面向航空智能制造的邊緣計(jì)算光交換技術(shù)研究

趙俊 吳寶鋒 徐盛果 孫小菡

摘要：面向航空智能制造大批量數(shù)據(jù)采集與傳遞的實(shí)時(shí)性要求，提出一種基于異步光分組交換（optical packet switching， OPS）技術(shù)的具有多級管理能力的邊緣計(jì)算系統(tǒng)方案，滿足多源、海量、易構(gòu)、分布式數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、安全交互及預(yù)測性分析需求。提出一種基于循環(huán)光纖延時(shí)線（Rec- fiber delay lines ，F(xiàn)DL）全光分組沖突解決機(jī)制，建立了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與時(shí)延分析模型，并完成仿真分析。結(jié)果表明，對于邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)規(guī)模為16385的系統(tǒng)，Rec-FDL沖突解決機(jī)制的分組平均最長等待時(shí)間為7.63ns，而傳統(tǒng)數(shù)據(jù)重傳（PRA）機(jī)制的時(shí)間為16.85ns。因此，Rec-FDL沖突解決機(jī)制能夠在交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)沖突的本地解決，它可避免PRA機(jī)制帶來的路徑時(shí)延，同時(shí)更有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：智能制造；邊緣計(jì)算；光分組交換；穩(wěn)定性；時(shí)延

中圖分類號：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.07.011

航空智能制造是引領(lǐng)智能制造工業(yè)化發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)，是推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的引擎[1-2]。智能制造從宏觀上將推動傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、大批量、剛性、緩慢的生產(chǎn)模式向個(gè)性化、高度柔性化、快速響應(yīng)市場需求的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變，在微觀上，將通過數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化的制造裝備與系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制過程的全閉環(huán)控制。

隨著航空智能制造過程中設(shè)備數(shù)量的迅速增加及海量數(shù)據(jù)的爆炸式增長，以云計(jì)算模型為核心的集中式大數(shù)據(jù)處理技術(shù)已經(jīng)不能高效處理邊緣設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，主要表現(xiàn)在從設(shè)備傳輸海量數(shù)據(jù)到集中式數(shù)據(jù)中心致使網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬的負(fù)載量急劇增加，造成較長的網(wǎng)絡(luò)延遲[3]。為此，以邊緣計(jì)算模型為核心的面向網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備所產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)計(jì)算的邊緣式大數(shù)據(jù)處理應(yīng)運(yùn)而生，其與現(xiàn)有以云計(jì)算模型為核心的集中式大數(shù)據(jù)處理相結(jié)合，可較好地解決航空智能制造大數(shù)據(jù)處理中所存在的諸多問題[4-6]。因此，如何構(gòu)建航空智能制造場景下，適于海量、突發(fā)、易構(gòu)、分布式業(yè)務(wù)特性，以及具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析能力的邊緣計(jì)算系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，成為需要解決的重中之重。

以傳統(tǒng)銅線或無線傳輸為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路的帶寬及其能夠承受的信號處理比特率已不能滿足目前高速、大容量數(shù)據(jù)交互的需求。在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用趨于寬帶化的今天，光纖通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著越來越重要的作用，更適用于海量及時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)[7]。光互連方式從光交換的角度來看主要可以分為光線路交換（OCS）[8]、光突發(fā)交換（OBS）[9-10]和光分組交換（OPS）[11]。

OCS技術(shù)的靜態(tài)及粗粒度特性降低了端口和鏈路的利用率，不能滿足用戶突發(fā)數(shù)據(jù)交換需求。采用OBS技術(shù)將數(shù)據(jù)組裝成突發(fā)包進(jìn)行傳輸，既可滿足較大文件的傳輸對較高吞吐量的需求，又可滿足較小命令的傳輸對較低時(shí)延的需求。但突發(fā)的組裝會引入較大的突發(fā)裝配時(shí)延，不能滿足低時(shí)延的實(shí)時(shí)傳輸需求。

