面向工業(yè)互聯(lián)網的邊緣計算平臺的分析與研究

周遜盛 李曉爐

1.浙江大學光電科學與工程學院 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)網與邊緣計算

1.1 工業(yè)互聯(lián)網

雖然業(yè)界都在談工業(yè)互聯(lián)網，但各方的認知存在著差別。IDC認為，工業(yè)互聯(lián)網的核心是近幾年 AI、IoT、5G 等新興信息技術向工業(yè)的持續(xù)融合滲透，在這個過程中，促進工業(yè)企業(yè)提質降本增效減存，從而實現(xiàn)數字化轉型[1]。工業(yè)互聯(lián)網是一個龐大的生態(tài)，IDC 關注的是產品和服務所形成的市場。對于服務商，主要是市場的機會在哪里，細分市場、廠商格局和份額是多少；對于工業(yè)企業(yè)，主要是如何應用新技術實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網。為此，IDC把工業(yè)互聯(lián)劃分成了 7 大子市場，包含解決方案、設備連接、云基礎設施、平臺、工業(yè)軟件、安全和產業(yè)賦能，如圖1所示。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網的7個子市場

1.2 邊緣計算

萬物互聯(lián)給人類帶來了極大便利的同時，海量設備的通信也受限于不同設備的物理鏈路、各種不同的協(xié)議，因此大多數數據不能互聯(lián)互通。同時由于目前主流的容器編排引擎，如 Kubernetes、Mesosphere、Docker Swarm 等，難以實現(xiàn)自動伸縮應用，缺乏對容器的統(tǒng)一管理，易造成帶寬不夠、實時性運維服務質量下降及企業(yè)成本增加等問題。

在此情況下，傳統(tǒng)云計算模式無法高效地支持基于萬物互聯(lián)的應用服務程序，而邊緣計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研究，如潘建勝[3]曾以Docker為基礎，設計并實現(xiàn)了一個CDN邊緣計算平臺；王健[4]通過輕量級的邊緣節(jié)點構建輕量級邊緣計算平臺，實現(xiàn)了輕量級的虛擬化與網絡交換；吳鴻飛[5]通過模型和算法擴展了Kubernetes，開發(fā)了一個輕量級的邊緣計算平臺。這些研究說明，邊緣計算模型可以補充云計算在實時性、智能性和安全管控上的不足，降低數據傳輸帶寬和中斷敏感數據帶寬的風險，通過處理更接近源頭的數據解決時延問題，可被應用在云計算任務遷移、視頻監(jiān)控、智能家居、智慧城市、智能交通、協(xié)同邊緣等領域，為物聯(lián)網中連接的設備帶來穩(wěn)定。但是這些基于邊緣計算的容器管理引擎只完善了某一部分的缺陷，如王健[4]的輕量級邊緣計算平臺雖然在輕量化領域有較大成效，但無法有效解決協(xié)議兼容以及數據安全問題；吳鴻飛[5]對Kubernetes的擴充雖然降低了應用服務的完成時間，但無法進行自動伸縮。邊緣計算仍面臨設備傳輸時的數據多樣性、數據隱私保護、資源自動分配等問題。

