基于云邊協(xié)同的分層多面智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

汪承研 張勇 熊冬青 吳林 文海軍

摘要：邊緣計(jì)算和云計(jì)算技術(shù)在共同推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展，為了解決云邊協(xié)同帶來的問題和挑戰(zhàn)，提出了一種基于云邊協(xié)同的分層多面智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，分層多面智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)由邊緣計(jì)算層、邊緣網(wǎng)關(guān)層、云中心層組成，將信息流劃分為數(shù)據(jù)平面、控制平面、應(yīng)用平面，該架構(gòu)提升了系統(tǒng)的魯棒性和可擴(kuò)展性，有效解決了智聯(lián)網(wǎng)云邊協(xié)同中的管理、安全、成本等問題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);云中心;邊緣計(jì)算;邊緣網(wǎng)關(guān);平面

引言

云計(jì)算是一種利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地、按需、便捷地使用共享計(jì)算設(shè)施、存儲(chǔ)設(shè)備、應(yīng)用程序等資源的計(jì)算模式。而隨著海量新興移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用出現(xiàn)時(shí)，傳統(tǒng)依賴于集中式數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算模型會(huì)遇到很多限制。首先，將所有計(jì)算數(shù)據(jù)移動(dòng)到云對(duì)于網(wǎng)絡(luò)帶寬資源是一個(gè)極大的開銷，而且容易造成擁堵。其次，對(duì)于其他的時(shí)延敏感型應(yīng)用，“云”計(jì)算負(fù)擔(dān)太大，時(shí)延太大，不能保證低時(shí)延需求。

邊緣計(jì)算的提出正是為了解決云計(jì)算的高開銷、高時(shí)延、缺乏自適應(yīng)等問題。具有邊緣計(jì)算能力的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)， 滿足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。

物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算處于物理實(shí)體和云計(jì)算之間。而云端計(jì)算仍然可以訪問邊緣計(jì)算的歷史數(shù)據(jù)。那么邊緣計(jì)算和云計(jì)算協(xié)同起來，實(shí)現(xiàn)設(shè)備最大利用率，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低管理成本，對(duì)智聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和推廣必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

在云邊協(xié)同的場景中，邊緣計(jì)算雖然帶來了算力和低時(shí)延等好處，但是也帶來了設(shè)計(jì)和操作等復(fù)雜性，因此也面臨較多的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

更新的需求。邊緣設(shè)備需要進(jìn)行設(shè)備更新，組網(wǎng)拓?fù)涞母拢瑪?shù)據(jù)采集變更等，由于這些功能涉及所有的節(jié)點(diǎn)，因此工作量巨大，且管理工作復(fù)雜，給數(shù)據(jù)的可靠性帶來影響。

1.設(shè)備管理復(fù)雜。邊緣部署在多個(gè)位置，且數(shù)量巨大，種類繁多，協(xié)議不統(tǒng)一，其具有動(dòng)態(tài)性特點(diǎn)，因此如何管理邊緣設(shè)備是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的工程。

2.成本。為了邊緣能夠參與計(jì)算，那么在傳輸通道，設(shè)備組網(wǎng)特性支持，可擴(kuò)展性方面需要增加投入，在邊緣節(jié)點(diǎn)上可能要增加新的硬件和軟件特性，從而增加了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

3.網(wǎng)絡(luò)安全。由于將數(shù)據(jù)和計(jì)算拓展到了邊緣設(shè)備，這將大大增加了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的暴露面，一些安全較為薄弱的邊緣節(jié)點(diǎn)，有可能成為非法入侵的對(duì)象，

針對(duì)以上問題和挑戰(zhàn)，本文提出一種基于云邊協(xié)同的分層多面智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)智聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集，分析，應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備管理等功能。

一、基于云邊協(xié)同的分層多面智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

基于云邊協(xié)同的分層多面智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，由邊緣計(jì)算層、邊緣網(wǎng)關(guān)層、云中心組成，在信息流層面，邏輯上分為應(yīng)用平面，數(shù)據(jù)平面和控制平面，如圖1所示。

