邊緣計(jì)算如何重新定義 IIoT 應(yīng)用程序

與企業(yè) IT 不同，工業(yè)應(yīng)用程序在“真實(shí)世界”環(huán)境和極端戶外條件下運(yùn)行。考慮部署在崎嶇的遠(yuǎn)程作戰(zhàn)地形中以收集關(guān)鍵任務(wù)監(jiān)視數(shù)據(jù)的軍用無(wú)人機(jī)的示例。天氣條件極端，互聯(lián)網(wǎng)連接斷斷續(xù)續(xù)。盡管存在這些情況，無(wú)人機(jī)仍必須收集數(shù)據(jù)，然后實(shí)時(shí)處理和傳輸數(shù)據(jù)。此外，無(wú)人機(jī)必須根據(jù)數(shù)據(jù)分析做出明智的決策。在這種情況下，僅依賴云計(jì)算是不切實(shí)際的。對(duì)于時(shí)間敏感的實(shí)時(shí)操作，大部分處理、存儲(chǔ)和分析必須在無(wú)人機(jī)本身本地進(jìn)行。這就是邊緣計(jì)算的用武之地。

邊緣計(jì)算標(biāo)志著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新時(shí)代

云計(jì)算一直是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 架構(gòu)的核心組成部分，用于處理和分析傳感器數(shù)據(jù)并生成可操作的見(jiàn)解。在集中式數(shù)據(jù)中心或第三方云設(shè)施中處理數(shù)據(jù)需要為每個(gè)決策額外往返于云。對(duì)于時(shí)間敏感的工業(yè)應(yīng)用，例如軍用無(wú)人機(jī)、能源發(fā)電廠、互聯(lián)車隊(duì)等，相關(guān)延遲是不可接受的。

發(fā)送到云端的每一位數(shù)據(jù)都需要花費(fèi)金錢和寶貴的帶寬?？煽康幕ヂ?lián)網(wǎng)連接是傳輸數(shù)據(jù)的主要要求。此外，由于單點(diǎn)故障，云中的安全漏洞可能會(huì)對(duì)關(guān)鍵任務(wù)工業(yè)應(yīng)用程序產(chǎn)生不利影響。

邊緣計(jì)算補(bǔ)充了云計(jì)算。在邊緣（或霧）計(jì)算中，大部分處理都是在靠近數(shù)據(jù)源的地方完成的。在許多情況下，這可能意味著計(jì)算、存儲(chǔ)和分析發(fā)生在與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并置的邊緣網(wǎng)關(guān)中。例如，自動(dòng)駕駛汽車可以通過(guò)處理車輛本身的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，在路上行駛時(shí)立即做出機(jī)動(dòng)和控制決策。

邊緣計(jì)算設(shè)備通常重量輕，支持多種外形。有時(shí)邊緣計(jì)算也可以指可以在本地硬件或虛擬化環(huán)境中運(yùn)行的與硬件無(wú)關(guān)的軟件組件。

邊緣計(jì)算是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 應(yīng)用的重大突破，因?yàn)樗鼭M足了一些基本要求。

實(shí)時(shí)決策：通過(guò)在數(shù)據(jù)源附近處理數(shù)據(jù)，延遲可以從幾分鐘減少到幾毫秒。例如，智能電網(wǎng)配電網(wǎng)絡(luò)具有高度時(shí)間敏感的控制和保護(hù)回路。當(dāng)在網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中檢測(cè)到異常時(shí)，邊緣計(jì)算糾正控制命令可以立即實(shí)時(shí)發(fā)送到執(zhí)行器。本地化計(jì)算不依賴于網(wǎng)絡(luò)連接。因此即使在連接斷斷續(xù)續(xù)的情況下也能保證可靠的性能。

克服大數(shù)據(jù)挑戰(zhàn)：工業(yè)應(yīng)用涉及大量時(shí)間序列數(shù)據(jù)。并非所有這些數(shù)據(jù)都需要數(shù)據(jù)中心的強(qiáng)大計(jì)算能力。本地處理大大減輕了將數(shù)據(jù)上傳到云端的負(fù)擔(dān)。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序可以更高效地運(yùn)行以檢測(cè)異常并預(yù)測(cè)故障。

加快物聯(lián)網(wǎng)與遺留平臺(tái)的集成：邊緣網(wǎng)關(guān)具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，支持對(duì)運(yùn)行專有技術(shù)的遺留設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，否則這些設(shè)備無(wú)法與開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)集成。

