前言：近年來(lái)，隨著新一代信息技術(shù)的進(jìn)步和相關(guān)政策的支持，我國(guó)制造業(yè)正積極地向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向轉(zhuǎn)型，然而制約制造業(yè)轉(zhuǎn)型的瓶頸仍有很多，例如，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在眾多“信息孤島”；現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的可利用率不高，降低了數(shù)字化的實(shí)用價(jià)值；工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議多樣異構(gòu)，設(shè)備互聯(lián)互通困難等，這些因素都為制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展造成了巨大阻礙。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+邊緣計(jì)算通過(guò)在靠近工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行側(cè)的網(wǎng)絡(luò)邊緣構(gòu)建融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用等核心能力為一體的一種分布式開放體系，提供智能邊緣服務(wù)并與云端協(xié)同工作，可以滿足制造業(yè)在快速系統(tǒng)聯(lián) 接、智能數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)分析、安全運(yùn)營(yíng)管理等方面的關(guān)鍵需求，幫助離散制造業(yè)突破數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的局限，實(shí)現(xiàn)行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型[1]。
任務(wù)調(diào)度
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在迅速發(fā)展，并用于推動(dòng)涉及大量工業(yè)設(shè)備的各種工業(yè)應(yīng)用。由于工業(yè)設(shè)備資源的資源約束，通常將一部分工業(yè)應(yīng)用卸載到具有足夠計(jì)算資源的計(jì)算系統(tǒng)上執(zhí)行，如微服務(wù)器、云服務(wù)器或數(shù)據(jù)中心。然而，可能需要考慮網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)擁塞。邊緣計(jì)算以其自身固有的優(yōu)勢(shì)，能夠在一定程度上承接任務(wù)卸載。為了探索邊緣計(jì)算支持工業(yè)應(yīng)用的潛力，基于邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)任務(wù)的有效管理能夠極大提升工業(yè)應(yīng)用的性能[8]。
首先，針對(duì)延遲和響應(yīng)時(shí)間方面，一部分學(xué)者在此方面進(jìn)行了深入的研究。Scoca等人【2】提出了基于啟發(fā)式算法實(shí)現(xiàn)邊緣服務(wù)器的資源調(diào)度，該算法用于評(píng)估邊緣節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算能力并輸出服務(wù)和資源之間的最大評(píng)分映射。Sajjad等人【3】提出了新穎的方法SpanEdge，這種方法能夠統(tǒng)一管理分布式的基礎(chǔ)設(shè)備（包括云數(shù)據(jù)中心和邊緣數(shù)據(jù)中心）的流處理。
SpanEdge通過(guò)在中央和邊緣數(shù)據(jù)中心分部應(yīng)用程序來(lái)減少或消除WAN鏈路引起的延遲。Liu等人[4]采用馬爾科夫鏈處理移動(dòng)邊緣計(jì)算中存在的雙時(shí)間尺度隨機(jī)優(yōu)化問(wèn)題。通過(guò)分析每個(gè)任務(wù)的延遲和移動(dòng)設(shè)備的功耗，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換為延遲約束的能耗最小化問(wèn)題，并通過(guò)了高效的搜索算法來(lái)尋找最優(yōu)的任務(wù)調(diào)度策略。
其次，針對(duì)能耗和任務(wù)處理數(shù)量方面，Wang等人[5]考慮單傳感器并最小化能耗的任務(wù)調(diào)度問(wèn)題（MESS）和多傳感器并最小化能耗的任務(wù)調(diào)度問(wèn)題（MESS），并同時(shí)提出了兩種有效的多項(xiàng)式時(shí)間的啟發(fā)式算法。Song等人[6]提出了一種用于周期性地在邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中分配傳入任務(wù)的方法。
該方法能夠增加在邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中處理的任務(wù)數(shù)量，并用于提供服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。Lyu等人[7]將動(dòng)態(tài)變換的環(huán)境建模為隨機(jī)擾動(dòng)，并提出相應(yīng)的自適應(yīng)后退水平卸載策略（ARHOS），該策略能夠根據(jù)配置數(shù)據(jù)的性能偏差和擾動(dòng)頻率動(dòng)態(tài)的調(diào)整縮減因子和決策窗口的大小。同時(shí)提出了一種多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，以最小化估計(jì)成本，并盡力滿足延遲需求。
網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
