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EC-IoT:开放的物联网新架构

华为IoT网络架构师 范灵强/文

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物联网体系架构的演进

1990年的Interop展会上,John Romkey和Simon Hackett将一台多士炉接入互联网,利用网络协议控制电源开关的接通时长,烤出了史上第一块“互联网面包”;第二年,他们又进行了完善,加入了一台机器人,受网络远程控制投入面包片。

这个始祖级的IoT应用定义了物联网的3层体系架构:最底层是感知层,是物联网数据的源头;中间层是连接层,提供感知层设备接入网络以及传输数据的服务;最上层是应用层,对数据进行存储、分析和展示,并提供业务支撑和运营管理。

随后的10年,物联网主要在解决“连接”问题,应用层并未发生革命性的变化。IoT行业属性的碎片化导致了解决方案和标准协议的碎片化,形成了一个个成本高昂的孤立的“烟囱状”IoT垂直解决方案。

应用层的变革始于云计算,融合了ICT新技术的云产品提供了多层次的服务,大大压缩了应用从开发到运营的支出,缩短了业务上线周期,拉低了技术门槛。IoT应用的创新变得简单且高效,产业活力一旦激发,又催生了专注于IoT的云平台服务。

IoT云平台提供了终端管理、数据存储、分析与呈现、应用开发、集成和部署等服务,实现了物联网垂直架构的第一次水平解耦,成为产业链核心控制点,用户得以聚焦于应用与终端为核心的IoT业务的创新,连接层则被管道化。这一时期,这种两头重、中间轻的“云-端”模式体系架构解决了物联网的“智能”问题。

2012年开始,美、德、中3国先后提出了“工业互联网”、“工业4.0”和“中国制造2025”3大战略计划,要将信息技术引入工业领域。3大战略计划的基础是物联网,将数百上千亿的设备和传感器接入网络,实现客户资料、生产和环境数据在机器、人、流程之间的自由流动。这宣告了物联网的发展进入了新阶段,但“云-端”模式的物联网架构面临几个难题:

  • 实时性问题:在工业等很多领域非常强调现场环境和流程变化的响应时效,如果分析和决策功能部署在云端,就无法实现微秒至毫秒级的响应;
  • 安全性问题:工业物联网的数据不加区别都送往云端,通过大数据分析就能获得足够多的商业秘密;生产线设备直连互联网,生产网络的安全性就成了致命问题;
  • 可靠性问题:工业生产对生产数据的可靠性依赖很强,而过长的服务链条降低了生产数据和控制指令的可靠性;
  • 拥塞问题:海量IoT节点随机生成的数据和操作数量巨大,在网络传输和排队处理时会产生拥塞,带来的时延、抖动和数据丢弃对工业生产影响太大;
  • 成本问题:如果IoT数据全都在云端完成分析,那么海量数据的传输、处理和存储都必然给用户带来沉重的成本压力。

边缘计算有5个核心价值点:海量异构连接、支持高实时性业务、数据聚合、支持边缘智能分析处理,以及私有安全域的深度保护。

EC-IoT破解物联网体系架构难题

边缘计算的概念本身并不是一个新鲜事物,简单来说,边缘计算就是将对实时性、安全性和可靠性有严格要求的应用部署在靠近数据源头的网络边缘节点(如网关)上,让数据在最短的时间内得到分析和处理,将私密性数据限制在最小的网络范围内,并通过减少数据流转的次数降低数据失真的几率。数据在网络边缘进行聚合、存储和分析,自然会减少网络拥塞,也降低了成本。

边缘计算有5个核心价值点:

  • 海量异构连接:在边缘网络实现海量传感器和终端的异构连接;
  • 支持高实时性业务:从数据产生到控制闭环的响应时间可以达到微秒级;
  • 数据聚合:消除数据碎片化、屏蔽无效噪声、数据按需上传;
  • 支持边缘智能分析处理:业务边缘部署、灵活调整,网络自动运维;
  • 私有安全域的深度保护:对设备、网络和数据提供端到端的有领域针对性的、可定制的保护。

边缘计算是对云计算的补充,根据业务场景的实际需要对应用的功能进行服务化解耦,在云端和边缘节点之间动态的分布式部署,才能达到成本和体验的最佳平衡。

华为将边缘计算概念与物联网相结合,实现了边缘计算物联网(Edge Computing IoT,简称“EC-IoT”),利用SDN和轻量级虚拟化技术来管理海量IoT网络设备,可以实现:(1)网关的计算、存储和I/O资源隔离;(2)边缘业务的动态加载;(3)设备基本能力的开放;(4)物联网终端设备的异构接入和实时交互。

华为边缘计算框架

通过以敏捷控制器和开放边缘网关为主体的EC-IoT,华为不仅让海量计算性能较弱的IoT网关分担了网络中心节点的计算、存储和通信压力,实现了网络从成本中心向商业价值中心的转移,还具有以下特点:

