面向工業互聯網OLT 融合邊緣計算的探索

甘雨瑩，孫 慧，梁真銘

(中國電信股份有限公司上海研究院，上海 210043)

0 引言

隨著工業互聯網的快速發展，工業場景中對邊緣計算的應用需求越來越多，其中包括數據預處理、低時延、多接入以及安全和隱私等。這也導致數據傳送量不斷增加，海量終端接入及數據傳輸、處理、存儲的需求極大地增加了網絡負荷，并對網絡帶寬提出了更高的需求。表1列舉了一些工業典型場景對邊緣計算的需求。

表1 典型工業場景對邊緣計算的需求

隨著工業PON 技術的不斷成熟，在性能、成本、可靠性和可管控等方面均具有了優勢。工業PON 已成為工廠內連接的全新可選方案。相比于普通PON 技術，工業PON 在網絡性能(如時延、抖動、QoS 等)，網絡安全性(如數據安全、用戶認證等)和接口多樣性等方面具有更高的要求。OLT 融合邊緣計算在工業PON 領域的應用可以在邊緣完成數據采集，保證數據的安全性，并且通過短距數據分析和近實時操作下發，滿足工業領域低時延應用的要求。

1 OLT 融合邊緣計算的技術方案

1.1 OLT 內置型邊緣計算

1.1.1 具有增值功能的OLT 內置型邊緣計算

OLT 內置型邊緣計算業務板卡提供增值功能的場景下，內置型邊緣計算業務板卡不具有獨立管理能力，與普通OLT 板卡一樣，通過OLT 內部的控制通道和轉發通道進行通信，設備外部不可見。主控板、PON 板卡、ETH 板卡的CPU 之間采用控制通道進行通信，轉發面之間通過交換矩陣、線卡NP、內置型邊緣計算業務板卡服務器之間通過轉發通道進行通信。

如圖1 所示，OLT 的主控板由控制CPU 和交換芯片構成，通過以太網/ATM 交換。線卡由控制CPU 和MAC芯片及NP/ASIC 芯片構成。主控板的控制CPU 和線卡的控制CPU 之間的通信通道叫控制通道，而主控板交換芯片和線卡MAC/NP/ASIC 芯片之間的通信通道叫轉發通道。控制通道承載控制信息，轉發通道轉發用戶數據。內置型邊緣計算業務板卡用于OLT 增值功能時，其控制CPU 與主控板的控制CPU 通過控制通道通信，其處理業務的服務器相當于其他板卡中的MAC/NP/ASIC芯片，與主控交換芯片通過轉發通道聯系。控制通道和轉發通道都是通過以太網模塊實現板間連接，控制通道一般采用簡單的二層以太網交換實現，轉發通道可以是以太網技術。

當工廠終端設備與內置型邊緣計算業務板卡中的應用在同一個VLAN 內，則OLT 只需在PON 板卡NP/ASIC芯片和內置型邊緣計算業務板卡的以太網模塊之間配置相同二層VLAN，如圖2 所示。

當工廠終端設備與內置型邊緣計算業務板卡中的應用不在同一個VLAN 內，則工廠終端設備與邊緣計算業務板卡中的應用之間需要跨VLAN 的三層路由通信，而三層路由通信一般由OLT 上層設備(如BRAS)提供。不同二層VLAN 連接如圖3 所示。

1.1.2 具有通用功能的OLT 內置型邊緣計算

OLT 內置型邊緣計算業務板卡提供通用功能的場景下，通過內置以太網模塊與OLT 背板連接，業務連接同增值功能相似，內置型邊緣計算業務板卡具有獨立管理能力。

圖1 OLT 內置型邊緣計算方案（增值功能）

圖2 相同二層VLAN 連接

圖3 不同二層VLAN 連接

OLT 作為網絡設備由EMS 管理，內置型邊緣計算業務板卡具備面板獨立的網絡接口連接PIM 管理系統，通過PIM 納入符合ETSI NFVI 的整體管理體系，實現管理配置的自動化，如圖4 所示。

硬件資源管理(PIM)，管理功能如下：

(1)配置管理功能：①內置型邊緣計算業務板卡上電、下電、重啟操作；②基本輸入輸出系統(BIOS)配置，滿足用戶對系統從不同介質啟動的需求；③基板管理控制器(BMC)配置。