當(dāng)前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中IT網(wǎng)絡(luò)和OT網(wǎng)絡(luò)是分離的，構(gòu)建IT和OT融合的全互聯(lián)、扁平化、靈活化的工業(yè) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。面向智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、服務(wù)化轉(zhuǎn)型等典型邊緣計(jì)算場(chǎng)景，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)控制等邊緣計(jì)算模型及體系結(jié)構(gòu)是產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同面臨的挑戰(zhàn)[9]。
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，研究人員通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層優(yōu)化來(lái)降低數(shù)據(jù)訪問(wèn)延遲的相關(guān)工作大致可分為以下三類：
1
資源管理
消除大量設(shè)備訪問(wèn)有限的資源導(dǎo)致的死鎖
邊緣計(jì)算服務(wù)器通常需要服務(wù)大量工業(yè)設(shè)備，邊緣計(jì)算服務(wù)器資源分配可能由于大量設(shè)備 爭(zhēng)取有限的資源而導(dǎo)致死鎖，消除死鎖是提高系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵。Ugwuanyi 等人[10]提出了一種可靠性資源配置的方法，利用SDN來(lái)降低通信開銷，結(jié)合銀行家資源請(qǐng)求算法來(lái)避免死鎖，通過(guò)驗(yàn)證后證實(shí)該算法可以有效地防止系統(tǒng)死鎖，實(shí)現(xiàn)可靠性交互。Mishra 等人[11]提出了一種可持續(xù)服務(wù)分配的方案，服務(wù)分配主要通過(guò)客戶端請(qǐng)求虛擬機(jī)來(lái)完成，文中以能耗和截止時(shí)間為 QoS約束，將服務(wù)請(qǐng)求問(wèn)題歸為一個(gè)雙目標(biāo)最小化問(wèn)題。
2
傳輸時(shí)延優(yōu)化問(wèn)題
控制系統(tǒng)對(duì)于時(shí)延尤其敏感，通常，工業(yè)控制器都有專有的硬件去完成，但是隨著應(yīng)用邏輯控制器（App logic controller）和虛擬 PLC（vPLC）等 技術(shù)的提出，軟件實(shí)現(xiàn)特定硬件功能的方案越來(lái)越得到重視。控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，時(shí)延是最大的挑戰(zhàn)。Mubeen 等[12]提出一種時(shí)延緩解的策略，用于緩解云端控制器在任意時(shí)延的情況（大于小于控制周期）下網(wǎng)絡(luò)引起的抖動(dòng)和時(shí)延。
3
查詢存儲(chǔ)優(yōu)化問(wèn)題
邊緣計(jì)算涉及云、邊、端等多個(gè)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和服務(wù)的查詢存儲(chǔ)比單純的云計(jì)算更為復(fù)雜，尤 其面對(duì)高吞吐量計(jì)算時(shí)，高效的存儲(chǔ)策略將會(huì)極大地提高系統(tǒng)效率。Lin等人[13]提出了一種時(shí)間驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)策略，結(jié)合云端和邊緣端，提出了一種基于遺傳算法算子的自適應(yīng)離散粒子群優(yōu)化算法，降低了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間。同時(shí)，由于邊緣計(jì)算系統(tǒng)中往往有大量工業(yè) 無(wú)線設(shè)備，尤其是對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)而言，從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程服務(wù)器下載大量數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)講是 巨大的挑戰(zhàn)。Li 等人[14]提出了一種利用邊緣計(jì)算進(jìn)行主動(dòng)緩存的存儲(chǔ)策略，緩存通過(guò)云、邊、端等三層緩存結(jié)構(gòu)，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的駐留時(shí)間、服務(wù)器和其他節(jié)點(diǎn)的容量，提出了一種考慮位置和移動(dòng) 軌跡的主動(dòng)緩存策略。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該策略具有較 高的實(shí)時(shí)性和良好的性能。
4
基于SDN的普適網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化
考慮到工廠內(nèi)的邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)既需要滿足實(shí)時(shí)可靠，又具有靈活性及可重構(gòu)，又可以同時(shí)集中管理多個(gè)管理域的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。李慶等人[9]提出了基于 SDN 與TSN 的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，旨在解決計(jì)算資源分布不平衡條件下的自適應(yīng)計(jì)算任務(wù)遷移問(wèn)題，為邊緣計(jì)算任務(wù)的高效運(yùn)行提供保障。并嘗試采用一種新穎的方法，將 SDN 的能力、TSN 的時(shí)間敏感性與邊緣計(jì)算的不足進(jìn)行技術(shù)上的結(jié)合，提出了一種應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以提高動(dòng)態(tài)環(huán)境中的服務(wù)質(zhì)量。
同時(shí)，針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流管理，葉桓宇等人[15]提出了基于SDN的軟件定義工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（SDIN）的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)框架。
