基于微服務(wù)架構(gòu)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

葉成景，楊葉芬

（1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)器人學(xué)院，廣東 珠海 519090；2.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519090）

0 引 言

基于微服務(wù)架構(gòu)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要合理劃分網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)功能，制定專項(xiàng)可行的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)階段，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)應(yīng)設(shè)有協(xié)議適配層、基礎(chǔ)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層及云邊交互層，確保網(wǎng)關(guān)能夠適應(yīng)各類工業(yè)傳感器通信協(xié)議，提升傳感器協(xié)調(diào)運(yùn)行水平。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及重要意義

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)升級(jí)改造的重要基礎(chǔ)，主要承擔(dān)連接不同種類傳感器、云平臺(tái)的重要職責(zé)。從理論研究角度分析，關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的研究較多，具體涉及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入、組網(wǎng)研究工作等[1]。其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)體系架構(gòu)形式較多，如全自動(dòng)配置網(wǎng)關(guān)等。此種網(wǎng)關(guān)在具體運(yùn)行過(guò)程中可與涉及到的設(shè)備建立密切關(guān)聯(lián)，并結(jié)合設(shè)備運(yùn)行特征優(yōu)化通信渠道。以路由器為主的智能家居網(wǎng)關(guān)現(xiàn)有應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)邊緣提供決策性服務(wù)，為不同用戶提供自動(dòng)識(shí)別功能。

通過(guò)研究邊緣網(wǎng)關(guān)資源分配任務(wù)完成情況，配合使用回歸準(zhǔn)入控制及模糊加權(quán)排隊(duì)手段分析分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)資源分配狀態(tài)。構(gòu)建自適應(yīng)算法解決分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)資源分配問(wèn)題，進(jìn)一步優(yōu)化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)功能。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)重要意義

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)建設(shè)全過(guò)程對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的依賴程度日漸提升。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、工業(yè)云平臺(tái)。傳感器節(jié)點(diǎn)多為輕型級(jí)的嵌入式設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中具有能耗低、組合靈活等特征，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知、管控目標(biāo)。通過(guò)將收集到的工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳至云計(jì)算中心，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行期間存在的各類問(wèn)題，制定出專項(xiàng)可行的運(yùn)維技術(shù)方案，進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)管理水平[2]。

現(xiàn)階段工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中接入了大量傳感器設(shè)備，構(gòu)建起了全方位、多感知的工業(yè)制造新服務(wù)體系，促進(jìn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)制造領(lǐng)域的有機(jī)融合。國(guó)家及有關(guān)部門針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展工作制定了更為詳盡的規(guī)劃，要求工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)當(dāng)以構(gòu)建高質(zhì)量、低延時(shí)的外網(wǎng)為基礎(chǔ)，支持企業(yè)升級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，構(gòu)建起高質(zhì)量園區(qū)網(wǎng)絡(luò)體系，于工業(yè)生產(chǎn)中落實(shí)5G通信、人工智能等先進(jìn)技術(shù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行期間涉及到的傳感器數(shù)量較多，實(shí)際接入難度較大。不同傳感器所使用的協(xié)議、傳輸網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)解析存在較大差異，無(wú)法構(gòu)建起統(tǒng)一可靠的運(yùn)行框架與協(xié)議。此外，傳感器運(yùn)行期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)傳輸壓力提升，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)信息傳輸通道堵塞、運(yùn)行延時(shí)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響到工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量與效率。由此可見(jiàn)，在現(xiàn)階段工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，需要基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)出符合工業(yè)生產(chǎn)特征及生產(chǎn)要求相符的互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，進(jìn)一步提升各傳感器及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性[3]。

