面向工业互联网的边缘云建设研究

面向工业互联网的边缘云建设研究

程雪婷 张英囡

辽宁科技学院 辽宁 本溪 117004

摘要：基于互联网应用的不断发展，工业4.0时代的产业升级，为工业客户提供降本增效提质的工业应用能力，本文在边缘计算中，通过设计低延迟的数据中心架构，实现多区域资源池接入能力，支持多数据中心和多区域管理模式，满足数据中心与边缘云数据传输的需求，

构建了将网络、计算、存储、应用四种核心技术能力为一体的信息开放平台,为用户就近提供近端信息服务的一种走向现代化的云计算网络技术。

关键词：边缘计算；工业互联网；云计算

一、引言

随着信息技术的发展，生产和生活中已经与数字化息息相关。在短短十多年中，通信行业不断发展和变革。无线网络的基础架构和有线网络的基础架构为应对移动行业向数字化快速转型及推动产业结构的升级逐渐都在向集中单元分离和固移融合的趋势演进。

结合越来越成熟的SDN/NFV技术、人工智能及大数据等新型信息技术，5G通信网络将会成为我国发展数字化转型过程需要依托的重要网络基础通信设施。在5G网络时代，万物互联的巨大背景之下，新型网络业务将会逐渐呈现出更低时延、更大网络带宽、更加智能的三大特点，然而基于传统形式的网络架构在共享资源、弹性扩展和运维简易化等方面存在明显不足。全球网络运营商相继开始进行网络重构以及业务转型，构建了以分布单元为核心的全云化运营网络，从而更有效地满足未来几年EMBB、MMTC、URLLC等新的业务发展需求。

多接入边缘计算技术是现代电子信息通信与云计算技术融合的重要产物，该项关键技术由电信运营商负责支撑5G网络快速转型及以后快速发展高清数字视频、VR/AR、工业互联网的发展需求。

二、面向工业互联网的边缘云需求分析

基于智能边缘云计算模型驱动和智能分布化网络架构，在工业现场可以构建一个智能的边缘云，实现统一的智能网络连接、统一的智能工业分布式架构、统一的智能信息处理模型、统一的智能数据服务、统一的智能管理控制模型、统一的智能业务流程编排。工业边缘云，指的是在企业工厂内部，遵循模式"工厂管理下沉，感知端数上移"，融合存储、计算、本地网络和应用核心能力，为工业生产管理服务就近提供本地化的云计算平台，将通信技术、网络安全技术及企业运营管理技术等进行有条件地相互融合，最终实现终端及应用设备的数据海量、异构与网络实时连接，网络自动化地部署与运维，同时有效保证终端联接的安全。

有效充分利用边缘化业务管理平台提供的数据存储、计算、网络、加速等多种资源，将部分关键业务的应用下沉到接入网络边缘，进而有效减少数据在网络传输中以及多级转发时所引起的网络带宽和时延损耗，并充分利用统一化的边缘计算实现平台实现本地化管理与运维，满足未来5G各种业务与固定宽带业务发展的不同需求。

三、面向工业互联网的边缘云建设整体设计

边缘数据中心的业务规模与各个区域数中心及本地数据中心相比，是大小不一的，承载的各种信息业务形式是多样的， 因此我们应分三个阶段实施对现有边缘DC的升级改造。在初期，可以选择一些相对来说部署条件较好的热点进行网络虚拟化改造，云管理平台支持多数据中心管理功能，具备多区域资源池接入能力，支持多数据中心和多区域管理模式。在边缘计算中，在边缘数据中心设计“边缘云”模式，实现低延迟的数据中心架构。数据中心与边缘云间采用多种链路互联技术，满足数据中心与边缘云数据传输的需求。多数据中心间采用多种链路互联技术，实现多数据中心多活、备份的需求。主要从以下3个方面设计。

