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边缘计算网关平台发展现状综述

发布时间:2023-07-27 23:28:38 作者:苏州稳联 浏览:

边缘计算网关平台发展现状综述

一、边缘计算简介

随着边缘端侧设备的计算与存储能力的逐渐提升以及端侧设备通信与交互能力的进一步开放,边缘计算正在逐步兴起,各个厂家正在逐渐推出自家的边缘计算相关软硬件产品。因此,本文就边缘计算下端侧平台的一个发展状况做出进一步的归纳与总结。


1.边缘计算定义与概念

边缘计算,官方定义为指在靠近物或数据源头的一侧,采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台,就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起,产生更快的网络服务响应,满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。


事实上,这里的边缘应当与传统的数据中心相对应,同时与其地理和逻辑位置相绑定。而作为一种新兴的计算模式,边缘计算旨在于将一些与边缘硬件设备能力相匹配的计算任务部署于接近数据产生源的电信网络边缘,利用电信网络设备本身的计算能力为用户提供大量服务或功能接口,大大减少上传至云数据中心的数据量,缓解电信网络带宽压力,同时可以更好地解决数据安全和隐私问题。                                            


2.边缘计算与传统云计算的区隔

由于更多的基于x86架构的设备应用于边缘计算领域,因此,边缘计算与云计算在底层软件上逐渐趋同化,但考虑到边缘设备的计算能力,边缘计算领域中所使用的软件仍要根据其计算能力进行定制化的开发。


同时,相比于云计算的强大计算能力与高功耗,边缘计算有着较低的功耗和一定范围内的智能化能力;此外,由于其物理和逻辑位置,决定了边缘计算有着低时延快反馈的特点,而这些正式云计算所无法比拟的。


但随着两者的进一步发展,边缘计算与云计算正逐步协同化,双方逐渐靠拢成为一个整体,结合自身优势,为用户提供良好的端到端体验。


二、边缘计算网关平台简介

相比于传统的云计算,由于边缘设备所处的位置距离数据源较近,且面对的网络环境和终端设备复杂。因此,边缘计算中面对的数据存在着较多的异构特点且数据较大;同时由于所处的环境众多,支持的应用和涉及到的协议具有多样化的特点;此外,由于边缘设备所处的相对位置,其发挥的边缘作用也不尽相同,这就使得边缘计算需要一套平台来规范化相应的架构和流程。


1.边缘计算网关平台相关定义与定位

边缘计算网关平台主要是指在边缘计算平台体系中,终端设备上部署的软件平台。该软件平台主要负责终端设备以及终端下挂设备的管理、与云平台的协同交互和策略执行、终端涉及到的软件与智能应用的管理、不同下挂设备涉及到的协议处理与转换、终端数据的全生命周期服务管理以及设备的安全管理的一系列服务。


其中,终端设备特别指明为物理实体网关(CPE),该设备在物理位置上,靠近用户或底层设备,具有大量异构的上行数据,用户或设备可通过该设备接入互联网;在网络上,该设备为电信运营商的在用户侧的基础网络设施,运营商可通过对网关的管控实现对用户入网的控制和管理。


2.业界发展现状以及应用场景

   2.1边缘计算行业发展现状

由于边缘的位置具有相对性,所以在业内不同位置的边缘计算产品发展不尽相同。


(非端平台)以运电信营商为主导的边缘计算产品,更多强调的是运营商传输网络边缘,如蜂窝网络基站、中央端局和在网络边缘的小型数据中心等这些与核心机房相对的边缘节点,以CORD、StarlingX、Akraino EdgeStack这些产品为代表。而这些边缘设备往往具有良好的性能,甚至可以和云数据中心的计算能力相匹配,但规模上可能不如云数据中心。


同时,以大中型互联网企业以及通信公司为主导的边缘计算产品则更多强调的是位于用户侧的边缘设备,包含智能网关、智能终端、智能汽车等一系列终端侧设备。这些设备所具有的算力和资源较为有限,且功耗较为有限;但这些设备具有较好的灵活性和自主操控性。因此,边缘计算网关平台正是在这样的一个背景下,依托于用户侧的网关设备,赋予其边缘计算能力,通过与云平台的相互协同来实现边缘计算。而正是由于边缘网关具有较大的灵活性与自主操控性,就需要一个平台来实现边缘网关的标准化、规范化以及协同化。


目前,业内领先的企业为了配合自家的云计算平台以及相关生态链,往往将边缘计算平台打包在边缘计算平台内。该平台包含了云平台和端平台两个部分,其中的端平台也就是边缘计算网关平台。而经过打包后的边缘计算网关平台,与北向的云平台具有优良的协同处理接口和能力;同时与南向的物联网或工控设备具有完备的协议转换处理功能。但由于工控设备以及云平台相对于企业或者工厂来讲具有一定的私有性,在开源上,这些功能并未做到良好的开源和复用,往往需要开发者根据自身的需求自行定制。


