云霧混合計算技術(shù)的發(fā)展及其智慧消防應(yīng)用

張盛天

（山西大同大學(xué)計算機與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院，山西 大同 037009）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)與個人對計算機的運算能力要求越來越高。為了滿足用戶的數(shù)據(jù)運算需求以及降低相應(yīng)硬件資源成本，云計算概念在2006年8月的搜索引擎大會上被提出。云計算采用分布式的架構(gòu)，在遠端網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建數(shù)據(jù)中心，整合計算資源，并借助軟件管理分發(fā)資源。用戶終端設(shè)備負責(zé)收集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層，將數(shù)據(jù)傳輸于遠端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心進行處理。通過這種模式，云計算為用戶提供了廉價、快捷的服務(wù)[1]。

云計算在提出后的十幾年中飛速發(fā)展，如Software as a Service等服務(wù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到谷歌等著名企業(yè)中，極大的改變了人們的生活[2]。然而伴隨著越來越多的智能終端設(shè)備出現(xiàn)，如自動駕駛設(shè)備、智能眼鏡等，云計算自有的高時延、高安全風(fēng)險、不穩(wěn)定等缺點被不斷放大，單純的云計算模式已經(jīng)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)時代的市場需求。在這樣的背景下，霧計算應(yīng)運而生。霧計算旨在將計算存儲等資源部署于云與物之間，降低云端數(shù)據(jù)中心的處理壓力，減少部分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x，從而提供更強實時性、更安全可靠的服務(wù)[3]。伴隨霧計算概念的出現(xiàn)，云計算與霧計算搭配混合使用的計算模式為車聯(lián)網(wǎng)、智慧交通等應(yīng)用場景注入了新的力量，既保留了云計算的低成本、便捷管理等優(yōu)點，又增加了霧計算低時延、高安全等特性。

本文第2部分從概念、技術(shù)架構(gòu)以及現(xiàn)存應(yīng)用與挑戰(zhàn)等方面對云霧混合計算技術(shù)的發(fā)展進行了闡述；第3部分在前人研究基礎(chǔ)上，提出基于云霧混合計算的智慧消防應(yīng)用解決方案，描述了云霧混合計算技術(shù)在實踐生活中的應(yīng)用；第4部分對云霧混合技術(shù)的未來發(fā)展進行了展望。

1 云霧混合計算技術(shù)的發(fā)展

1.1 概念源于需求

自2006年云計算概念出現(xiàn)以來，計算與網(wǎng)絡(luò)兩種IT技術(shù)不斷融合，進而互相依存，有力地推動了信息化社會的發(fā)展[4]。然而，伴隨著越來越多智能終端設(shè)備的出現(xiàn)，對時延敏感、地理位置敏感的應(yīng)用場景即自動駕駛、智慧交通等逐漸融入到人們的生活。面對這些物聯(lián)網(wǎng)場景，更安全、更快捷、更穩(wěn)定的計算模式被需要，同時，計算需具有更良好的移動性支持。以上這些需求對于高時延、低安全可靠的云計算來說是無法滿足的，因此，霧計算概念應(yīng)運而生。

霧計算是由Cisco公司于2011年提出，它通過在云與物之間部署大量計算存儲能力有限的微型霧節(jié)點數(shù)據(jù)中心，來分散云中心的計算壓力，減少向遠端網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[5]。由于霧計算自身的運算能力有限，它無法取代云計算，而是對其進行了擴展與補充，這兩種技術(shù)的融合使用，既保留了云層強大的計算存儲優(yōu)勢，又將網(wǎng)絡(luò)計算的范圍擴展到了近用戶端，即網(wǎng)絡(luò)邊緣，從而使網(wǎng)絡(luò)計算具備了更低時延和更高的位置感知能力。霧計算所帶來的好處，使得其在IT業(yè)界得到了大量關(guān)注。2015年，Cisco、Dell、Intel等IT行業(yè)領(lǐng)先者共同組建了開放霧聯(lián)盟（OpenFog Consortium），旨在推進云霧混合計算的快速發(fā)展?，F(xiàn)如今，已經(jīng)有五十多個來自北美、亞洲和歐洲的機構(gòu)加入到開放霧聯(lián)盟中。2018年，國家標準技術(shù)研究所（National Institute of Standards and Technology）在Cisco多年的霧計算研究基礎(chǔ)上，重新規(guī)范了霧計算的定義：霧計算是在智能設(shè)備與傳統(tǒng)云端數(shù)據(jù)中心之間的一種水平的、物理與虛擬資源相結(jié)合的計算模式。隨著霧計算相關(guān)概念的規(guī)范化，云霧混合計算的技術(shù)架構(gòu)也日漸成熟。

