根據產業研究機構預測，2035年各式聯網裝置總數將突破1兆大關，物聯網應用多樣且破碎化的特質，造成訊息蒐集不易，且各垂直網路與服務需求又有極大差距，有鑑於此，管理各類應用節點的物聯網閘道器的需求隨之水漲船高。
根據產業研究機構預測，2035年各式聯網裝置總數將突破1兆大關，物聯網應用多樣且破碎化的特質，造成訊息蒐集不易，且各垂直網路與服務需求又有極大差距，有鑑於此，管理各類應用節點的物聯網閘道器的需求隨之水漲船高。
為落實工業4.0與智慧製造願景，製造業者已積極展開部署工作，期能將工廠的實體設備、機台、控制器連接到雲端網路，並將現場所擷取到的資料傳送到雲端進行大數據分析，以優化生產效能。此外，物聯網應用多樣且破碎化的特質，造成訊息蒐集不易，且各垂直網路與服務需求又有極大差距。有鑑於此，物聯網閘道器的角色遂益形重要。
以工業應用為例，藉由閘道器的建置，工廠毋須更換現有機台的控制系統，僅須加裝閘道器，便可輕易連結機台和工廠內的工業網路，同時讓不同機台互相通訊，機台間可以進行群組協調控制和互相備援，甚至能從遠端調校，以提升生產良率。本課程深入探討現今物聯網閘道器關鍵技術，以及相關軟硬體規格與設計的最新趨勢，同時剖析實際部署考量與對策。
邊霧運算帶動閘道器商機
物聯網帶動無所不在的裝置聯網，舉凡燈具、家電、感測節點都要上網，根據產業研究機構預測，2035年各式聯網裝置總數將突破1兆大關，包括智慧城市、智慧家庭、智慧農業、工業物聯網、5G、車聯網等應用，為了管理這些節點也帶動物聯網閘道器的需求，透過Gateway進行聯網、即時運算等處理功能。
近年雲端運算應用普遍，物聯網的興起讓雲端資料處理量大增，資策會智慧系統研究所組長何智祥(圖1)指出，現有集中式雲端架構將運算、分析與決策集中在雲端平台，而且網路頻寬成本高，大數量應用(With Noisy Data)會產生壅塞，無法保證即時性，加上大量資料串流至雲端暴露許多資安風險，因此可以強化即時應用的雲霧運算熱度不斷提升。雲霧協同計算，可彈性分派、協作、管理與安全維護運算與網路資源，不僅連續兩年成為Gartner評比全球IT十大策略性技術，也帶動物聯網閘道器的需求水漲船高。
圖1 資策會智慧系統研究所組長何智祥指出，雲霧協同計算，連續兩年評比為全球IT十大技術，也帶動物聯網閘道器的需求。
分散式的雲霧運算，可執行輕量化分析決策功能，進一步降低時延，並彈性階層式的布建網路架構，何智祥表示，延遲、干擾、安全性、在地化、可實現與頻寬都是邊霧應用考量的因素。物聯網閘道器需求包括：全時運行、支援各式通訊技術、精準排程、暫存/備份資料、近端分析/學習、讀取設定工具、資料過濾/回報、近端呈現、整合特定產業需求等。
著眼於此一商機，軟硬體廠商都推出解決方案積極卡位，包括網通設備大廠思科(Cisco)、企業應用軟體大廠SAP、晶片廠NXP、Arm、Intel等；許多國際性的組織與專案如OpenFog Consortium、ECC(Edge Computing Consortium)、ETSI EMC、EdgeX foundry、Kubernetes for Fog Computing、Fog05等，也投入將技術標準化、建立流程、推動應用發展等工作，加快雲霧運算普及與發展。
反觀台灣，何智祥建議，物聯網產業範圍廣泛，邊霧運算也是剛萌芽的技術，應該掌握產業缺口，以台灣產業專長的物聯網閘道器硬體為基礎，搭配自主的霧端設備中介軟體、支援邊霧運算的雲平台、各種雲霧協作的垂直領域解決方案，加速培養雲霧協同運算技術人才與解決方案，並探索其創新商業營運模式；建議業者積極投入客製化程度高的次世代物聯網特定領域解決方案(DFSI)，加速跨領域與產業全面升級。