提高數(shù)據(jù)安全性：邊緣計(jì)算允許在防火墻內(nèi)管理大量資產(chǎn)，并通過(guò)限制到云的往返數(shù)據(jù)傳輸來(lái)減少攻擊面。然而，邊緣計(jì)算并不能取代云計(jì)算。將資源密集度較低的任務(wù)卸載到邊緣可以實(shí)現(xiàn)更智能的工業(yè)應(yīng)用。對(duì)時(shí)間不太敏感的高級(jí)分析仍然依賴于強(qiáng)大的基于云的服務(wù)。如圖 1所示，邊緣和云都保持與物理設(shè)備準(zhǔn)實(shí)時(shí)同步的設(shè)備狀態(tài)信息（數(shù)字副本）。

圖 1：邊緣計(jì)算和云計(jì)算是狀態(tài)同步的。（來(lái)源：實(shí)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全，Packt Publishers）

讓我們回顧一下軍用無(wú)人機(jī)的例子：當(dāng)無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)，邊緣計(jì)算使其能夠與地面部隊(duì)和指揮中心實(shí)時(shí)通信，而無(wú)需依賴云連接和相關(guān)的延遲。返回基站后，無(wú)人機(jī)可以將數(shù)據(jù)上傳到云端以進(jìn)行高級(jí)分析和洞察。因此，對(duì)于 IIoT 應(yīng)用程序，邊緣計(jì)算和云計(jì)算可以協(xié)同工作。

保護(hù)邊緣

由于暴露于極端戶外條件和物理篡改，設(shè)計(jì)具有足夠安全控制的邊緣設(shè)備非常重要，例如安全設(shè)備操作系統(tǒng)、防篡改硬件、基于硬件的信任根和密鑰存儲(chǔ)。操作系統(tǒng)需要支持安全啟動(dòng)和更新、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芩淼?、基于策略的白名單等?/p>

硬件制造商的新機(jī)遇

云計(jì)算技術(shù)大多與行業(yè)無(wú)關(guān)。例如，銀行和醫(yī)療保健應(yīng)用程序都可以使用相同的云平臺(tái)。然而，邊緣計(jì)算涉及處理、存儲(chǔ)、延遲等用例特定要求。深水鉆井應(yīng)用中的延遲要求與智能電網(wǎng)中的延遲要求大不相同。這為邊緣計(jì)算硬件打開(kāi)了跨行業(yè)的廣泛機(jī)會(huì)。

麥肯錫及其公司的一項(xiàng)市場(chǎng)研究涵蓋了 11 個(gè)行業(yè)，包括 100 多個(gè)用例，其中邊緣計(jì)算硬件到 2025 年的潛在價(jià)值將達(dá)到 2000 億美元。硬件價(jià)值包括整個(gè)堆棧的各個(gè)組件的機(jī)會(huì)，即傳感器、處理器、設(shè)備上的固件和存儲(chǔ)。

邊緣軟件通常基于 Docker 容器，并且與底層硬件和操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)。

結(jié)論

邊緣計(jì)算是 IIoT 的重大突破，因?yàn)樗谷蝿?wù)關(guān)鍵型 IIoT 應(yīng)用程序能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行。該技術(shù)提高了帶寬利用率，通過(guò)降低運(yùn)營(yíng)成本節(jié)省了資金，并且即使在互聯(lián)網(wǎng)連接斷斷續(xù)續(xù)的情況下也能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)行。此外，邊緣計(jì)算并沒(méi)有取代云計(jì)算，而是增強(qiáng)了云計(jì)算，為硬件供應(yīng)商打開(kāi)了新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

Sravani Bhattacharjee 擔(dān)任數(shù)據(jù)通信技術(shù)專家已有 20 多年。她是《實(shí)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全》一書(shū)的作者，這是第一本關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全的書(shū)籍。直到 2014 年，作為思科的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，Sravani 領(lǐng)導(dǎo)了多個(gè)企業(yè)云/數(shù)據(jù)中心解決方案的架構(gòu)規(guī)劃和產(chǎn)品路線圖。作為 Irecamedia.com 的負(fù)責(zé)人，Sravani 目前與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新者合作，通過(guò)制作各種編輯和技術(shù)營(yíng)銷內(nèi)容來(lái)推動(dòng)意識(shí)和業(yè)務(wù)決策。Sravani 擁有電子工程碩士學(xué)位。她是 IEEE 物聯(lián)網(wǎng)分會(huì)的成員、作家和演講者。

審核編輯黃宇