（一）邊緣計(jì)算層

邊緣計(jì)算層的組成最小單位是邊緣節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)的功能是實(shí)現(xiàn)多維感知數(shù)據(jù)的采集和前端智能處理。邊緣節(jié)點(diǎn)是一個(gè)小系統(tǒng)，從物理形態(tài)上講，它可能是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，也可以是一個(gè)前端具有計(jì)算能力的系統(tǒng)，當(dāng)其為一個(gè)系統(tǒng)時(shí)，具有明顯的區(qū)域特性。

（二）邊緣網(wǎng)關(guān)層

邊緣網(wǎng)關(guān)層負(fù)責(zé)感知數(shù)據(jù)的匯聚、分流、交換、傳輸、處理、存儲(chǔ)和區(qū)域應(yīng)用。邊緣網(wǎng)關(guān)層是一個(gè)承上啟下的角色，向下其負(fù)責(zé)從邊緣計(jì)算層匯聚數(shù)據(jù)和下發(fā)指令，向上其負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)輸送到云中心，并接受云中心的控制。邊緣網(wǎng)關(guān)為區(qū)域應(yīng)用提供算力。

（三）云中心

云中心負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)多維數(shù)據(jù)的匯總和分析，并提供多種綜合的智能應(yīng)用，云中心在設(shè)備管理方面負(fù)責(zé)規(guī)則的統(tǒng)一約定和監(jiān)管，以及權(quán)限管理。云中心同時(shí)應(yīng)該配置網(wǎng)絡(luò)安全模塊，加強(qiáng)全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全管理。

在云邊協(xié)同的分層多面智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，設(shè)備間的關(guān)系通過分層模型進(jìn)行了確立，而設(shè)備上的信息流錯(cuò)綜復(fù)雜，為了更好確保數(shù)據(jù)安全和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，在本架構(gòu)中對(duì)信息流按照控制平面、數(shù)據(jù)平面、應(yīng)用平面進(jìn)行了劃分。

1）控制平面

控制平面負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)備管理、軟件及業(yè)務(wù)管理，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的配置、指令、告警、狀態(tài)均在該平面中傳送，使用統(tǒng)一的軟件接口和協(xié)議，解決跨區(qū)域，異質(zhì)終端組網(wǎng)等問題。

2）數(shù)據(jù)平面

數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)原始業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸，在不同的網(wǎng)絡(luò)層，其還負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的清洗與過濾，以及轉(zhuǎn)換。

3）應(yīng)用平面

應(yīng)用平面負(fù)責(zé)特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理，原始業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)根據(jù)應(yīng)用需要，抽取特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)送入應(yīng)用平面進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用處理，處理后的結(jié)果通過應(yīng)用平面送往云中心進(jìn)行進(jìn)一步的綜合與大數(shù)據(jù)分析。

二、總結(jié)

基于云邊協(xié)同的分層多面智聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是面向邊緣計(jì)算和AI物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)模型，建模過程中引入了主動(dòng)互饋模型理論，實(shí)現(xiàn)模型運(yùn)行底層邏輯及通訊機(jī)理分析。通過分層賦予不同功能，縱向?qū)?shù)據(jù)和控制流、應(yīng)用流劃分在不同平面，從技術(shù)架構(gòu)上解決了云邊協(xié)同時(shí)需要解決的設(shè)備管理、更新、成本、網(wǎng)絡(luò)安全等問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國信息通信研究院.云計(jì)算白皮書（2016）[R].北京：中國信息通信研究院，2016.

[2]邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟白皮書，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

作者簡介：

汪承研：高級(jí)工程師/碩士，廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，智能制造;

吳林：工程師/碩士，東來智慧交通科技（深圳）有限公司，研究方向：物聯(lián)網(wǎng);

熊東青：教授級(jí)高工/碩士，廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：人工智能，物聯(lián)網(wǎng);

通訊作者：張勇，工程師/博士，廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，智能制造。