2 微服務(wù)架構(gòu)下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)流程

在傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的單體架構(gòu)軟件中，所有功能均處于同一模塊內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的耦合性較強(qiáng)，但擴(kuò)展性較差。如果需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多，系統(tǒng)將難以正常運(yùn)行。微服務(wù)模式就是將整體應(yīng)用程序劃分為更小的可獨(dú)立管理的服務(wù)項(xiàng)目，借助跨語(yǔ)言協(xié)議實(shí)現(xiàn)獨(dú)立服務(wù)管理目標(biāo)，確保各服務(wù)工作高質(zhì)高效開(kāi)展。

2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)需求

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)是一種處于網(wǎng)絡(luò)中間層的設(shè)備，主要充當(dāng)不同網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議消息轉(zhuǎn)換的媒介。網(wǎng)關(guān)是數(shù)據(jù)包匯聚中心，能夠?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行快速轉(zhuǎn)換與傳輸。除此之外，網(wǎng)關(guān)還是數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)，可切實(shí)保障數(shù)據(jù)傳輸器件的安全性，避免在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中受到外界環(huán)境的不利影響。現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展速度逐漸加快，越來(lái)越多的傳感器設(shè)備接入到網(wǎng)關(guān)內(nèi)，網(wǎng)關(guān)運(yùn)行期間的優(yōu)勢(shì)更為顯著。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及邊緣計(jì)算形式更加成熟，網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)被更加廣泛地應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)與各項(xiàng)管理活動(dòng)中。通過(guò)接收底層傳感器固定模式數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到上層協(xié)議，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。對(duì)聚合數(shù)據(jù)包內(nèi)容展開(kāi)分析，為外部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提供相應(yīng)接口[4]。

根據(jù)現(xiàn)階段工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)，需要結(jié)合邊緣計(jì)算與微服務(wù)架構(gòu)優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。具體來(lái)說(shuō)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在具體運(yùn)營(yíng)期間應(yīng)當(dāng)滿足以下要求。

（1）選擇適宜的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，確保互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議可以傳遞更加可靠的通信資源。結(jié)合傳感器運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)解析操作流程，設(shè)置關(guān)鍵檢索信息，滿足各類數(shù)據(jù)變化格式要求。

（2）提高設(shè)備管理水平。借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中涉及到的傳感器設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，實(shí)現(xiàn)線上靈活配置設(shè)備的目標(biāo)。

（3）實(shí)現(xiàn)卸載任務(wù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)要能夠依據(jù)資源占用情況決定任務(wù)執(zhí)行位置，卸載任務(wù)。選擇合適的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備調(diào)度制度，對(duì)網(wǎng)關(guān)集群進(jìn)行全面調(diào)度，從根本上提升系統(tǒng)在運(yùn)行期間的執(zhí)行效率。

（4）設(shè)計(jì)云邊交互接口，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)及云平臺(tái)搭建統(tǒng)一的交互管理渠道，進(jìn)一步提升網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互期間的效率及安全性[5]。

（5）在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的協(xié)議適配層中，需要對(duì)異構(gòu)傳感器和傳感器中不同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議進(jìn)行細(xì)致分析。借助適配層將傳輸數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一整合，從根本上保障數(shù)據(jù)采集與分析效率，提升網(wǎng)關(guān)資源利用率。加強(qiáng)云邊交互層中的云平臺(tái)訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)交互，為系統(tǒng)運(yùn)行提供更加可靠的異步信息服務(wù)。

2.2 協(xié)議適配層設(shè)計(jì)

協(xié)議適配層主要用于解決傳感器接入器件的異構(gòu)問(wèn)題，對(duì)傳感器接入期間的協(xié)議以及數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行統(tǒng)一化處理，將傳輸控制指令轉(zhuǎn)化為傳感器可識(shí)別格式。使用協(xié)議驅(qū)動(dòng)方式接收協(xié)議數(shù)據(jù)包，根據(jù)解析規(guī)則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式。將系統(tǒng)上層要求轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)議適配層中，確保各類協(xié)議能夠基于協(xié)議適配層轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)程序，滿足底層傳感器控制目標(biāo)。