MQTT/CoAP助IoT裝置互聯互通
物聯網由於應用廣泛且終端節點眾多，許多節點透過短距無線通訊如藍牙、Wi-Fi或低速網路技術傳輸採集的訊息，為了控制分散的節點、統整資訊並與雲端平台進行溝通，閘道器的需求水漲船高。大同大學智慧物聯網研究中心主任鄭福炯(圖2)表示，物聯網標準還在發展中，因此透過通訊協定如MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)、CoAP(The Constrained Application Protocol)可協助物聯網裝置的溝通與控制。
圖2 大同大學智慧物聯網研究中心主任鄭福炯表示，物聯網標準還在發展中，MQTT與CoAP通訊協定可協助物聯網溝通與控制。
MQTT是一種物聯網裝置的通訊協定，鄭福炯說，從基礎的網路七層架構來看，MQTT是屬於L5~L7的應用層協定，其特點包括：Publish-Subscribe Model的訊息傳送模式，可提供一對多的訊息分配；另外因應物聯網的低資料量，具備Small Code Footprint，Code少所以容易移植到系統上，不會產生大量的訊息與命令傳輸；具訊息封包簡潔(Concise Packet)特性；訊息佇列(Message Queue)功能則定義訊息優先順序。
CoAP則已是IETF(Internet Engineering Task Force)標準(RFC 7252)，為類似HTTP/TCP設計，但是屬於輕量版的HTTP/UDP，使得其有利於感測節點進行網路傳輸，與MQTT不同，屬於一對一的溝通，CoAP採用二進位整數格式且封包標頭4個byte而非如HTTP使用字串格式(ASCII Code)，所以封包傳送時的額外負擔小且不必像HTTP一樣得進行耗時的字串解析處理。其加密使用DTLS (Datagram Transport Layer Security)。
物聯網安全需求日益提升
另外，物聯網大幅增加網路規模與節點，也使得網路安全風險直線上升，嵌入式處理器龍頭安謀(Arm)售前技術顧問王健宇(圖3)提到，安全防護重要性其實已經被大多數的廠商接受，但完整的安全需要大規模全面性的投資，包括安全的硬體架構、安全的軟體平台、安全的傳輸格式等等，而在有限的成本與產品上市時間壓力下，應該選擇與整合度最高的廠商合作，以提升應用/產品的安全層級。
圖3 安謀售前技術顧問王健宇提到，安全防護重要性無庸置疑，應該選擇整合度高的廠商，以提升應用/產品安全層級。
而在網路安全的前提下，含有安全機制的傳輸協定也受到業界的青睞，台灣恩智浦(NXP)半導體應用工程部經理江梓宏(圖4)解釋，Thread就是為了萬物互聯的安全而生，該協定是基於IPv6的協定，同時具備簡易的傳輸機制與低延遲，該協定只定義網路層的傳輸，底層的實體層與MAC層可以透過IEEE 802.15.4架構去跑，並且在個人區域網路的範圍內可支援超過250個節點。
圖4 台灣恩智浦半導體應用工程部經理江梓宏解釋，在網路安全上，含有安全機制的傳輸協定Thread也受到業界的青睞。
Thread的目標包括低成本、低複雜度、低功耗、低資料傳輸率並使用於無線感測網路(Wireless Sensor Networks, WSN)。不過在2.4GHz應用非常擁擠，Wi-Fi、Bluetooth、Thread都在這個頻段，因此特別設計Wi-Fi共存(Coexistence)機制以避免干擾，也支援IPv6的低速無線個人網路標準(6LoWPAN)，而上層的應用層則可以再與其他網路應用連結。
物聯網效能需求持續提升
