面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算平臺(tái)的分析與研究

周遜盛 李曉爐

1.浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院 浙江 杭州 310007；

2.浙江大云物聯(lián)科技有限公司 浙江 杭州 310052

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

雖然業(yè)界都在談工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，但各方的認(rèn)知存在著差別。IDC認(rèn)為，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是近幾年 AI、IoT、5G 等新興信息技術(shù)向工業(yè)的持續(xù)融合滲透，在這個(gè)過程中，促進(jìn)工業(yè)企業(yè)提質(zhì)降本增效減存，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)龐大的生態(tài)，IDC 關(guān)注的是產(chǎn)品和服務(wù)所形成的市場(chǎng)。對(duì)于服務(wù)商，主要是市場(chǎng)的機(jī)會(huì)在哪里，細(xì)分市場(chǎng)、廠商格局和份額是多少；對(duì)于工業(yè)企業(yè)，主要是如何應(yīng)用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。為此，IDC把工業(yè)互聯(lián)劃分成了 7 大子市場(chǎng)，包含解決方案、設(shè)備連接、云基礎(chǔ)設(shè)施、平臺(tái)、工業(yè)軟件、安全和產(chǎn)業(yè)賦能，如圖1所示。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的7個(gè)子市場(chǎng)

1.2 邊緣計(jì)算

萬物互聯(lián)給人類帶來了極大便利的同時(shí)，海量設(shè)備的通信也受限于不同設(shè)備的物理鏈路、各種不同的協(xié)議，因此大多數(shù)數(shù)據(jù)不能互聯(lián)互通。同時(shí)由于目前主流的容器編排引擎，如 Kubernetes、Mesosphere、Docker Swarm 等，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮應(yīng)用，缺乏對(duì)容器的統(tǒng)一管理，易造成帶寬不夠、實(shí)時(shí)性運(yùn)維服務(wù)質(zhì)量下降及企業(yè)成本增加等問題。

在此情況下，傳統(tǒng)云計(jì)算模式無法高效地支持基于萬物互聯(lián)的應(yīng)用服務(wù)程序，而邊緣計(jì)算模型可以更好地解決這些問題[2]。目前，有研究者已開展相關(guān)研究，如潘建勝[3]曾以Docker為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)CDN邊緣計(jì)算平臺(tái)；王健[4]通過輕量級(jí)的邊緣節(jié)點(diǎn)構(gòu)建輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)的虛擬化與網(wǎng)絡(luò)交換；吳鴻飛[5]通過模型和算法擴(kuò)展了Kubernetes，開發(fā)了一個(gè)輕量級(jí)的邊緣計(jì)算平臺(tái)。這些研究說明，邊緣計(jì)算模型可以補(bǔ)充云計(jì)算在實(shí)時(shí)性、智能性和安全管控上的不足，降低數(shù)據(jù)傳輸帶寬和中斷敏感數(shù)據(jù)帶寬的風(fēng)險(xiǎn)，通過處理更接近源頭的數(shù)據(jù)解決時(shí)延問題，可被應(yīng)用在云計(jì)算任務(wù)遷移、視頻監(jiān)控、智能家居、智慧城市、智能交通、協(xié)同邊緣等領(lǐng)域，為物聯(lián)網(wǎng)中連接的設(shè)備帶來穩(wěn)定。但是這些基于邊緣計(jì)算的容器管理引擎只完善了某一部分的缺陷，如王健[4]的輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)雖然在輕量化領(lǐng)域有較大成效，但無法有效解決協(xié)議兼容以及數(shù)據(jù)安全問題；吳鴻飛[5]對(duì)Kubernetes的擴(kuò)充雖然降低了應(yīng)用服務(wù)的完成時(shí)間，但無法進(jìn)行自動(dòng)伸縮。邊緣計(jì)算仍面臨設(shè)備傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)多樣性、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、資源自動(dòng)分配等問題。

2 邊緣計(jì)算平臺(tái)的分析與研究

2.1 邊緣計(jì)算平臺(tái)參考架構(gòu)

邊緣計(jì)算平臺(tái)參考架構(gòu)如表1所示：

表1 邊緣計(jì)算平臺(tái)參考架構(gòu)