在協(xié)議適配層設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以結(jié)合微服務(wù)架構(gòu)選擇適宜的協(xié)議適配管理模塊，對(duì)不同協(xié)議驅(qū)動(dòng)、參數(shù)配置及數(shù)據(jù)解析方式進(jìn)行全面管控。協(xié)議適配管理模塊應(yīng)用REST接口對(duì)用戶操作進(jìn)行全面管控，用戶也可應(yīng)用REST接口動(dòng)態(tài)分配通信資源，構(gòu)建通信渠道，避免傳感器通信形式存在較大差異[6]。在實(shí)現(xiàn)協(xié)議驅(qū)動(dòng)管理目標(biāo)過(guò)程中，不同協(xié)議方式存在較大差異，需要結(jié)合協(xié)議特征開(kāi)展適配工作。網(wǎng)關(guān)及傳感器通信可分為同步通信、異步通信兩種類型。同步通信主要將請(qǐng)求經(jīng)過(guò)處理后傳回給網(wǎng)關(guān)，在此種通信模式下，一條請(qǐng)求需要對(duì)應(yīng)一條響應(yīng)。異步通信主要利用網(wǎng)關(guān)接收傳感器發(fā)來(lái)的信息，傳感器為主動(dòng)一方，網(wǎng)關(guān)則為被動(dòng)接收一方。

2.3 基礎(chǔ)服務(wù)層設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)服務(wù)層設(shè)計(jì)水平會(huì)直接影響到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)功能，為上層應(yīng)用裝置提供必要服務(wù)。基礎(chǔ)服務(wù)層內(nèi)可分為遠(yuǎn)程配置服務(wù)、傳感器設(shè)備服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。其中，遠(yuǎn)程配置服務(wù)主要用于外界設(shè)備網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)狀態(tài)查詢、網(wǎng)關(guān)配置接口，可獲取遠(yuǎn)程狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)關(guān)配置進(jìn)行更新。在任務(wù)卸載及調(diào)度期間，可以借助基礎(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)全程監(jiān)管網(wǎng)關(guān)CPU、內(nèi)存裝置，并為設(shè)備提供添加、查找、刪除等功能[7]?；A(chǔ)服務(wù)層負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程配置服務(wù)、傳感器設(shè)備管理服務(wù)等。其中，遠(yuǎn)程配置服務(wù)包括網(wǎng)關(guān)狀態(tài)遠(yuǎn)程獲取、網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程配置，遠(yuǎn)程獲取網(wǎng)關(guān)運(yùn)行基本設(shè)施以及基本狀態(tài)數(shù)據(jù)，如CPU使用率、內(nèi)存大小等。傳感器設(shè)備管理服務(wù)主要是在傳感器裝置運(yùn)行期間使用適配服務(wù)與傳感器建立通信關(guān)系。如果通信成功，設(shè)備管理服務(wù)裝置會(huì)記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、并將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)與傳感器建立通信協(xié)議，從根本上提升傳感器管理水平。

2.4 任務(wù)應(yīng)用層設(shè)計(jì)

在任務(wù)應(yīng)用層設(shè)計(jì)期間，需要借助網(wǎng)關(guān)定義工業(yè)生產(chǎn)時(shí)需要使用到的數(shù)據(jù)處理方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、降維處理，進(jìn)一步提高海量數(shù)據(jù)資源利用率。如果數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)存在資源不足的問(wèn)題，則任務(wù)應(yīng)用層還需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行清除[8]。任務(wù)應(yīng)用層設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)著重構(gòu)建任務(wù)調(diào)度模型。結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)任務(wù)卸載要求，實(shí)現(xiàn)多級(jí)任務(wù)卸載目標(biāo)。當(dāng)前邊緣服務(wù)器主要為普通邊緣服務(wù)器、高性能邊緣服務(wù)器。其中，高性能邊緣服務(wù)器的服務(wù)性能良好，卸載效率更高。

