）

  • 使用内存队列/数据库（如 SQLite）缓存未发送数据
  • 支持网络异常时缓存、恢复后自动发布
  • 消息队列控制并发发送

4.5 配置与管理模块（可选）

项目 功能
本地配置文件 YAML/JSON 结构描述 Modbus 设备、地址、发布频率等
Web 配置界面 通过浏览器配置寄存器映射
OTA 云端触发网关远程升级（需 Bootloader 支持）

5. 配置示例

yaml 复制代码 
devices:
  - id: plc001
    type: modbus_tcp
    ip: 192.168.1.10
    port: 502
    interval: 5        # 每5秒轮询
    registers:
      - name: temperature
        address: 0x0001
        type: holding
        length: 1
        scale: 0.1
      - name: pressure
        address: 0x0002
        type: holding
        length: 1
        scale: 0.1

mqtt:
  broker: mqtt://broker.emqx.io
  topic_prefix: /factory
  qos: 1
  retain: false

6. 通信流程（时序图）

text 复制代码 
Modbus设备       网关核心           MQTT Broker
    |                |                   |
    |<--轮询寄存器-- |                   |
    |--返回值------->|                   |
    |                |--发布JSON消息--->|
    |                |                   |

7. 技术选型建议

功能模块 推荐库/技术栈
Modbus libmodbus ©、pymodbus (Python)
MQTT paho-mqtt (Python)、mosquitto（嵌入式）
配置管理 yaml-cpp (C++), PyYAML
嵌入式平台 OpenWRT, Yocto, Ubuntu Core
消息缓冲 SQLite、内存队列

8. 异常处理机制

异常 处理策略
MQTT 连接中断 缓存数据，定时重连
Modbus 超时 重试3次，记录日志
配置文件异常 加载默认配置或退出启动
设备掉线 MQTT状态上报设备为"离线"

9. 安全性设计（可选）

  • MQTT over TLS，使用 CA 证书
  • 客户端证书认证（双向TLS）
  • 禁止远程配置写入（或需认证）
  • 审计日志机制记录访问与变更行为

10. 部署与维护建议

项目 建议
开机自启 注册为 systemd 服务或 init 脚本
远程调试 支持日志上传、Telnet/SSH
升级方式 支持增量OTA或整包烧录
容错策略 数据掉电保存，异常重启恢复任务

11. 扩展方向

  • 支持 WebSocket 或 HTTP 推送
  • 支持批量设备自动发现（Modbus scan）
  • 接入边缘计算平台（如 EdgeX Foundry、KubeEdge）
  • 提供 API 接口与第三方平台集成

附录：参考实现项目（推荐）

好的，以下是你提到的几个路由器常见功能的详细解释，适合用于理解路由器在网络环境下的工作原理，尤其适合嵌入式开发、物联网部署、工业网关等应用场景。

NAT（网络地址转换），端口映射，无线接入点（AP）

✅ 一、NAT（网络地址转换）

📌 概念

NAT（Network Address Translation）是将私有 IP 地址转换为公网 IP 地址的一种技术，常用于多个设备共用一个公网地址上网。

🧠 为什么需要 NAT？

因为 IPv4 地址不够用，大多数家庭或公司网络使用 私有地址段 （如 192.168.x.x、10.x.x.x、172.16.x.x），这些地址在公网中无法直接访问。

所以路由器使用 NAT 技术：

  • 将多个私有 IP 的请求统一转换成一个公网 IP 发出
  • 回包时再根据端口等信息路由回内部设备

🔄 举例说明（源 NAT / SNAT）

内网设备 IP 请求目标地址 转换后公网地址 对应端口
192.168.1.100 www.baidu.com:80 120.1.2.3:34001 自动分配
192.168.1.101 www.baidu.com:80 120.1.2.3:34002 自动分配
👉 路由器行为：
  • 为每个内网请求分配一个外部端口号
  • 建立连接映射表
  • 返回包回来时，查表转发给对应的内网 IP 和端口