1、网络设计

网络设计是工业边缘场景的核心设计之一，各种数据及信息均通过网络在系统的不同层面和区域间进行传输，网络技术可以分为有线网络及无线网络。

无线连接主要是应用于一些对网络服务质量要求不是特别严格的场合。工业园区的服务器的数字控制设备是通过SIM卡进行通讯的，所以要求数字控制设备可以使用运营商的SIM卡，并利用无线信号放大器增强信号，在边缘云处利用多接入边缘计算将蜂窝数据信号转化为以太网信号，同时可以将无线连接的应用独立出来，单独组成无线网连接，这部分的应用服务器将不会接入园区内部的局域网，而是利用蜂窝数据传输数据。这样可以做到节约整体工业园区的网络流量压力同时节省了布线成本。

工业园区大部分的应用由有线连接实现，这是由于这些应用对延迟有比较高的要求，无线连接的传输方式由于受到障碍物和天气的影响，可能会出现掉包等问题，因此无法采用无线连接的方式。有线连接可以很好的解决这些问题，并且还可以复用工业园区原本的网络架构，流量通过工业园区的防火墙后经过运营商的基础网络，进入边缘云进行处理，而不需要进行蜂窝数据和以太网协议的转换。

有线连接相对来说可以更好地复用现有的设备，在工业园区可以复用交换机、路由器和防火墙这些设备，另外由于边缘云部署在了运营商机房，所以又可以复用运营商的网络设备和机架、供电等设备，而不需要重新去建设机房，这样可以大大减少边缘计算推广的成本。在网络方面，由于利用了运营商的网络，将工业园区接入位于运营商机房的边缘云中，所以大大减少了部署基础网络的成本。

2、业务管理设计

一部分大型工业应用需要从现有裸机部署的架构模式转为采用云平台所提供的虚拟机部署架构，可允许同时运行多个虚拟机，每个虚拟机都有私有的硬件，包括无线网卡、磁盘以及各自图形适配卡等。虚拟机的高可用主要通过底层虚拟化技术实现，以应对当某台物理节点出现故障时的迁移需求，确保物理节点的故障不会对现有云主机产生影响。在此基础上，配合监控等措施，达到高可用的效果^[1]。

目前有部分大型企业将业务进行容器化，则一个工业业务系统可能由多个独立分布式服务组成，多个独立的服务共同来组成系统，每个独立服务单独设计部署，运行在独立的服务进程（容器）里，服务系统可以独立设计、开发、部署，可以采用各种不同的技术路线，分布式的服务管理，每一个微服务都能被独立设计部署，让持续部署成为可能。

容器方式可以为整个边缘计算提供更好的资源数据弹缩响应速度、系统容量的灵活性以及计算资源的利用率。考虑到新业务的发展以及技术演进趋势，虚拟化业务层需要支持容器技术，以便于构建分布式容器云。容器支持两种部署形态，即将容器部署在物理机上或者将容器部署在一个虚拟机内。

在边缘计算的一些特定应用场景下，仅仅有虚拟化的服务是不够的，在这些场景下用户需要直接使用物理服务器的一些资源，以保证满足特定需求的可行性及高效性，因此，还需要支持裸机的直接部署功能。

3、边缘云管理设计

边缘云资源管理平台的功能包括云资源管理、运维管理、边缘云服务管理以及能力开放。云资源管理连接器以插件、代理的方式接入边缘数据中心，构建了一个在地理上分布、在逻辑上统一的云资源池，实现异构资源的统一管理和调度^[2]。

四、结束语

综上所述，面向工业互联网的边缘云，是满足工业智能化发展需求的关键网络基础设施，也是新一代通信技术与工业领域深度融合所形成的新兴应用模式，开始越来越发挥出重要的作用。

参考文献：

[1]花树天, 刘亮. 面向工业互联网的边缘微服务架构的研究[J]. 2021.

[2]林嘉莉, 孟忻, 俞建军,等. 基于5G MEC技术的工业边缘计算核心技术能力[J]. 中国仪器仪表, 2019, 000(007):21-26.