工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things，簡(jiǎn)稱 IIoT)預(yù)示著一股新的現(xiàn)代化浪潮，在許多行業(yè)，客戶和內(nèi)部利益相關(guān)者要求在生產(chǎn)力、管理、安全和靈活性方面取得更多的進(jìn)展。但是，IIoT的部署仍然面臨相當(dāng)大的阻力，主要是那些人工管理的基礎(chǔ)設(shè)施，切這些基礎(chǔ)設(shè)施大多不安全。 Fog 計(jì)算提供了一個(gè)創(chuàng)新的解決辦法，通過(guò)在信息技術(shù)工具集框架內(nèi)提供安全的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，從而解決這些挑戰(zhàn)。

圖1 | 典型工廠的布局

圖1顯示了一個(gè)典型的工廠，服務(wù)和工作負(fù)載更多地以IT為中心(比如說(shuō)，工廠數(shù)據(jù)中心) ，并隨著它們向下層移動(dòng)，逐漸變得以O(shè)T為中心(比如說(shuō)，工廠機(jī)器)。軟件定義的資源分配和管理正在Fog計(jì)算范式中獲得了推動(dòng)力，因?yàn)樗构S運(yùn)營(yíng)者能夠更好地適應(yīng)未來(lái)的需求。從網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，這將轉(zhuǎn)化為使用軟件定義的網(wǎng)絡(luò)(SDN)來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF)。

圖2 | SDN 內(nèi)部組件

圖2展示了典型 SDN 解決方案的一個(gè)視圖，并包括以下組件。

• SDN應(yīng)用程序
• SDN NBI允許SDN應(yīng)用程序與 SDN控制器通信
• SDN控制器
• SDN控制數(shù)據(jù)平面接口(CDPI)允許 SDN控制器與 SDN 數(shù)據(jù)路徑的對(duì)話
• SDN 數(shù)據(jù)路徑
• 這個(gè)方案的策略管理和性能監(jiān)控

在以IT為中心的環(huán)境中，使用了很多的開源(和一些封閉的)解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)上述每一個(gè)組件。 其中比較突出的包括 OpenStack，VMware NSX，Cisco 數(shù)字網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等。

然而，IIoT 環(huán)境在 SDN 生態(tài)系統(tǒng)中引入了一些約束條件，需要重新設(shè)計(jì)一些SDN組件。

• 惡劣的操作環(huán)境導(dǎo)致了大部分的無(wú)風(fēng)扇計(jì)算系統(tǒng)。這些無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)嚴(yán)重削減了可用的計(jì)算量，主要是因?yàn)樗麄兊目捎脺乜厥艿较拗啤ｋm然新的處理器設(shè)計(jì)一直提高低功耗的性能，但在可預(yù)見的未來(lái)，IIoT將滯后于(有時(shí)相當(dāng)顯著)在一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心。
• 與數(shù)據(jù)中心環(huán)境不同，在一個(gè)典型的工廠中計(jì)算是稀疏的，通常不是普遍可達(dá)的(見圖1)。 這引入了 SDN組件的擴(kuò)展問(wèn)題。
• 客戶業(yè)務(wù)邏輯對(duì)于可用計(jì)算的微弱數(shù)量而言，需要重新考慮如何實(shí)現(xiàn)這些 SDN 組件(并且它們的相互連接)
• 在一個(gè)典型的工廠中(特別是底層)缺乏一個(gè)有效的界限，這意味著這些 SDN 組件需要特別注意它們的可用性和彈性。 這樣的考慮，從計(jì)算上來(lái)說(shuō)更加糟糕。

考慮一個(gè)簡(jiǎn)單的基于虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF)的解決方案，其中包括:

• 自學(xué)習(xí)橋接器
• 連接到上述橋接器的多個(gè)虛擬機(jī)(或容器)
• 接到上述橋接器的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器或傳感器
• 防火墻，以限制上述通訊端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流
• 運(yùn)營(yíng)商管理防火墻的一些方法

圖3 | VNF實(shí)現(xiàn)的示例拓?fù)?/p>

表1提供了 VNF 解決方案映射到 SDN 組件的方式，以及如何實(shí)現(xiàn)(內(nèi)核空間與用戶空間)。

表1 | Linux 工具與 OVS 的比較

表2顯示了使用(a) Linux 工具(使用 Linux 橋和 Linux 防火墻)和(b) OVS 處理各種流量類型的方式。

表2 | Linux 工具與 OVS 的穩(wěn)態(tài)比較

由于整個(gè)解決方案都是在軟件中實(shí)現(xiàn)的，因此在選擇與IIoT部署有關(guān)的任何選項(xiàng)時(shí)必須列舉設(shè)計(jì)方面的因素：