✅ 二、端口映射（Port Forwarding）

📌 概念

端口映射是在 NAT 基础上将外部特定端口的数据包转发给内网中某台设备的对应端口。

🎯 用途

  • 搭建本地 Web 服务或 MQTT 服务被外部访问
  • 支持远程 SSH、摄像头 RTSP、FTP 访问

🔄 示例：访问内网 MQTT 服务器

假设内网 IP 为 192.168.1.10，该设备运行 MQTT 服务在 1883 端口。

外部请求地址 路由器行为 内部设备转发地址
120.1.2.3:18830（公网） 路由器转发到 192.168.1.10:1883 /usr/bin/mosquitto
设置方式（路由器 Web 页面）：
text 复制代码 
外部端口：18830
内部 IP：192.168.1.10
内部端口：1883
协议类型：TCP

⚠️ 需开启 DMZ 或端口转发功能，有的运营商需打电话申请公网 IP（否则是 NAT 内网）

✅ 三、无线接入点（Access Point / AP 模式）

📌 概念

AP 模式下的路由器作为一个 无线接入设备，让其他无线终端（手机、笔记本、IoT 设备）连接到已有网络。

📶 特点

  • 不做 NAT，不提供 DHCP
  • 不控制网络路由，仅提供无线接入能力
  • 类似于"交换机+无线"

使用场景：

  • 公司或大户型住宅中，需要多个无缝 WiFi 覆盖区域
  • 工业场景中，多个网关/PLC通过无线连接 AP 上传数据

🔁 举例：家用 AP 接入主路由器

角色 IP 规划 功能
主路由器 192.168.1.1 NAT、DHCP、网关
AP路由器 192.168.1.2 仅作为无线 AP 使用
终端设备 自动分配 通过 DHCP 获取 IP
配置方法：
  • 关闭路由器的 DHCP 服务
  • 修改 LAN IP（避免冲突）
  • 关闭防火墙/NAT
  • 启用无线并设置相同 SSID（或不同 SSID）
  • 网线连接至主路由器 LAN 口（非 WAN 口）

✅ 总结对比表

功能 功能说明 作用场景
NAT 内网转公网，IP 映射 多设备共享公网地址
端口映射 将公网端口转发给内网某设备 外部访问内网服务，如MQTT、SSH
无线接入点 AP 提供无线连接能力，不参与 IP 分配或 NAT 扩展无线网络，部署 IoT 接入点
相关推荐
盛满暮色 风止何安1 小时前
IS-IS 中间系统到中间系统
服务器·网络·网络协议·安全·web安全·网络安全·智能路由器
一人一萧十只猫�2 小时前
Linux SSH 远程连接全攻略：从加密原理到实战配置（含图解）
linux·服务器·网络
秦jh_3 小时前
【Linux网络】传输层协议UDP
linux·运维·服务器·网络·udp
weixin138233951793 小时前
网络安全EN18031-1,EN18031-2,EN18031-3三个标准对应的测试项目
网络·安全·web安全
特立独行的猫a4 小时前
linux下的 xargs命令使用详解
linux·服务器·网络·linux命令·xargs
免檒4 小时前
Go内存管理
开发语言·网络·golang·操作系统
腾讯云音视频5 小时前
技术解码 | 腾讯云SRT弱网优化
网络·云计算·腾讯云
樂5026 小时前
RHCE 练习三：架设一台 NFS 服务器
linux·服务器·网络
冷崖8 小时前
网络学习-epoll(四）
网络·学习
热门推荐
01从零安装 LLaMA-Factory 微调 Qwen 大模型成功及所有的坑02KGG转MP3工具|非KGM文件|解密音频03YOLOv8入门 | 重要性能衡量指标、训练结果评价及分析及影响mAP的因素【发论文关注的指标】04【SpeedAI科研小助手】2分钟极速解决知网维普重复率、AIGC率过高，一键全文降！文件格式不变，公式都保留的！05组基轨迹建模 GBTM的介绍与实现（Stata 或 R）06Coze扣子平台完整体验和实践（附国内和国际版对比）07DeepSeek各版本说明与优缺点分析08YOLOv5改进 | 添加CA注意力机制 + 增加预测层 + 更换损失函数之GIoU09苍穹外卖面试总结10VMware虚拟机安装Win7专业版保姆级教程（附镜像包）