在物聯網的應用中，工業物聯網(Industrial IoT, IIoT)是一個深具發展潛力的領域，東芝半導體技術行銷部副協理水沼仁志(圖5)指出，與消費性的應用相較，工業網路環境較封閉，連結節點的數量也少，近年AI風潮盛行，希望在感測網路或智慧手臂上強化AI智慧化的功能，工業閘道器(Industrial Gateway)可以在控制與聯網的角色之外，扮演導入AI功能的重責，不用大幅更改現有架構，可有效節省投資。
圖5 東芝半導體技術行銷部副協理水沼仁志指出，工業閘道器可以導入AI功能，不用大幅更改現有架構，有效節省投資。
在工業網路的資料傳輸介面發展上，過去以Fieldbus通訊協定為主，利用雙向式數位通訊協定，作為現場儀器及控制系統間之溝通與資料傳遞；但由於頻寬與延遲性的要求，近年已經逐漸轉向工業乙太網路(Industrial Ethernet)相關技術，水沼仁志強調，其中AVB(Audio Video Bridging)與時效性網路(Time Sensitive Networking, TSN)在車用與工業領域受到許多廠商支持。
然而無論有線或無線應用，工業或消費性應用，網路效能都是相當重要的一環，當然無線應用對於效能敏感度相對較高，宜特科技訊號測試事業處協理余天華(圖6)說，物聯網網路效能有多項指標包括連結(Connectivity)的簡易與迅速；敏銳度(Sensitive)訊號完整不丟失；接收感度惡化(De-sense)網路效能在多功狀態下依然維持；傳輸速率(Throughput)、漫遊(Roaming)、網路效能(Cyber Performance)在複雜的聯結環境下，維持聯網效能；環境干擾(Environment Concern)不受複雜環境影響網路效能；網路安全(Cyber Security)降低駭客或網路攻擊。
圖6 宜特科技訊號測試事業處協理余天華說，IoT應用中，因為不同的環境與應用，網路表現與受環境干擾的程度不同。
在物聯網的新興應用中，因為不同的環境與應用類型，需要的網路表現與受環境干擾的程度不同，余天華進一步指出，實際應用環境建置是其中一個重點，透過環境模擬器，以測試工具找出影響訊號表現的原因，再找出排除問題的做法，這些方法目前並沒有標準化的規範，僅有如IEEE標準制定單位，有針對某些環境提出建議的環境模擬，不過基本上跟實際環境都還有差距，透過更具結構性的方法與軟體可以接近產品的效能要求。
中介軟體降低IoT破碎化難題
物聯網由於應用的破碎化，標準化程度也較現有的應用低，對於投入的廠商來說，要開發一個物聯網的產品或服務，可以選擇的軟硬體相當多樣，Altiux業務總監盧功勳(圖7)表示，包括通訊協定、雲端平台、硬體元件、作業系統、終端資料安全等，都有非常複雜多樣的選擇，但物聯網的垂直應用又要求提供深入的服務，資通訊廠商須具備跨領域的產業知識或經驗。
圖7 Altiux業務總監盧功勳表示，物聯網由於應用的破碎化，標準化程度也較低，複雜多樣的選擇為廠商帶來極大挑戰。
就以物聯網閘道器來說，不同的應用會有不同的需求。台灣廠商最擅長以一個標準化的軟硬體架構大量生產，同時快速降低成本，雖然閘道器已經是物聯網應用中通用型的產品，但單一架構的量也不會如PC、手機這類產品大，盧功勳認為，物聯網閘道器少量多樣但產品毛利率較高，其實是符合國內產業轉型的趨勢，透過一個共同的中介軟體(Middleware)，不僅可以支援不同廠商的終端，也可以介接不同的雲端服務，減低開發門檻。
一般而言，中介軟體可以提供聯結(Connectivity)包括各種通訊標準、安全(Security)、裝置管理(Device Management)、邊緣分析(Edge Analytics)、子框架(Sub Framework)與雲端連結(Cloud Connectivity)等功能。