以应用为核心的开放系统

IoT是一个由应用牵引的产业,IoT用户的核心关注点是应用本身,无论IoT云平台还是IoT基础设施都只是为IoT应用服务的。不同行业对IoT应用有不同的需求,例如简单的表计数据采集和分析应用只需要在云平台上部署;但在工业过程控制领域,应用就需要部署在现场网络的网关设备上,这样才能对采集的数据进行实时解析和控制策略联动;而更复杂的如智能制造系统,不同的应用服务要部署在不同的现场网络网关设备、企业数据中心以及IoT云平台等多个位置上,并能够按照业务的需要协同工作。因此,应用部署在什么位置是根据业务的需要来决定的,EC-IoT支持不同形态的应用部署在云端、服务器、IoT网关和智能终端上,支持应用的全生命周期管理和运行状态监控,能够为IoT用户提供准确的全网应用运行状态、部署激活、健康比率、IoT数据采集以及收敛比等数据,对业务模型的优化和应用的升级都具有重要作用。

跨芯片平台、跨运行环境的开放平台

首先,在x86/ARM处理器和Linux操作系统之上,通过各种VM/Container构筑了一个开放的边缘应用承载平台,用户的IoT应用软件甚至自选操作系统都可以运行于其上,这样不仅提供了网络设备的开放性,而且让IoT应用的开发和发布都与网络设备的系统实现了解耦和隔离,让用户能够以最小的代价实现IoT应用的移植;其次,EC-IoT对边缘网络设备的能力进行了充分的抽象,现场网络接口、WAN网络、数据采集与存储、消息订阅与发布、本地策略引擎等功能都提供了API,支持IoT应用调用;此外,第三方中间件也可以被部署在网络设备上,并通过数据共享总线为IoT应用提供服务。这些措施打造了一个通用的边缘承载平台,为IoT应用开发人员快速完成边缘应用的开发创造了条件。

让网络成为一种服务NaaS(Network as a Service)

物联网的设备种类和数量远远超出了大家熟知的互联网,海量的传感器、终端、通信模块、SIM卡和IoT网关形成了数以百亿计的网络连接和管理节点,互联网时代所使用的网络管理和安全工具,在这数百亿连接的加持之下会变得落后不堪;同时,IoT产业的核心竞争力是业务快速创新和极致用户体验,业务提供商更愿意将人力投放在业务开发和运营上,如果用户在基础设施的管理方面投入巨大,必然会事倍功半。

EC-IoT能够完成设备、网络连接、中间件以及第三方应用的自动化管理;能够对IoT的广域连接和现场连接进行实时监控和自动维护;能够自动监控链路通信质量并实现智能路径选择;能够智能分析来自内部和外部的安全攻击并发出告警或实行主动防护……这些复杂的ICT功能被封装在EC-IoT内部完成,再以图形化界面或者标准接口的方式向用户、应用或IoT云平台提供服务。专业的人做专业的事情,IoT用户只需要采购服务即可,从而极大地降低了部署和运营成本。

EC-IoT解决了物联网的“自治”问题,敏捷控制器和边缘计算平台配合完成网络连接的自动管理和应用服务的治理,让设备、网络和应用在最小的安全域内动态协调,以最小的代价实现IoT从数据到控制的闭环。

边缘计算产业联盟的组建只有短短8个月时间,但加盟企业已超过100多家,而EC-IoT也已成功进入多个实体产业,包括电力、能源、零售、农牧业和工业等。

推动物联网生态建设走向开放

IoT的数据连接是可选择的。对具体的IoT业务来说,数据面的连接管理是全局性和架构性的,业务不同其所选择的数据连接也会不一样;即使相同的业务也会因为不同客户对数据质量属性的要求不同而选择不同的数据连接;此外,同一客户的IoT业务在规模和领域获得扩张时,也可能对所选的数据连接进行升级或重构。

IoT的云平台服务是可选择的。随着云计算技术和产业的发展,IoT云平台的能力开始快速趋于同质化,为IoT业务提供了越来越多的选择空间,而云应用迁移工具的普及也拉低了IoT用户选择云服务提供商的门槛。

IoT的网络连接管理是不变的。物联网的传感器、终端、通信模组、网关和SIM卡等设备以及承载的IoT应用是用户的重资产投资,对这些设备、计算资源、应用及其运行状态的管理是不变的。

EC-IoT构建了这样一个产业生态:其将IoT网络的连接管理与数据连接以及应用的云服务分离开来,将服务的选择权交给用户,让用户通过自己掌握IoT网络连接管理来自主决定数据连接服务和云服务的选择。EC-IoT实现了物联网垂直架构的第二次水平解耦,剥离了IoT网络设施与各种云平台的硬性绑定关系,增加了整个产业的开放性,有利于降低IoT用户的投资和运维成本。

目前,边缘计算产业联盟的组建只有短短8个月时间,但加盟企业已超过100多家,而EC-IoT也已成功进入多个实体产业——在电力能源领域支持了配/售电网络的智能化改造和长期架构演进;在零售领域为连锁商店和自动贩卖机的商业和运营模式创新提供了技术保证;在城市建设领域成为安全监控、节能减排和智能交通等产业的加速器;在农牧业领域成为生产信息化和集约化的使能器;在工业领域为设备预测性维护的商业化以及为企业ICT技术与OT技术的融合提供了催化剂;此外在仓储物流、智能家居和安全冷链等其他领域,EC-IoT也是最热门的技术投入方向和创新点,各种方案不断转化为测试床和商业项目,这个新武器正在提供强大火力将物联网推向千亿级连接。

EC-IoT在各个产业领域都是最热门的技术投入方向和创新点,各种方案不断转化为测试床和商业项目,这个新武器正在提供强大火力,将物联网推向千亿级连接。

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网络专刊第1期

全面云化网络(2017年8月)

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