  2.2 应用场景

目前,在业内主要有如下应用场景:


1)工业应用数据的视化场景:在数据可视化时,在没有边缘网关平台的时候,云平台只能采集原始数据,数据分析人员将需要优化业务流程从而进一步处理数据库中的原始数据;而通过边缘流式计算可以很好的解决上述问题,边缘网关在边缘侧通过流式计算得到一些处理过的数据,然后上报至云平台,从而可以大大降低数据分析的工作量,提高数据的可视化能力。


2)面向机器的自我诊断能力提升:工控设备测量数据常常由于各种因素(网络因素、设备自身精度因素)经常会出现抖动情况,如果对设备的实时采集值配置阈值告警,经常会出现误告警,导致用户需要处理大量无用告警,逐渐用户对告警的准确性失去信心,阈值告警形同虚设。而通过使用边缘网关内的边缘计算网关平台,在边缘侧进行自诊断以及自维护,并将诊断后的结果再上报云端,可以大大提升机器的故障诊断与维护能力。


3)工业设备的预测性维护:在工控设备维护场景中,设备的不及时维护以及设备问题的定位往往会给生产带来极大的不方便以及难以估量的损失。因此,将边缘计算应用于工业设备的预测维护场景中,边缘计算不仅可以在短时间预知工业设备的损坏情况,迅速处理出现的情况,及时维护设备;另一方面,方便维修人员定位设备问题并检修。这样可以节省设备损耗,提高工业竞争力。


3)安平监控场景:通过在边缘的视频预分析,实现园区、住宅、商超等视频监控场景实时感知异常事件,实现事前布防、预判,事中现场可视、集中指挥调度,事后可回溯、取证等业务优势。


4)工业视觉场景:传统的工业制造主要采用人工肉眼检测产品的缺陷,不仅使得检测产品速度慢、效率低下,而且在检测过程中容易出错,导致误检、漏检等问题,基于机器视觉的质检方案,通过云端建模分析与边缘实时决策的结合,实现自动视觉检测,提升产品质量。


5)文字识别场景:在边缘完成数据脱敏,对完整图片进行切片,实现本地化处理和存储关键数据和隐私数据,云端进行文字识别,提供灵活、可扩展、高可用的端到端解决方案。


3.边缘计算网关平台特点以及功能性指标

通过对于业内应用场景的了解,不难发现,将终端设备赋予边缘计算能力后,其业务和计算流程逐渐趋于复杂化,通信与协同过程逐渐繁琐。所以,需要可靠的边缘计算网关平台对自身以及下挂的终端设备进行进一步业务上的统筹和管理以及自身的计算和存储能力的进一步管理和控制。


因此,边缘计算网关平台具有如下的特点。


1、核心服务持久化

边缘计算网关平台的核心服务应当持久化在存储空间上,随着网关上电后而自动启动。考虑到网关仍然是运营商的末端设备,所以其必要的网络服务、隧道服务、语音服务、无线服务等服务都应当收到运营商管控,而这些服务应当不随着用户的应用变化而变化。


2、平台架构微服务化

边缘计算网关平台的各子系统、插件、应用等以服务粒度进行划分,划分形成的微服务之间严格服务化解耦,各服务之间,以及与第三方云应用之间,仅允许通过开放的API进行交互,不允许直接共享数据,或者通过私有API交互;且各个服务间均可支可独立发展、独立发布、独立升级;服务可视、可管、可控、可测、可维、故障自愈。


3、 通用应用容器化

边缘计算网关内所涉及到应用众多,不同的应用所需要的资源与环境往往大不相同。而随着云原生的火热,统一的调度、编排与管理逐渐成为必选项。良好的容器编排与管理能力往往直接决定了边缘网关平台具备的软实力。但需要说明的是,核心服务不应当进行容器化。


4、通信服务轻量化

边缘计算网关平台由于在端侧,需要不断的与云端通信,繁重的通信服务往往加重端侧设备的计算负担,同时会占用更多的资源。因此,具备轻量级的通信协议不仅使得边缘计算网关平台可以快速与云平台进行通信进行可靠的云端协同,同时可以灵活处理与云平台的通信数据。


5、个性应用智能化

边缘计算网关平台上所运行的应用应当尽可能的智能化。一方面进一步利用边缘网关的边缘算力,可以避免不必要的计算资源浪费;同时,为网关下面的终端或终端用户提供智能化的应用,可以极大地方便用户的操作,为用户或设备带来良好的体验。


