基于微服務架構的工業互聯網邊緣計算網關設計與實現

葉成景，楊葉芬

（1.廣東科學技術職業學院 機器人學院，廣東 珠海 519090；2.廣東科學技術職業學院 計算機工程技術學院，廣東 珠海 519090）

0 引 言

基于微服務架構的工業互聯網邊緣計算網關設計過程中，需要合理劃分網關結構功能，制定專項可行的網關設計方案。現階段，工業互聯網邊緣計算網關應設有協議適配層、基礎服務層、應用服務層及云邊交互層，確保網關能夠適應各類工業傳感器通信協議，提升傳感器協調運行水平。

1 工業互聯網邊緣計算網關設計現狀及重要意義

1.1 工業互聯網邊緣計算網關設計現狀

工業互聯網邊緣計算網關設計是實現工業互聯網升級改造的重要基礎，主要承擔連接不同種類傳感器、云平臺的重要職責。從理論研究角度分析，關于工業互聯網邊緣計算網關的研究較多，具體涉及工業互聯網邊緣計算網關系統架構、網關設備接入、組網研究工作等[1]。其中，工業互聯網邊緣計算網關體系架構形式較多，如全自動配置網關等。此種網關在具體運行過程中可與涉及到的設備建立密切關聯，并結合設備運行特征優化通信渠道。以路由器為主的智能家居網關現有應用范圍也逐步擴大，能夠為網絡邊緣提供決策性服務，為不同用戶提供自動識別功能。

通過研究邊緣網關資源分配任務完成情況，配合使用回歸準入控制及模糊加權排隊手段分析分布式網絡結構內網絡資源分配狀態。構建自適應算法解決分布式網絡系統內資源分配問題，進一步優化工業互聯網邊緣計算網關功能。

1.2 工業互聯網邊緣計算網關設計重要意義

隨著社會經濟與科學技術發展速度不斷加快，工業領域生產經營建設全過程對互聯網的依賴程度日漸提升。工業互聯網內部包括傳感器節點、網關、工業云平臺。傳感器節點多為輕型級的嵌入式設備，在實際運行過程中具有能耗低、組合靈活等特征，可實現對工業設備運行狀態的感知、管控目標。通過將收集到的工業設備數據上傳至云計算中心，及時發現設備運行期間存在的各類問題，制定出專項可行的運維技術方案，進一步提高工業生產管理水平[2]。

現階段工業互聯網中接入了大量傳感器設備，構建起了全方位、多感知的工業制造新服務體系，促進了工業互聯網及工業制造領域的有機融合。國家及有關部門針對工業互聯網發展工作制定了更為詳盡的規劃，要求工業互聯網發展應當以構建高質量、低延時的外網為基礎，支持企業升級工業互聯網系統，構建起高質量園區網絡體系，于工業生產中落實5G通信、人工智能等先進技術。

工業互聯網運行期間涉及到的傳感器數量較多，實際接入難度較大。不同傳感器所使用的協議、傳輸網絡及數據解析存在較大差異，無法構建起統一可靠的運行框架與協議。此外，傳感器運行期間產生的數據量巨大，數據傳輸壓力提升，經常會出現信息傳輸通道堵塞、運行延時等問題，嚴重影響到工業生產質量與效率。由此可見，在現階段工業互聯網發展過程中，需要基于微服務架構設計出符合工業生產特征及生產要求相符的互聯網邊緣計算網關，進一步提升各傳感器及系統的可擴展性[3]。

2 微服務架構下工業互聯網邊緣計算網關設計流程

在傳統工業互聯網的單體架構軟件中，所有功能均處于同一模塊內，系統運行時的耦合性較強，但擴展性較差。如果需要傳輸的數據較多，系統將難以正常運行。微服務模式就是將整體應用程序劃分為更小的可獨立管理的服務項目，借助跨語言協議實現獨立服務管理目標，確保各服務工作高質高效開展。