1.2 從技術(shù)架構(gòu)入手

根據(jù)概念的定義，云霧混合計算是由多層結(jié)構(gòu)組成。如圖1所示，除了傳統(tǒng)的云計算中心層、網(wǎng)絡(luò)層和終端用戶層，霧計算層也加入到結(jié)構(gòu)體系中。

圖1 云霧混合計算架構(gòu)圖

1.2.1 云計算中心層

在云霧混合計算模式中，保留了傳統(tǒng)的云計算中心。云計算中心采用大量虛擬資源，借助任務(wù)調(diào)度、負載均衡以及并行計算等技術(shù)，提供了極強的計算力與存儲能力，以滿足復(fù)雜計算任務(wù)的處理[6]。在物聯(lián)網(wǎng)場景中，云計算中心適合負責(zé)大數(shù)據(jù)量信息的智能分析與學(xué)習(xí)以及歷史數(shù)據(jù)的存儲，是對霧層計算能力的補充。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包含了接入網(wǎng)絡(luò)層和核心網(wǎng)絡(luò)層。接入網(wǎng)絡(luò)層主要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接終端用戶設(shè)備與霧層節(jié)點設(shè)備，其中既包含了有線網(wǎng)絡(luò)，又包含了無線網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)絡(luò)借助有線網(wǎng)銜接了云計算中心與霧層計算節(jié)點[7]。

1.2.3 霧計算層

霧計算層的引入是云霧混合計算的核心，其自身需具備一定的業(yè)務(wù)處理以及數(shù)據(jù)計算能力。同時，霧計算層還需能夠配合云層，進行合理的網(wǎng)絡(luò)管控、資源調(diào)度，完成更復(fù)雜的計算與存儲任務(wù)[8]。此外，霧計算層中的計算節(jié)點規(guī)模也有可能因為業(yè)務(wù)需求而變得數(shù)量龐大，單個計算節(jié)點的軟硬件成本要相對低廉。為了滿足以上功能需求，在硬件上，霧計算層可由通用服務(wù)器、白牌交換機、路由器等設(shè)備組成。在軟件上，除了需具備負責(zé)業(yè)務(wù)計算處理的軟件系統(tǒng)外，還需引入負責(zé)網(wǎng)絡(luò)流量控制與轉(zhuǎn)發(fā)的SDN（Software Defined Network, 軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)、負責(zé)提供虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的NFV（Network Functions Virtualization, 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)以及對復(fù)雜任務(wù)進行計算卸載的軟件機制。表1給出了通用霧計算層所需的主要軟硬件資源。

表1 通用霧計算層主要軟硬件資源

搭建霧計算節(jié)點是霧計算層建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（ONF）推動的CORD（Central Office Rearchitected as a Datacenter, 網(wǎng)絡(luò)機房的DC化改造）項目，基本滿足了霧層計算節(jié)點的要求[9]。CORD平臺整合了SDN，NFV等技術(shù)，借助通用服務(wù)器及白牌交換機等硬件資源，提供了霧層計算、流量控制、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可能，如果在其上增加業(yè)務(wù)服務(wù)，將會使其成為合適的霧層計算節(jié)點。圖2展示了一個CORD節(jié)點的物理組成架構(gòu)，其中包含了四個白牌交換機、三個通用x86服務(wù)器，各設(shè)備之間采用葉脊架構(gòu)相連。SDN、NFV以及業(yè)務(wù)服務(wù)等軟件平臺部署于三個服務(wù)器之中，通過服務(wù)器之間的協(xié)作完成霧層計算任務(wù)。