為了有效解決網(wǎng)關(guān)信號(hào)覆蓋面不足問(wèn)題，還可以將網(wǎng)關(guān)與可通信基站集合在一起，設(shè)定成通信域。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被通信域全覆蓋，可以使無(wú)線傳感器的運(yùn)行狀態(tài)得到全方位管控。通信域內(nèi)的網(wǎng)關(guān)需要處理大量計(jì)算任務(wù)，計(jì)算任務(wù)可以結(jié)合具體情況在邊緣服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)本地執(zhí)行。在通信域內(nèi)的邊緣服務(wù)器計(jì)算資源不足、計(jì)算任務(wù)量過(guò)大的情況下，還可以將任務(wù)卸載至邊緣服務(wù)器內(nèi)，由邊緣服務(wù)器高質(zhì)量完成執(zhí)行工作，從根本上提高工業(yè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)處理效果。

2.5 云邊交互層設(shè)計(jì)

云邊交互層主要用于管理工業(yè)云平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交互等，具備數(shù)據(jù)導(dǎo)出服務(wù)。同時(shí)可以借助API網(wǎng)關(guān)接口有效查詢歷史數(shù)據(jù)，從根本上提升網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩訹9]。云邊交互層設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)出服務(wù)設(shè)計(jì)、API網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)等。其中，數(shù)據(jù)導(dǎo)出服務(wù)設(shè)計(jì)需要滿足傳感器運(yùn)行數(shù)據(jù)的輸出要求，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性能導(dǎo)出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出需要配合使用專項(xiàng)傳輸協(xié)議，通過(guò)對(duì)比網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)平臺(tái)、通信協(xié)議、解密方式，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)出口，提供更加可靠的數(shù)據(jù)導(dǎo)出服務(wù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中遇到斷電或設(shè)備重啟等情況時(shí)，極易出現(xiàn)配置數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，需要增加網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)出服務(wù)管理功能，將數(shù)據(jù)信息備份傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。在網(wǎng)關(guān)重啟后，由數(shù)據(jù)庫(kù)加載數(shù)據(jù)，使設(shè)備能夠恢復(fù)到關(guān)機(jī)前狀態(tài)，導(dǎo)出網(wǎng)關(guān)歷史數(shù)據(jù)。用戶可借助通信接口發(fā)送數(shù)據(jù)篩選條件，查詢數(shù)據(jù)輸出格式。檢查歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出管理請(qǐng)求，如果檢查結(jié)果未通過(guò)，則需要向用戶反饋檢查信息。結(jié)合數(shù)據(jù)篩選條件，從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢指定信息，對(duì)數(shù)據(jù)輸出格式進(jìn)行整理，整理后的數(shù)據(jù)需要及時(shí)反饋給用戶。

在API網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，各服務(wù)分布在不同物理主機(jī)處，用戶借助云平臺(tái)訪問(wèn)網(wǎng)關(guān)時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)外界用戶不明確網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、服務(wù)部署IP地址等問(wèn)題。為使網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)始終保持高效穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)著重設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)服務(wù)請(qǐng)求環(huán)節(jié)。在API網(wǎng)關(guān)中，需要將網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)作為唯一入口，對(duì)外界服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行統(tǒng)一管控。由API網(wǎng)關(guān)尋找對(duì)應(yīng)服務(wù)，并將服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)相應(yīng)服務(wù)器。

3 結(jié) 論

總而言之，在微服務(wù)框架中開(kāi)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)工作，需要細(xì)致分析當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中存在的邊緣計(jì)算不統(tǒng)一問(wèn)題，不斷優(yōu)化邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)軟件功能。使用功能完善的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)工業(yè)生產(chǎn)期間的多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)展開(kāi)采集、存儲(chǔ)等工作，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)雙向控制與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)要求。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)在采集周期大于500 ms的情況下不會(huì)出現(xiàn)丟包問(wèn)題，網(wǎng)關(guān)運(yùn)行較為可靠。