面向工控现场应用的边缘网关架构设计和性能评估
信息技术与网络安全
宋磊，黄希
(1.北京乐轩锐蓝科技有限公司，北京100083；2.中国科学院计算技术研究所，北京100190)
摘要： 工业现场控制作为边缘网关的典型应用场景，是物联网与人工智能交叉学科的研究热点。在场景中，传感器的数据经过高速无线网络汇集至边缘网关，算法模块根据传感器数据向设备发送控制指令，完成控制闭环。与传统网关仅仅收集和转发数据相比，边缘计算网关还承担了数据加工和控制生成的重要功能，所以其安全与性能显得尤为重要。针对边缘网关中的安全与性能要求，提出了一种工业边缘网关架构，该架构在基于X86的Linux平台上进行了模拟仿真和实机测试，结果表明该边缘网关可以满足工业现场控制的典型应用场景，并满足了传统网关的基准性能。
中圖分類號： TP391.4
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.06.003
引用格式： 宋磊，黃希. 面向工控現場應用的邊緣網關架構設計和性能評估[J].信息技術與網絡安全，2021，40(6)：15-21.
文獻標識碼： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.06.003
引用格式： 宋磊，黃希. 面向工控現場應用的邊緣網關架構設計和性能評估[J].信息技術與網絡安全，2021，40(6)：15-21.
Architecture design and performance evaluation of edge gateway for industry controlling system
Song Lei1，Huang Xi2
1.Beijing Rayland Technology Co.，Ltd.，Beijing 100083，China； 2.Institute of Computing Technology of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
Abstract： 工业现场控制作为边缘网关的典型应用场景，是物联网与人工智能交叉学科的研究热点。在场景中，传感器的数据经过高速无线网络汇集至边缘网关，算法模块根据传感器数据向设备发送控制指令，完成控制闭环。与传统网关仅仅收集和转发数据相比，边缘计算网关还承担了数据加工和控制生成的重要功能，所以其安全与性能显得尤为重要。针对边缘网关中的安全与性能要求，提出了一种工业边缘网关架构，该架构在基于X86的Linux平台上进行了模拟仿真和实机测试，结果表明该边缘网关可以满足工业现场控制的典型应用场景，并满足了传统网关的基准性能。
Key words : edge computing；Industrial Internet of Things(IIoT)；active security；industrial field control
0 引言
邊緣網關是當前國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域[1]，它綜合了人工智能技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術、分布式控制技術等。邊緣網關技術完美地對應了工業(yè)現場控制這一應用場景，極大地拓寬了計算機技術和自動化技術在工控行業(yè)的應用范圍[2]。
現代工廠設置了大量的現場傳感器，包括振動、聲音、視頻、電化學參量。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制架構里，大部分傳感信號經過工業(yè)總線被收集到工控電腦端，之后工控電腦將控制指令通過現場總線傳輸到被控機器上[3]。在這一控制架構下，存在兩種結構性的限制：(1)由于網絡帶寬的限制和網關轉發(fā)延遲的存在，被控機器傳輸到控制機器的信號的比特率有限制，其類型往往被限制在一維低速信號，例如溫濕度、振動或者編碼器讀數；(2)由于現有控制信號生成算法絕大部分還是由布爾代數邏輯構成，用來參與控制的信號需要是確定性信號，例如限位信號、溫濕度信號和三坐標值等[4]。在上述兩種限制下，類似圖像、激光點云、溫度場和光場這種二維甚至三維序列，因為帶寬消耗大，不確定性高，很難進入實時控制閉環(huán)，而僅僅是作為監(jiān)控或者故障檢測的旁路信號，作用比較有限[5]。
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作者信息：
宋 磊1，黃 希2
(1.北京樂軒銳藍科技有限公司，北京100083；2.中國科學院計算技術研究所，北京100190)
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