1.2.4 終端用戶層

在物聯(lián)網(wǎng)時代，終端用戶層中的設(shè)備種類越來越多，其中包括了智能手機、電腦、智能穿戴設(shè)備以及各類傳感器等。為了實現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景，這些智能終端設(shè)備通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)銜接在一起，由此產(chǎn)生了云霧混合計算發(fā)展的必要性。在云霧混合計算中，智能終端設(shè)備作為任務(wù)的發(fā)起，經(jīng)過接入網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備調(diào)度，將任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的霧計算節(jié)點。任務(wù)經(jīng)過霧層與云層計算處理后，其處理結(jié)果又將經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳回終端設(shè)備。

圖2 CORD 節(jié)點

1.3 云霧混合計算的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

目前，云霧混合計算應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)于我們的日常生活中。文獻[10]將云霧混合計算應(yīng)用于遠洋漁船作業(yè)活動之中，通過云中心和霧計算節(jié)點，將遠洋漁船物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)計算進行了合理的卸載，同時優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，提高了漁船通信信號的質(zhì)量。文獻[11]將霧層計算引入到傳感網(wǎng)的研究之中，借助霧計算節(jié)點提升了底層無線傳感網(wǎng)的計算能力及數(shù)據(jù)安全性，從而增強了傳感云的可信機制。

然而，云霧混合計算依舊不成熟。文獻[7]在描述將霧層計算引入到智能駕駛場景時，提出了目前大范圍的4G網(wǎng)絡(luò)無法讓霧層計算很好的適應(yīng)時延極其敏感的業(yè)務(wù)。此外，霧層計算在資源調(diào)度上也缺乏合適的自適應(yīng)調(diào)度算法。云層與霧層的合理融合使用也面臨著很多挑戰(zhàn)。這些問題都是云霧混合計算急需解決的難題。

2 基于云霧混合計算的智慧消防應(yīng)用

2.1 新型智慧消防發(fā)展的必要性

隨著云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能等高新科技的發(fā)展，智慧電網(wǎng)、自動駕駛等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷普及。同樣的，借助新型技術(shù)可以改善現(xiàn)存的消防條件。市場上已有的智慧消防系統(tǒng)借助云平臺，實現(xiàn)了消防信息共享，依托大數(shù)據(jù)剖析消防數(shù)據(jù)，實時判斷城市火災(zāi)風(fēng)險[12]。相比于傳統(tǒng)消防手段，智慧消防系統(tǒng)提升了對火災(zāi)的應(yīng)急速度，添加了對火情的智能分析以及應(yīng)對災(zāi)情的智能決策功能。

雖然基于云平臺的智慧消防系統(tǒng)提升了處理火災(zāi)的能力，但是其受限于云計算的高延時、低安全等缺點，對于大規(guī)模城市，容易造成數(shù)據(jù)傳輸擁塞、計算壓力大等問題。如果將云霧混合計算技術(shù)引入到智慧消防應(yīng)用系統(tǒng)中，可以減少防火智能設(shè)備向云端服務(wù)器匯聚的數(shù)據(jù)量，降低數(shù)據(jù)傳輸擁塞的幾率，同時借助霧層節(jié)點，能將計算任務(wù)進行合理卸載，降低云端計算壓力。鑒于以上好處，發(fā)展基于云霧混合計算的新型智慧消防應(yīng)用的需求日益強烈。