6、断网数据时序化

当边缘计算网关处于断网或者弱网的状态时,为了尽可能的保证用户的数据不丢失或者尽可能的保证业务可用,应当将此时的数据进行时序化。当网关恢复网络连接后,数据根据时序进行进一步的交互,从而能有效的避免数据的丢失重传和保证业务的可用。


7、资源调用灵活化

由于边缘计算网关上的计算和存储资源相对于服务器仍然受限,因此其计算或者存储资源应当具备弹性伸缩,灵活使用的特点。从而使得对于网关设备上的资源利用达到最大化。


而正是上述特点,使得边缘计算网关平台在实际应用中,应当进一步具备如下功能:


边缘网关平台基础功能:即网关平台具备传统的网关所具备的基本功能:包含网络协议及数据转发、DHCP、DNS、NTP、NAT、VLAN、VxLAN、IPSec、QoS、IPv6、VPN、DPI、语音等功能。

边缘网关平台中间件功能:即边缘计算网关平台为管理应用所具备的基础功能:边缘应用管理、设备管理、下挂设备管理、云端协同管理、消息路由管理、开放API管理、边缘网关资源监控与管理、日志管理、固件版本管理、设备告警管理、业务编排管理等功能。

边缘网关平台应用功能:即边缘计算网关平台所提供的边缘计算能力所需要的功能,具体包含:函数计算、感知计算、(实时)流数据分析、规则引擎、协议转换、人工智能算法、断网续传、协议转换、工控设备管理、设备镜像、智能组网等功能。

边缘网关平台安全功能:边缘计算网关平台应当对网关即下挂设备之间的安全进行保证,具体包含:设备鉴权认证、通信协议加密、网关安全管理、工控设备安全管理、设备互信管理等功能。

4.边缘计算网关平台的未来发展趋势

随着5G与WIFI6技术的逐渐兴起,越来越多的网关设备加入了5G与WIFI6。5G可以保证边缘网关具有高带宽与低时延,而随着5G标准的不断完善,配合5G切片的边缘网关将在边缘计算领域大有作为;而WIFI6提供了良好的用户侧无线环境,使得高清视屏、游戏加速、AR/VR逐渐在用户侧兴起,越来越多的用户会拥人这些应用的怀抱,而边缘计算网关平台结合自身硬件的算力,将为用户在提供丰富的应用同时提供良好的用户体验;此外,由于网关本身具备了PON上行的特殊属性,这就使得边缘计算网关平台在SD-WAN领域添砖加瓦。


与此同时,随着工业互联网的不断发展,边缘计算网关在工业互联网领域也大显身手。边缘计算网关平台为机器提供人工智能算法下多样化的应用的同时,可以利用边缘网关下挂的多个传感器,结合硬件算力,为用户提供物理距离与空间位置的感知,使得边缘计算网关在工业互联网领域绽放光彩。


而SDN领域中,随着软件定义的进一步发展,切片在网络发展的作用逐渐体现出来。因此,随着SDN的不断发展与完善,边缘计算网关平台将结合SDN相关技术完成网关定制化切片的开发与应用,从而为用户提供丰富的功能。


三、边缘计算网关平台有关产品

前文已经介绍了边缘计算网关平台的相关概念和特点,本章节就边缘计算网关平台的实际产品进行一个介绍,从而方便读者对业内产品发展情况有一个整体的概览。


1。百度边缘端计算平台(BIE)

百度公司在边缘计算端平台有着良好的开源社区与开源代码,其基本方式是通过BIE智能边缘本地运行包,即边缘计算端平台来完成对于边缘应用的数据采集、同步处理、配置管理以及本地计算等功能。


该平台底层采用Go语言进行开发,这使得对于Docker在具备良好的兼容性的同时具有可靠的管理能力;与此同时,端侧平台中,使用了MQTT协议作为端平台的消息总线,这使得端侧接入设备、云平台或者端平台内部的组件之间都可以用MQTT协议来进行消息的传输与处理,同时也极大的简化了端侧平台与不同的云平台进行协同的对接流程;此外,借助着百度的强有力的开源支撑,其应用较为丰富,对流式计算、人工智能算法等都有着不错的支持。


百度.png


图1  百度边缘计算网关平台产品架构图


2.华为边缘计算平台(IEF)

华为公司在边缘计算端平台同样有着良好的开源社区与开源代码,其端平台主要是基于KubeEdge。它基于kubernetes构建,为网络、应用程序提供基本的基础架构支持。同样的,华为的网关平台支持安全管理、认证管理、设备影子、运维代理、容器管理、函数管理、流处理、视频智能、机器推理、图像检测等功能。