首先，對(duì)于工廠中的網(wǎng)絡(luò)，使用了軟件定義的數(shù)據(jù)分離架構(gòu)。并針對(duì)傳統(tǒng)工廠網(wǎng)絡(luò)固有的“設(shè)備孤島”和“信息孤島”問(wèn)題，優(yōu)化工廠內(nèi)各網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)的路由性能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于動(dòng)態(tài)流表參數(shù)的配置方案，提升工廠網(wǎng)絡(luò)路由的可靠性。其次，針對(duì)工廠里的計(jì)算任務(wù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于不同生產(chǎn)業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列卸載方案，以最小化計(jì)算卸載時(shí)延。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理
1
邊緣分布式存儲(chǔ)架構(gòu)
A、中心化分布式存儲(chǔ)架構(gòu)中心化分布式存儲(chǔ)通常采取主/從式架構(gòu)：主節(jié)點(diǎn)具備豐富的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的管理、存儲(chǔ)任務(wù)的調(diào)度、數(shù)據(jù)布局以及數(shù)據(jù)的一致性維護(hù)等。中心化分布式存儲(chǔ)架構(gòu)可以應(yīng)用于邊緣數(shù)據(jù)中心。在離散制造業(yè)場(chǎng)景下，邊緣數(shù)據(jù)中心類似于云存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中心。邊緣數(shù)據(jù)中心在地理位置上離邊緣設(shè)備更近，節(jié)點(diǎn)規(guī)模更小。邊緣設(shè)備中的數(shù)據(jù)可上傳至邊緣數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。
B、去中心化分布式存儲(chǔ)架構(gòu)去中心化分布式存儲(chǔ)沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間具有對(duì)等的功能。多個(gè)邊緣設(shè)備之間可以自組織地建立去中心化分布式存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。隨著邊緣設(shè)備數(shù)量激增，該架構(gòu)具有很大的潛力。如StorjLabs推出了一種去中心化分布式云存儲(chǔ)平臺(tái)STORJ[17]，該平臺(tái)使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接存儲(chǔ)設(shè)備，用戶可以在該平臺(tái)選擇出租閑置存儲(chǔ)資源。這種去中心化的分布式存儲(chǔ)架構(gòu)能將很多閑置的存儲(chǔ)資源充分利用起來(lái)，以非常低廉的維護(hù)和管理成本為邊緣側(cè)提供存儲(chǔ)服務(wù)。此外，這種結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)在邊緣端就近存儲(chǔ)，更容易滿足邊緣計(jì)算任務(wù)的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)處理需求，比傳統(tǒng)的云存儲(chǔ)服務(wù)更加經(jīng)濟(jì)高效。
C、融合中心化和去中心化的分布式存儲(chǔ)架構(gòu)邊緣數(shù)據(jù)中心的中心化分布式存儲(chǔ)能更好地保證服務(wù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)的一致性，適合需要高可靠性和高協(xié)作性的應(yīng)用任務(wù)。邊緣設(shè)備端自組織的去中心化分布式存儲(chǔ)具備造價(jià)成本低、可靈活部署等特性。隨著邊緣側(cè)的更新或遷移，可依據(jù)兩種架構(gòu)各自的優(yōu)勢(shì)，融合兩種架構(gòu)，提高邊緣存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和普適性。而兩者的融合需要解決中心化存儲(chǔ)與去中心化存儲(chǔ)的無(wú)縫切換問(wèn)題。
2
云邊協(xié)同存儲(chǔ)優(yōu)化
如果僅對(duì)云端或邊緣終端存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，忽略其協(xié)同與融合，便無(wú)法充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢(shì)。云-邊協(xié)同存儲(chǔ)技術(shù)旨在通過(guò)邊緣存儲(chǔ)與云存儲(chǔ)的互補(bǔ)，提供更高效的存儲(chǔ)服務(wù)。諸多研究表明，通過(guò)對(duì)邊緣存儲(chǔ)資源的有效使用和管理，提升邊緣計(jì)算應(yīng)用性能[19-21]。
南京大學(xué)的研究人員提出了多信道無(wú)線干擾環(huán)境下移動(dòng)邊緣計(jì)算的多用戶計(jì)算遷移問(wèn)題，采用博弈論的方法以分布式方式實(shí)現(xiàn)高效的卸載計(jì)算，使云平臺(tái)和邊緣終端的整體性能達(dá)到納什均衡，從而最大化地利用邊緣數(shù)據(jù)中心的計(jì)算和存儲(chǔ)資源[20]。上述工作從資源調(diào)配的角度研究了云-邊協(xié)同的存儲(chǔ)架構(gòu)和優(yōu)化技術(shù)。
安全分析與對(duì)策
1
物理安全需求
對(duì)于邊緣計(jì)算設(shè)備來(lái)說(shuō)，其在運(yùn)行過(guò)程中，由間接或者自身原因?qū)е碌陌踩珕?wèn)題（如能源 供應(yīng)；冷卻除塵、設(shè)備損耗等），運(yùn)行威脅雖然沒(méi)有自然災(zāi)害造成的破壞 徹底，但是如果缺乏良好的應(yīng)對(duì)手段，仍然會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，使得邊緣計(jì)算的性能下降，服務(wù)中斷和數(shù)據(jù)丟失。特別是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，工廠對(duì)于自身設(shè)備的維護(hù)和檢修比較專業(yè)，但是對(duì)于IT設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)難以及時(shí)處理。