2.2 新型智慧消防應(yīng)用

在云霧混合的智慧消防應(yīng)用系統(tǒng)中，由于霧層節(jié)點分擔(dān)了大量的業(yè)務(wù)計算任務(wù)，云層中心將會有更多的資源去存儲歷史數(shù)據(jù)，并拿這些數(shù)據(jù)集去進行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練。通過對以往火災(zāi)隱患數(shù)據(jù)信息的智能分析，優(yōu)化火災(zāi)識別算法模型，使其能夠根據(jù)火情現(xiàn)場因素如：煙霧濃度、火焰顏色來判斷出火情大小[13]。同時，根據(jù)人工決策分析和系統(tǒng)智能決策分析，制定出不同規(guī)?；馂?zāi)的應(yīng)對方案。之后，云層中心定期將優(yōu)化后的火災(zāi)識別算法以及火災(zāi)應(yīng)對方案推送至霧層計算節(jié)點，從而提高了整個智慧消防系統(tǒng)的可塑性、動態(tài)性。

霧層計算節(jié)點一般安置于不同的小范圍地理區(qū)域，依靠云數(shù)據(jù)中心推送的火災(zāi)識別算法和火災(zāi)應(yīng)對方案，配合終端智能消防設(shè)備，快速的發(fā)現(xiàn)火情并報警，配合消防人員完成滅火工作。同時，霧層節(jié)點還能定期監(jiān)測所屬區(qū)域煙霧報警器等防火設(shè)備的工作狀態(tài)，保證設(shè)備的良好運行，減輕監(jiān)測人員的工作量。除此之外，霧層計算節(jié)點上可采取SDN和NFV技術(shù)，利用軟件有效的管理網(wǎng)絡(luò)、控制流量轉(zhuǎn)發(fā)以及提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使數(shù)據(jù)在智慧消防系統(tǒng)中的傳輸更加有效快捷。

上節(jié)提到的CORD平臺可作為霧計算節(jié)點搭建的基礎(chǔ)，其上部署的ONOS系統(tǒng)借助SDN技術(shù)實現(xiàn)了可視化管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及流量轉(zhuǎn)發(fā)的功能。圖3展示了在Mininet下虛擬仿真的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并用ONOS可視化界面監(jiān)控管理了網(wǎng)絡(luò)中的鏈路。

圖3 ONOS 可視化操作仿真

CORD上還部署了XOS平臺，其通過NFV技術(shù)，以可視化的方式管理和部署計算節(jié)點集群中的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能。圖4為虛擬仿真實驗中，XOS平臺下部署的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能。

圖4 XOS 部署虛擬網(wǎng)絡(luò)功能

霧層計算節(jié)點以CORD平臺為基礎(chǔ)搭建，在其上增加火情識別、火情監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)測、火災(zāi)應(yīng)急決策等業(yè)務(wù)功能，有效地卸載了云中心的計算壓力。此外，CORD平臺自身所具備的對網(wǎng)絡(luò)的有效控制能力，賦予了云霧混合計算模式的低延時、高可靠特性，使新型的智慧消防應(yīng)用更加穩(wěn)定、高效。

有了霧層計算節(jié)點的加入，在城市中便可部署更多數(shù)量的智能消防設(shè)備如：煙霧報警器、自動防火卷簾、智能消防栓等。借助云霧混合計算模式，能夠使智慧消防應(yīng)用平臺與智能消防設(shè)備更好地聯(lián)動，提升了應(yīng)對火情的反應(yīng)速度。

3 結(jié)語

本文從云霧混合計算的概念、架構(gòu)入手，闡述了云霧混合計算的發(fā)展與挑戰(zhàn)。此外，在云霧混合計算現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上，提出了新型的智慧消防應(yīng)用方案。霧層計算的引入，彌補了云計算自身的高時延、不穩(wěn)定等缺點，同時，合理分擔(dān)了云計算中心的計算壓力。在不久的將來，伴隨5G網(wǎng)絡(luò)的普及，云霧混合的計算模式將推動物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，基于云霧混合計算的智慧消防、智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用會給人們的生活帶來巨大的便利。