OPS技術(shù)具有容量大、交換靈活、速率和格式透明、粒度細(xì)、可配置、資源利用率高等特點(diǎn)，將OPS技術(shù)與波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)交換容量與傳輸容量的匹配，已成為下一帶光網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)、突發(fā)業(yè)務(wù)處理的核心技術(shù)。其中，異步OPS可以更靈活地滿足隨機(jī)突發(fā)業(yè)務(wù)的交換及處理需求。

基于此，本文面向航空智能制造等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大批量數(shù)據(jù)采集與傳遞的實(shí)時(shí)性要求，提出一種基于異步OPS技術(shù)的具有多級管理能力的分布式邊緣計(jì)算系統(tǒng)方案，滿足多源、海量、易構(gòu)、分布式數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、安全交互及預(yù)測性分析需求。針對航空智能制造低時(shí)延數(shù)據(jù)交互要求，提出一種就地化全光分組沖突解決機(jī)制，建立了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與時(shí)延分析模型，完成仿真分析。

1基于異步OPS的航空智能制造系統(tǒng)方案

1.1系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為提出的基于異步OPS的航空智能制造系統(tǒng)總體方案，由感知層、邊緣層及應(yīng)用層三層構(gòu)成。

感知層由各種航空工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備、產(chǎn)品、物料，以及能夠?qū)崟r(shí)獲取設(shè)備數(shù)據(jù)的傳感器及數(shù)據(jù)采集器組成。整個(gè)感知層具有執(zhí)行反饋功能，除了上傳感知數(shù)據(jù)，還需要響應(yīng)上層下達(dá)的各種控制指令。

邊緣層由邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)（ECN）和光交換單元（OSU）組成，面向航空制造設(shè)備的分布式、異構(gòu)特點(diǎn)，可提供本地化管理和實(shí)時(shí)分析、處理能力，能滿足更靈活、廣泛的設(shè)備接入需求，支持航空智能制造應(yīng)用快速開發(fā)，提供云計(jì)算中心無法有效提供的低延時(shí)、位置感知及物聯(lián)網(wǎng)安全策略?；诋惒絆PS的分布式邊緣計(jì)算光交換網(wǎng)絡(luò)，具備能夠滿足異步、變長分組突發(fā)交互需求的就地化全光沖突解決能力，以減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，提高系統(tǒng)資源的利用率。

應(yīng)用層面向業(yè)務(wù)需求，整合邊緣層各類資源數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析結(jié)果，全面感知生產(chǎn)過程要素，提供生產(chǎn)運(yùn)營監(jiān)控，工藝加工可視化分析，設(shè)備健康分析，生產(chǎn)排產(chǎn)優(yōu)化，工藝及車間綜合優(yōu)化等功能，其與邊緣層協(xié)同配合，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)算資源的動態(tài)協(xié)調(diào)和優(yōu)化分配，滿足全局性大數(shù)據(jù)處理及業(yè)務(wù)決策需求，進(jìn)而最大化邊緣計(jì)算和云計(jì)算的應(yīng)用價(jià)值。

1.2基于異步OPS的分布式邊緣計(jì)算系統(tǒng)

本文提出的邊緣計(jì)算系統(tǒng)采用全光、可擴(kuò)展的分布式管理方案。各級邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)間采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)互聯(lián)，高速、突發(fā)業(yè)務(wù)以異步方式隨機(jī)發(fā)送，可減小業(yè)務(wù)交換時(shí)延，避免大批量邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)互連時(shí)的同步困難。

圖2為基于異步OPS及DWDM技術(shù)的分布式邊緣計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)。邊緣計(jì)算主節(jié)點(diǎn)（ECN-M）帶有n組邊緣計(jì)算從節(jié)點(diǎn)（ECN-S），每組邊緣計(jì)算從節(jié)點(diǎn)由m個(gè)ECN組成，因此，兩級系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)n×m+1個(gè)ECN的互聯(lián)。

ECN的光收發(fā)模塊將組裝好的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成光分組，每組邊緣計(jì)算從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分別由波長λ1到λm信號承載，并通過陣列波導(dǎo)光柵（AWG）復(fù)用。ECN-M下行的數(shù)據(jù)則由波長λm+1信號承載。