2
網(wǎng)絡(luò)安全需求
相較于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心，邊緣節(jié)點(diǎn)的能力有限，更容易被黑客攻擊。雖然單個(gè)被破壞的邊緣節(jié)點(diǎn)損害并不大，并且網(wǎng)絡(luò)有迅速找到附近可替代節(jié)點(diǎn)的調(diào)度能力；但如果黑客將攻陷的邊緣節(jié)點(diǎn)作為“肉雞”去攻擊其他服務(wù)器，進(jìn)而會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成影響。現(xiàn)有大多安全保護(hù)技術(shù)計(jì)算保護(hù)流程復(fù)雜，不太適合邊緣計(jì)算的場(chǎng)景。所以，設(shè)計(jì)適合于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下邊緣計(jì)算架構(gòu)中輕量級(jí)的安全保護(hù)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全的重大需求。
3
數(shù)據(jù)安全需求
要對(duì)數(shù)據(jù)的全生命周期進(jìn)行管理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三個(gè)安全屬性才能保證數(shù)據(jù)安全。整個(gè)生命周期包括六個(gè)階段 ：
創(chuàng)建，數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和采集過(guò)程；
存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)介質(zhì)的過(guò)程；
使用，數(shù)據(jù)被瀏覽、處理、搜索或進(jìn)行其他操作的過(guò)程；
共享，數(shù) 據(jù)在擁有者、合作者、使用者之間交互的過(guò)程；
存檔，極少使用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入長(zhǎng)期存儲(chǔ)的過(guò)程；
銷毀，不再使用 的數(shù)據(jù)被徹底刪除和擦除的過(guò)程。
在邊緣計(jì)算中，用戶將數(shù)據(jù)外包給邊緣節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也將數(shù)據(jù)的控 制權(quán)移交給邊緣節(jié)點(diǎn)，這便引入了與云計(jì)算相同的安全威脅。首先，很難確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性，因?yàn)橥獍鼣?shù)據(jù)可能會(huì)丟失或被錯(cuò)誤地修改。其次，未經(jīng)授權(quán)的各方可能會(huì)濫用上傳的數(shù)據(jù)圖謀其他利益。雖然相對(duì)于云來(lái)說(shuō)邊緣計(jì)算已經(jīng)規(guī)避了多跳路由的長(zhǎng)距離傳輸，很大程度地降低了外包風(fēng)險(xiǎn)；因此屬于邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題也日益突出，如在如此復(fù)雜多變的環(huán)境中，一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)癱瘓后，如何實(shí)現(xiàn)安全快速地遷移數(shù)據(jù)？
4
應(yīng)用安全需求
應(yīng)用安全，顧名思義就是保障應(yīng)用程序使用過(guò)程和結(jié)果的安全。邊緣式大數(shù)據(jù)處理時(shí)代，通過(guò)將越來(lái)越多的應(yīng)用服務(wù)從云計(jì)算中心遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)，能保證應(yīng)用得到較短的響應(yīng)時(shí)間和較高的可靠性，同時(shí)大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和智能終端電能的消耗。但邊緣計(jì)算 不僅存在信息系統(tǒng)普遍存在的共性應(yīng)用安全問(wèn)題，如拒絕服務(wù)攻擊、越權(quán)訪問(wèn)、軟件漏洞、權(quán)限濫用、身份假冒等，還由于其自身特性存在其他的應(yīng)用安全的需求。在邊緣這種多個(gè)安全域和接入網(wǎng)絡(luò)共存的場(chǎng)景下，為保證應(yīng)用安全，該如何對(duì)用戶身份進(jìn)行管理和實(shí)現(xiàn)資源的授權(quán)訪問(wèn)則變得非常重要。
架構(gòu)優(yōu)化
最后，一部分學(xué)者提出了先進(jìn)的邊緣框架和邊緣計(jì)算系統(tǒng)。Cheng等人[22]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了名為Geelytics系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)友好的傳感器和執(zhí)行器接口實(shí)現(xiàn)對(duì)一定范圍內(nèi)數(shù)據(jù)源的按需邊緣分析。Aliyu等人[23]提出一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的InterCloud架構(gòu)，該架構(gòu)被用于移動(dòng)邊緣計(jì)算場(chǎng)景，并提出了一種自適應(yīng)資源管理方案，同時(shí)基于調(diào)度策略的QoS控制框架，該框架使用了具有外部性的聯(lián)盟博弈原則。為了優(yōu)化資源管理，所提出的控制框架自治應(yīng)方案解決了詞典排序雙準(zhǔn)則聯(lián)合結(jié)構(gòu)生成（CSG）問(wèn)題，保證了框架中應(yīng)用程序的服務(wù)級(jí)別協(xié)議（SLA）。
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