圖4 獨立網絡接口連接PIM 管理系統

(2)告警管理功能：告警解析、當前告警、歷史告警、告警確認、告警清除、告警導出、告警屏蔽、事件瀏覽、遠程通知等。

(3)性能管理功能：提供測量任務和門限任務的管理功能、提供性能指標數據的實時監測功能、提供監視指標的歷史數據查詢功能等。

上層軟件管理由VNF/APP 的相應管理系統承擔。

OLT 內置型邊緣計算采用內置板卡的形式，支持工業互聯網大視頻、大流量、低時延等典型應用場景，其價值體現在：(1)利用PON 接入的高帶寬、就近服務、低時延、低丟包等特性，可以有效提升視頻類網絡質量；其次是有效卸載流量，節約上層網絡帶寬，降低網絡開銷；(2)在無需改造機房的條件下按需引入邊緣計算存儲資源，有效利用OLT 已有資源，無需額外的機房占用空間，支撐接入網絡NFV 化和高帶寬邊緣計算業務的開展。

1.2 OLT 外置型邊緣計算

工廠中設備接入到工業網關，工業網關上行流量經過OLT 上聯口，根據VLAN ID 識別業務流，通過L2 轉發到交換機，交換機轉換為L3 路由至對應服務器。下行流量由服務器轉發給交換機，交換機根據終端目的IP路由至特定LAN 口，在LAN 口封裝為L2 后轉發給OLT，如圖5 所示。

(1)路由轉發

圖5 OLT 外置型邊緣計算方案

邊緣計算平臺與APP 之間：①邊緣計算平臺基于轉發規則向轉發平面下發指令；②數據轉發平面并在各種應用、服務和網絡之間進行流量的路由；③邊緣計算平臺支持DNS 代理服務器的配置，將數據流量重定向到對應的應用和服務。

(2)管理功能

邊緣計算平臺包括數采、轉碼等APP 和本地管理平臺等，對工廠現場網絡進行管理，當本地無法處理時，可以通過集中網管。

本地管理平臺：①APP 生命周期管理，包括邊緣應用程序的創建和終止；②APP 規則和需求管理，包括認證、流量規則、DNS 配置和沖突協調等。

集中網管平臺：①掌控邊緣計算網絡的資源和容量，包括所有已經部署好的邊緣計算平臺和服務、可用資源、已經被實例化的應用以及網絡的拓撲等；②工廠需要進行的邊緣計算平臺切換。

OLT 外置型邊緣計算與工廠5G 網絡UPF 實現固移融合，統一承載工業場景的移動接入、Wi-Fi 接入以及固網接入。通過云邊協同的設備接入管理，在云端能夠對云直連接入或通過邊緣計算節點接入的設備進行統一管理，便于對工廠大范圍內的設備統一監管掌控。

2 OLT 融合邊緣計算方案比較

目前，工廠在實時業務、數據聚合、數據本地化等需求愈加迫切，針對工廠的典型應用場景，如工業視覺檢測、機器人巡邏車等，在OLT 融合邊緣計算方案中進行探索。

工業視覺檢測：基于內置型邊緣計算實現對生產車間內各種設備質量的自動化檢測，檢測數據回傳到邊緣計算進行實時分析。該方案需在有限的板卡內引入更強的圖形計算能力。

機器人巡邏廠區：基于5G 技術與外置邊緣計算融合，實現對園區巡邏機器人的控制、視頻回傳。該方案由于巡邏區域在室外，需通過5G 網絡與邊緣計算的結合，實時進行監控危險行為分析、安全監測。

通過對以上方案的分析，從適用工廠場景情況、優缺點幾個維度進行比較。如表2 所示，工廠可根據對邊緣計算不同的場景需求選擇不同的方案。

表2 OLT 融合邊緣計算三種方案的比較

3 結論

邊緣計算的興起和接入網絡的虛擬化潮流，使得運營商在接入機房引入計算存儲設施日益迫切。通過OLT融合邊緣計算業務板卡滿足邊緣計算和網絡虛擬化對計算存儲基礎設施的需求。利用PON 接入和邊緣計算技術的高帶寬、就近服務、低時延以及低丟包等特性，有效支撐工業互聯本地業務的智能化處理，滿足網絡的實時需求。工業互聯網領域典型行業由于數字化、智能化水平不一，對邊緣計算的需求也不盡相同，還需芯片、模組、通信技術、網絡、系統平臺等整個邊緣計算生態鏈的伙伴們共同推動工業互聯網的發展。