OSU單元由環(huán)形器、1×m光分路器、可調(diào)諧光纖布拉格光柵（TFBG）及可調(diào)諧濾波器（TF）組成。光分組頭提取模塊（HEM）用于將光分組標(biāo)簽信息從光分組當(dāng)中提取出來，并送往ECN進(jìn)行處理，ECN根據(jù)標(biāo)簽信息產(chǎn)生控制信號，控制TF的濾波狀態(tài)，進(jìn)而將某個(gè)光分組選擇出來，并送往一個(gè)或多個(gè)目的地，實(shí)現(xiàn)光組播。如果該從節(jié)點(diǎn)沒有相應(yīng)的目的地，或沒有足夠的可用資源，從節(jié)點(diǎn)的ECN則通過調(diào)節(jié)TFBG的反射波長，將分組經(jīng)過Circulator交換到主節(jié)點(diǎn)，然后，主節(jié)點(diǎn)的ECN則根據(jù)系統(tǒng)中各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的資源情況，將收到的分組下發(fā)到別的從節(jié)點(diǎn)。

1.3 Rec-FDL沖突解決方案

數(shù)據(jù)以異步、變長分組形式在節(jié)點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)交換，相對于同步交換模式具有相對較大的沖突概率。常規(guī)基于重傳的數(shù)據(jù)沖突解決機(jī)制會增加管理的復(fù)雜性，增大分布式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換時(shí)延。

本文提出一種基于Rec-FDL的就地化全光數(shù)據(jù)沖突解決方案，如圖3所示，由光耦合器、TF、AWG及光纖延時(shí)線組成。

Rec-FDL的1端口由Coupler分成兩部分，其中一部分經(jīng)過TF與2端口連接，另一部分經(jīng)過一個(gè)多波長選擇模塊與4端口連接。其中，多波長選擇模塊由兩個(gè)AWG分別完成復(fù)用及解復(fù)用功能，TF則完成波長選擇功能。3端口同樣經(jīng)過多波長選擇模塊與TF單元分別與4端口及2端口相連。

如果沒有沖突，分組可經(jīng)過1→2鏈路送往2端口。而如果同時(shí)有多個(gè)數(shù)據(jù)選擇同一個(gè)目標(biāo)端口，ECN則根據(jù)各個(gè)分組的優(yōu)先級別產(chǎn)生控制信號控制TF的濾波狀態(tài)。優(yōu)先級別最高的分組送往端口2，而優(yōu)先級別低的沖突分組送往端口4，進(jìn)而在FDL中循環(huán)，并按照固定的周期釋放出來。

2系統(tǒng)分析模型

2.1穩(wěn)定性分析模型

3仿真分析

針對Rec-FDL沖突解決機(jī)制仿真分析分布式邊緣計(jì)算系統(tǒng)的阻塞率、穩(wěn)定性和時(shí)延特性。仿真參數(shù)取m=64，t= 51.2ns。圖5為采用Rec-FDL方案解決分組沖突時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性隨λ變化示意圖。E（T）<0時(shí)，其絕對值越大，分組最長等待時(shí)延減小的越快，系統(tǒng)越穩(wěn)定。由于λ越大，同時(shí)到達(dá)光收發(fā)模塊的分組越多，阻塞可能性增大，所以穩(wěn)定性隨λ的增大而降低。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，λ的最大取值為30×106packets/s。

圖6分析了Rec-FDL沖突解決機(jī)制的時(shí)延特性。TD會隨著λ的增大而增大，當(dāng)λ從1×106packets/s增加到20×106packets/s時(shí)，TD由0.06ns增加到7.24ns。圖6（b）分析了系統(tǒng)規(guī)模對分組等待時(shí)延的影響。可以看出，在λ=20×106packets/s時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模由5（m=2）個(gè)ECN增加到16385（m=128）個(gè)ECN時(shí)，TD的增量僅為1.3ns。