2.2 邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施具有更廣的適應(yīng)性和統(tǒng)一維護(hù)管理的接口特性。由于邊緣計(jì)算機(jī)房的差異，且邊緣業(yè)務(wù)存在著延時(shí)、帶寬、GPU及AI的個(gè)性差異，為了適應(yīng)機(jī)房的條件，同時(shí)降低成本、提高性能、優(yōu)化資源的利用率。由于邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，位置分散，所以安裝和維護(hù)的難度很大。盡量減少現(xiàn)場(chǎng)工程師的操作維護(hù)，需要強(qiáng)大的管理運(yùn)維能力保障，邊緣服務(wù)器應(yīng)提供狀態(tài)采集、運(yùn)行控制、管理接口，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化的管理[6]。隨著云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新技術(shù)及新業(yè)務(wù)的發(fā)展，逐漸形成中心加邊緣站點(diǎn)兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于設(shè)備種類覆蓋廣，因此對(duì)邊緣站點(diǎn)的建設(shè)和運(yùn)維提出更高的要求，需要協(xié)調(diào)多廠商，實(shí)行多站點(diǎn)集中監(jiān)控和統(tǒng)一運(yùn)維方案。智能邊緣一體機(jī)將計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、虛擬化和環(huán)境動(dòng)力等產(chǎn)品有機(jī)集成在一起，利用快速部署工具，即可完成系統(tǒng)配置。

2.3 邊緣計(jì)算與云計(jì)算協(xié)同

應(yīng)用管理協(xié)同指的是云服務(wù)器按照客戶需求對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)提供的部署及多個(gè)應(yīng)用的管理調(diào)度進(jìn)行全過程的管理。服務(wù)協(xié)同主要是云端承擔(dān)邊緣節(jié)點(diǎn)的服務(wù)分布的服務(wù)工作。不同的場(chǎng)景下邊云協(xié)同的能力與內(nèi)涵有所不同。工業(yè)邊云協(xié)同的實(shí)現(xiàn)涉及多種關(guān)鍵技術(shù)的組合應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、資源虛擬化等。

2.4 邊緣計(jì)算安全保障

當(dāng)前工業(yè)界已經(jīng)開始認(rèn)識(shí)到邊緣安全的重要性和價(jià)值，并開展邊緣安全的探索，首先邊緣節(jié)點(diǎn)與云服務(wù)器之間信息交互安全考慮不足，傳感器與邊緣節(jié)點(diǎn)眾多不安全協(xié)議，所以在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)主要考慮通信的性能、消息的機(jī)密性、完整性、真實(shí)性等。然后由于邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，缺少有效的備份、恢復(fù)、管理，很容易受到攻擊導(dǎo)致修改或刪除等造成數(shù)據(jù)丟失或損壞，直接影響工業(yè)生產(chǎn)和決策的過程，所以應(yīng)加大邊緣節(jié)點(diǎn)及云服務(wù)器的數(shù)據(jù)備份，邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)提供有效機(jī)制恢復(fù)數(shù)據(jù)。在工業(yè)邊緣計(jì)算、企業(yè)等場(chǎng)景下，應(yīng)加大邊緣節(jié)點(diǎn)及云中心的加密措施。

3 工業(yè)軟件云化重構(gòu)趨勢(shì)

隨著邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)快速增長(zhǎng)，各類研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)在積極推進(jìn)邊緣計(jì)算的技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展，邊緣計(jì)算安全國(guó)外很多工業(yè)軟件巨頭已經(jīng)布局多年軟件的云化和訂閱模式，并取得了積極的成果，國(guó)內(nèi)較早做 SaaS工業(yè)軟件的新核云、黑湖智造等廠商業(yè)績(jī)也呈翻倍式增長(zhǎng)，同時(shí)低代碼平臺(tái)和中臺(tái)的興起，云化正在持續(xù)促進(jìn)工業(yè)企業(yè) IT 架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)變革[7]。但同時(shí)，國(guó)內(nèi)云化軟件廠商和產(chǎn)品仍遠(yuǎn)未形成主流，私有化仍然是國(guó)內(nèi)工業(yè)軟件應(yīng)用的主要模式。

從長(zhǎng)期看，工業(yè)軟件的云化是個(gè)長(zhǎng)期機(jī)遇，云化催生了中小企業(yè)為主要客戶群的市場(chǎng)，帶來了新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。目前中國(guó)廠商因?yàn)橄蛟频霓D(zhuǎn)型整體比國(guó)外晚3～4年，因此成果還有待逐步顯現(xiàn)。同時(shí)疫情常態(tài)化等也提升了企業(yè)對(duì) SaaS 的接受程度。

短期看仍有一定的風(fēng)險(xiǎn)，盡管服務(wù)商的跟風(fēng)探索和政府的補(bǔ)貼等促進(jìn)了短期的繁榮，但是國(guó)內(nèi)企業(yè)整體對(duì)云軟件的接受程度不及國(guó)外，因此市場(chǎng)發(fā)展可能并沒有想象中的快。

4 結(jié)束語

邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施中互聯(lián)互通的基石，在采集數(shù)據(jù)，匯通及分析統(tǒng)計(jì)協(xié)同作業(yè)起著至關(guān)作用，基于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的智能化正深刻地影響著制造工業(yè)的組織模式，從提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低成本等方面，邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的作用日益增大，所以對(duì)邊緣計(jì)算平臺(tái)的深入研究是十分必要的，需要企業(yè)、科研等相關(guān)部門積極參與。