• 控制器和 CDPI之間的通信是軟件交換(要么搭配到相同的計(jì)算機(jī)上，要么穿過(guò)工廠的網(wǎng)絡(luò)) ，從而消耗CPU
• 控制器本身消耗CPU
• OVS解決方案涉及到由CDPI代理和控制器(兩者都在用戶空間中實(shí)現(xiàn))處理的雙關(guān)(例如，異常和慢路徑協(xié)議)流量。 這與 Linux工具的解決方案相反，在Linux解決方案中，這種流量完全是在內(nèi)核內(nèi)處理的。 因此，OVS解決方案會(huì)在每個(gè)數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上發(fā)生上下文交換(內(nèi)核和用戶空間之間)的開銷。 如果存在網(wǎng)絡(luò)干擾(比如因端點(diǎn)錯(cuò)誤導(dǎo)致的流量洪流，預(yù)期的流量爆發(fā)，導(dǎo)致STP重新計(jì)算等等) ，這些上下文轉(zhuǎn)換會(huì)變得相當(dāng)嚴(yán)重。

一般來(lái)說(shuō)，在 IIoT 環(huán)境中的 SDN 部署需要考慮到以下因素：

CPU核心計(jì)數(shù)很重要。在CPU核心方面，VNF需要在本地?cái)U(kuò)展。 此外，可用的 CPU 核心數(shù)量越大，越容易將VNF釘?shù)教囟ǖ暮诵?，從而提供更大的性能和彈性?一般來(lái)說(shuō)，這不僅提高了 VNF 的可用性，還提高了客戶業(yè)務(wù)邏輯的可用性。

單線程性能很重要。由于在IIoT環(huán)境中的擴(kuò)展困難，VN 必須具有處理網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載爆發(fā)的能力。由于典型的VNF是單線程的，高的單線程性能將導(dǎo)致更好性能的SDN解決方案。

溫控范圍很重要。由于IIo 環(huán)境通常采用無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，所以一個(gè)有效的SDN解決方案要求 CPU 核心和單線程性能具有低功耗的特性。

VNF的卸載問(wèn)題。雖然考慮快速路徑卸載，如DPDK和 IOVisor，這些卸載仍然是以 IT 為中心的工作負(fù)載。例如，Intel 的 DPDK 需要為 DPDK 處理保留一些 CPU 核心。 這不符合在這些IIoT環(huán)境中的核心計(jì)數(shù)。需要卸載的不僅僅是一個(gè)通用的快速路徑，而是卸載整個(gè)VNF。這并不意味著IIoT環(huán)境需要接受專用路由器和交換機(jī)。相反，卸載需要包括可重構(gòu)的FPGA。每個(gè)VNF IP都可以優(yōu)化用于 IIoT 環(huán)境，并且可以在工廠中使用的 FPGA 上的閃存。這不僅可以卸載VNF功能，而且也減輕了VNF的緩慢路徑(和其他控制平面)方面，從而減輕了處理網(wǎng)絡(luò)的IIoT計(jì)算。

軟件堆棧很重要。一個(gè)以IT為中心的SDN軟件棧缺乏在 IIoT 環(huán)境中運(yùn)行所需的優(yōu)化。 這種環(huán)境需要使用一個(gè)特定的軟件棧，每個(gè)組件都經(jīng)過(guò)了微調(diào)，以便在這些要求很高的環(huán)境中使用。 例如，與 Linux 橋相比，OVS 將產(chǎn)生上下文切換成本(內(nèi)核空間快速路徑和用戶空間緩慢路徑之間)。

Fog計(jì)算是工業(yè)自動(dòng)化的下一個(gè)重大飛躍，并且被多個(gè)工業(yè)垂直領(lǐng)域所接受，不僅可以使設(shè)備現(xiàn)代化，還可以使大規(guī)模自動(dòng)化基礎(chǔ)設(shè)施的流程和可管理性工具集進(jìn)行現(xiàn)代化。 NFV是Fog計(jì)算的一個(gè)重要方面，SDN或許成為在IIoT環(huán)境中實(shí)現(xiàn)NFV的實(shí)際手段。

References

Fog Networking: An Overview on Research Opportunities, Mung Chiang. http://www.princeton.edu/~chiangm/FogResearchOverview.pdf.

Fog Computing Overview Video https://vimeo.com/228299847

OpenFog Consortium Website https://www.openfogconsortium.org/

Fog Computing and Its Role in the Internet of Things, Flavio Bonomi, Rodolfo Milito, Jiang Zhu, Sateesh Addepalli https://www.nebbiolo.tech/wp-content/uploads/fog-computing-and-its-role-in-the-internet-of-things- white-paper.pdf.

Fog computing as enabler for the Industrial Internet of Things, Wilfried Steiner, Stefan Poledna. https://www.springerprofessional.de/en/fog-computing-as-enabler-for-the-industrial-internet-of- things/11002362.

Fog for 5G and IoT, Mung Chiang (Editor), Bharath Balasubramanian (Editor), Flavio Bonomi (Editor). https://www.wiley.com/en-us/Fog+for+5G+and+IoT-p-9781119187134.

Software-defined networking, Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_networking.