2 邊緣計算平臺的分析與研究

2.1 邊緣計算平臺參考架構

邊緣計算平臺參考架構如表1所示：

表1 邊緣計算平臺參考架構

2.2 邊緣計算網絡基礎設施

邊緣計算網絡基礎設施具有更廣的適應性和統(tǒng)一維護管理的接口特性。由于邊緣計算機房的差異，且邊緣業(yè)務存在著延時、帶寬、GPU及AI的個性差異，為了適應機房的條件，同時降低成本、提高性能、優(yōu)化資源的利用率。由于邊緣節(jié)點數量眾多，位置分散，所以安裝和維護的難度很大。盡量減少現(xiàn)場工程師的操作維護，需要強大的管理運維能力保障，邊緣服務器應提供狀態(tài)采集、運行控制、管理接口，以實現(xiàn)遠程自動化的管理[6]。隨著云計算、網絡技術、新技術及新業(yè)務的發(fā)展，逐漸形成中心加邊緣站點兩級拓撲結構，由于設備種類覆蓋廣，因此對邊緣站點的建設和運維提出更高的要求，需要協(xié)調多廠商，實行多站點集中監(jiān)控和統(tǒng)一運維方案。智能邊緣一體機將計算、存儲、網絡、虛擬化和環(huán)境動力等產品有機集成在一起，利用快速部署工具，即可完成系統(tǒng)配置。

2.3 邊緣計算與云計算協(xié)同

應用管理協(xié)同指的是云服務器按照客戶需求對邊緣節(jié)點提供的部署及多個應用的管理調度進行全過程的管理。服務協(xié)同主要是云端承擔邊緣節(jié)點的服務分布的服務工作。不同的場景下邊云協(xié)同的能力與內涵有所不同。工業(yè)邊云協(xié)同的實現(xiàn)涉及多種關鍵技術的組合應用，包括數據采集、實時數據分析、資源虛擬化等。

2.4 邊緣計算安全保障

當前工業(yè)界已經開始認識到邊緣安全的重要性和價值，并開展邊緣安全的探索，首先邊緣節(jié)點與云服務器之間信息交互安全考慮不足，傳感器與邊緣節(jié)點眾多不安全協(xié)議，所以在進行網絡構建和擴展時，應主要考慮通信的性能、消息的機密性、完整性、真實性等。然后由于邊緣計算的基礎設施在網絡的邊緣，缺少有效的備份、恢復、管理，很容易受到攻擊導致修改或刪除等造成數據丟失或損壞，直接影響工業(yè)生產和決策的過程，所以應加大邊緣節(jié)點及云服務器的數據備份，邊緣節(jié)點應提供有效機制恢復數據。在工業(yè)邊緣計算、企業(yè)等場景下，應加大邊緣節(jié)點及云中心的加密措施。

3 工業(yè)軟件云化重構趨勢

隨著邊緣計算產業(yè)快速增長，各類研究機構、企業(yè)在積極推進邊緣計算的技術與應用發(fā)展，邊緣計算安全國外很多工業(yè)軟件巨頭已經布局多年軟件的云化和訂閱模式，并取得了積極的成果，國內較早做 SaaS工業(yè)軟件的新核云、黑湖智造等廠商業(yè)績也呈翻倍式增長，同時低代碼平臺和中臺的興起，云化正在持續(xù)促進工業(yè)企業(yè) IT 架構和產業(yè)變革[7]。但同時，國內云化軟件廠商和產品仍遠未形成主流，私有化仍然是國內工業(yè)軟件應用的主要模式。

從長期看，工業(yè)軟件的云化是個長期機遇，云化催生了中小企業(yè)為主要客戶群的市場，帶來了新的市場機會。目前中國廠商因為向云的轉型整體比國外晚3～4年，因此成果還有待逐步顯現(xiàn)。同時疫情常態(tài)化等也提升了企業(yè)對 SaaS 的接受程度。

短期看仍有一定的風險，盡管服務商的跟風探索和政府的補貼等促進了短期的繁榮，但是國內企業(yè)整體對云軟件的接受程度不及國外，因此市場發(fā)展可能并沒有想象中的快。

4 結束語

邊緣計算網絡作為基礎設施中互聯(lián)互通的基石，在采集數據，匯通及分析統(tǒng)計協(xié)同作業(yè)起著至關作用，基于網絡和數據的智能化正深刻地影響著制造工業(yè)的組織模式，從提高勞動生產率、降低成本等方面，邊緣計算網絡的作用日益增大，所以對邊緣計算平臺的深入研究是十分必要的，需要企業(yè)、科研等相關部門積極參與。