圖7為PRA沖突解決機(jī)制的時(shí)延（TD2）分析。由圖7（a）可以看出，當(dāng)λ=20×106packets/s，在D=0時(shí)，TD2為8.0ns，而當(dāng)D增至20m時(shí)，TD2增加至39.5ns。從圖7（b）可以看出，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模由5（m=2）個(gè)ECN增加到16385（m=128）個(gè)ECN時(shí)，分組等待時(shí)延TD2的增量為3.9ns。

采用PRA算法，ECN優(yōu)先交換級別最高的分組，并將級別較低的沖突分組進(jìn)行異步重傳。如果一個(gè)分組被成功接收，目的節(jié)點(diǎn)將向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信號，于是，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送新分組。顯然，PRA沖突解決機(jī)制需要在系統(tǒng)中發(fā)送確認(rèn)信號及進(jìn)行舊分組的重傳，會帶來額外的路徑時(shí)延。而Rec-FDL沖突解決機(jī)制能夠在交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行就地化沖突解決，因此，它具有更低的數(shù)據(jù)交換時(shí)延，同時(shí)更有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

4試驗(yàn)測試

搭建了2×2異步OPS系統(tǒng)單節(jié)點(diǎn)示范試驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了基于異步OPS技術(shù)邊緣計(jì)算系統(tǒng)的可行性。其中，ECN帶有光口和5G接口，支持PLC采集，適配主流數(shù)控系統(tǒng)，滿足航空智能制造應(yīng)用需求。采用“10001”和“10100”分組脈沖序列（見圖8）進(jìn)行了異步分組交換測試。

圖9為光分組異步交換測試結(jié)果。ECN接收光分組頭信息后進(jìn)行計(jì)算分析，并產(chǎn)生控制信號，控制系統(tǒng)的交換狀態(tài)。在控制信號的上升沿，系統(tǒng)為直通態(tài)傳輸，在下降沿，為交叉態(tài)傳輸。試驗(yàn)結(jié)果表明，在ECN的控制下，光分組能夠被正確地交換至其目的節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)證了基于異步OPS的分布式邊緣計(jì)算系統(tǒng)的可行性。

5結(jié)束語

面向航空智能制造大批量數(shù)據(jù)采集與傳遞的實(shí)時(shí)性要求，本文提出一種基于異步OPS技術(shù)的具有多級管理能力的邊緣計(jì)算系統(tǒng)方案，滿足多源、海量、易構(gòu)、分布式數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集需求。提出一種基于Rec-FDL的全光分組沖突解決機(jī)制，建立了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與時(shí)延分析模型，并完成仿真分析。結(jié)果表明，Rec-FDL沖突解決機(jī)制能夠在交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行就地化沖突解決，因此具有更低的交換時(shí)延，更有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

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Research on Optical Switching Technology for Aeronautical Intelligent Manufacturing Edge Computing

Zhao Jun1，2，Wu Baofeng2，Xu Shengguo3，Sun Xiaohan1

1. Southeast University，Nanjing 210096，China

2. Nanjing Sunlight Information Technology Research Institute Co.，Ltd.，Nanjing 210012，China

3. Changyuan Shenrui Jibao Automation Co.，Ltd.，Nanjing 210000，China

Abstract： In order to meet the real-time requirements of large-scale data acquisition and transmission in aviation intelligent manufacturing， an edge computing system with multi-level management capability based on asynchronous Optical Packet Switching （OPS） technology is proposed to meet the requirements of real-time acquisition， security interaction and predictive analysis of multi-source， massive， easy to construct and distributed data. An all-optical packet conflict resolution mechanism based on recyclable optical fiber delay line （Rec-FDL） is proposed. The stability and delay analysis model of the system are established， and the simulation analysis is completed. The results show that the average longest packet waiting time of Rec-FDL conflict resolution mechanism is 7.63ns， while that of traditional data retransmission （PRA） mechanism is 16.85ns. Therefore， Rec-FDL conflict resolution mechanism can solve the data conflict locally within the exchange node， which can avoid the path delay caused by PRA mechanism， and is more conducive to the expansion of the system.

Key Words： intelligent manufacturing； edge computing； optical packet switching； stability； latency