同样的,华为的端平台由于基于KubeEdge框架,所以其开发语言仍为Go语言,对Docker和K8S云原生有着良好的支持。因此,IEF在容器的编排与管理上具有较好的优势。同时,华为公司在端平台的应用上具有较多的智能应用,对于工业互联网的协议、人工智能的算法支持都非常丰富,但需要注意的是,华为在端平台的应用方面并不开源。



华为.png

图2  华为端平台产品架构图


3.Linux Foundation项目中的产品

Linux基金会在边缘计算网关平台中包含多款产品,而百度的边缘计算产品正式在Linux基金会下。而除此之外,Linux基金会还有如下产品,如图四所示。


Linux产品.png


图3  Linux基金会子产品图


Linux基金会的子项目全部开源,但发展情况不尽相同。在众多产品中,Akraino Edge Stack主要做有关边缘计算产品相关的技术蓝图架构;HOME EDGE则是由三星公司提供代码的开发与维护;Edge Virtualization Engine则是更偏向于在边缘侧的一款基于Xen的Type-1虚拟机管理程序,从而使其可以在任何受支持的硬件平台上运行的产品;而EdgeXFoundry与FLEDGE则是以网关平台为主,注重端侧的发展,两者均提出了微服务的架构,各个服务之间相互协同,完成对边缘网关的管理。


edge.png


图4  EdgeX的微服务架构图


4.Eclipse Foundation项目中的产品

Eclipse在边缘计算领域也不松懈,在边缘计算网关平台中,Eclipse主要有Eclipse Kura和Eclipse ioFog。Kura主要使用JVM处理相关事务,因此,在Kura中围绕JAVA做了一系列底层协议到的适配,例如通过javax.comm 2.0 API或OSGi I / O连接进行串行端口访问;通过javax.usb,HID API,自定义扩展的USB访问和事件;通过javax.bluetooth或OSGi I / O连接进行蓝牙访问。而在ioFog中,依然基于JAVA语言开发了一套边缘计算端平台,但该平台遵循微服务的架构,由EdgeworkX进行维护。


四、结论

前几节,我们就边缘计算网关品台的定义、概念以及一些特点和应用场景做了简要的说明和介绍。本节在之前基础上进行一定总结与归纳,并对未来的发展方向进行简要探讨。


1.边缘计算网关平台产品对比

随着各个公司产品的不断升级和完善,边缘计算网关平台已经初具原型。国内大厂对于应用的支持也逐渐完善。从百度、阿里、腾讯、华为的边缘计算平台产品上看,设备管理、消息路由、设备监控、固件升级、日志管理已经成为了网关平台上的核心功能,是必须支持的基础功能;而流数据分析、函数计算、容器化应用、规则引擎、人工智能算法,正逐渐成为边缘计算网关平台额度中坚力量,是支撑边缘网关带来用户良好体验的重要组成;同时,随着边缘网关与工业互联网的不断结合和发展,工控设备安全、工业互联网协议转换、断网续传等功能也将进入常态化趋势。


图5  国内边缘计算平台产品横向对比


2.边缘计算网关平台架构总结


在平台架构层面上,模块化、微服务化已经成为各个厂商的主流方向,“大锅饭”、“一锅端”的局面在边缘计算网关平台上将会被模块化、服务化的架构逐渐替代。而考虑到一些常态化的服务与多样化的应用,“基础服务持久化+计算服务容器化”是未来边缘计算网关平台的架构发展方向。


3.总结展望

随着边缘计算端平台在进一步的发展,目前协议转换、规则引擎、工业控制、预测性维护、函数计算、图像推理等功能已经逐步成为在边缘计算端侧的主流功能,随着5G的不断深入与端侧设备的算力不断提升,边缘计算端平台应当增加如下功能:


相比于现有产品,提升运营商核心竞争力,使边缘计算网关具有统一的SDN/NFV架构和接口,并通过软件定义控制器的管理,完成边缘计算网关的网络、计算、存储资源的智能按需配置与管理。

具备网络数据高速转发能力,配合5G的切片功能,在与云端协同的场景下,也能实现应用的低时延与高带宽。

注智边缘,在现有云端协同推理的基础上,进一步扩大资源利用率,通过与边缘云协同,实现边缘节点的分布式训练。

面向场景与业务能力,打破网关内边缘应用之间的壁垒,提供完整的端侧业务与应用编排能力,实现场景化的部署与管理,最大限度方便用户使用与管理,减少用户专业化的开发与配置。


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原文链接:https://blog.csdn.net/sullivan_jia/article/details/110518371


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