2.1 工業互聯網邊緣計算網關設計需求

在傳統網絡架構中，網關是一種處于網絡中間層的設備，主要充當不同網絡通信協議消息轉換的媒介。網關是數據包匯聚中心，能夠對數據包進行快速轉換與傳輸。除此之外，網關還是數據匯集點，可切實保障數據傳輸器件的安全性，避免在數據傳輸過程中受到外界環境的不利影響。現階段物聯網技術發展速度逐漸加快，越來越多的傳感器設備接入到網關內，網關運行期間的優勢更為顯著。隨著工業互聯網及邊緣計算形式更加成熟，網關結構被更加廣泛地應用在工業生產與各項管理活動中。通過接收底層傳感器固定模式數據，將數據上傳到上層協議，轉發數據包。對聚合數據包內容展開分析，為外部網絡數據提供相應接口[4]。

根據現階段工業互聯網發展趨勢，需要結合邊緣計算與微服務架構優化工業生產環境下的互聯網網關。具體來說，工業互聯網邊緣計算網關在具體運營期間應當滿足以下要求。

（1）選擇適宜的工業互聯網協議，確保互聯網協議可以傳遞更加可靠的通信資源。結合傳感器運行期間的數據解析操作流程，設置關鍵檢索信息，滿足各類數據變化格式要求。

（2）提高設備管理水平。借助工業互聯網邊緣計算網關，對工業互聯網中涉及到的傳感器設備進行統一管控，實現線上靈活配置設備的目標。

（3）實現卸載任務。工業互聯網邊緣計算網關要能夠依據資源占用情況決定任務執行位置，卸載任務。選擇合適的工業互聯網傳感器設備調度制度，對網關集群進行全面調度，從根本上提升系統在運行期間的執行效率。

（4）設計云邊交互接口，為工業互聯網邊緣計算網關及云平臺搭建統一的交互管理渠道，進一步提升網關與云平臺數據交互期間的效率及安全性[5]。

（5）在工業互聯網邊緣計算網關的協議適配層中，需要對異構傳感器和傳感器中不同的工業互聯網傳輸協議進行細致分析。借助適配層將傳輸數據格式進行統一整合，從根本上保障數據采集與分析效率，提升網關資源利用率。加強云邊交互層中的云平臺訪問網關交互，為系統運行提供更加可靠的異步信息服務。

2.2 協議適配層設計

協議適配層主要用于解決傳感器接入器件的異構問題，對傳感器接入期間的協議以及數據包格式進行統一化處理，將傳輸控制指令轉化為傳感器可識別格式。使用協議驅動方式接收協議數據包，根據解析規則將數據轉化為統一格式。將系統上層要求轉發至協議適配層中，確保各類協議能夠基于協議適配層轉化為驅動程序，滿足底層傳感器控制目標。

在協議適配層設計過程中，可以結合微服務架構選擇適宜的協議適配管理模塊，對不同協議驅動、參數配置及數據解析方式進行全面管控。協議適配管理模塊應用REST接口對用戶操作進行全面管控，用戶也可應用REST接口動態分配通信資源，構建通信渠道，避免傳感器通信形式存在較大差異[6]。在實現協議驅動管理目標過程中，不同協議方式存在較大差異，需要結合協議特征開展適配工作。網關及傳感器通信可分為同步通信、異步通信兩種類型。同步通信主要將請求經過處理后傳回給網關，在此種通信模式下，一條請求需要對應一條響應。異步通信主要利用網關接收傳感器發來的信息，傳感器為主動一方，網關則為被動接收一方。

2.3 基礎服務層設計

基礎服務層設計水平會直接影響到工業互聯網邊緣計算網關功能，為上層應用裝置提供必要服務。基礎服務層內可分為遠程配置服務、傳感器設備服務、數據存儲服務。其中，遠程配置服務主要用于外界設備網關結構狀態查詢、網關配置接口，可獲取遠程狀態數據，對網關配置進行更新。在任務卸載及調度期間，可以借助基礎服務系統全程監管網關CPU、內存裝置，并為設備提供添加、查找、刪除等功能[7]。基礎服務層負責遠程配置服務、傳感器設備管理服務等。其中，遠程配置服務包括網關狀態遠程獲取、網關遠程配置，遠程獲取網關運行基本設施以及基本狀態數據，如CPU使用率、內存大小等。傳感器設備管理服務主要是在傳感器裝置運行期間使用適配服務與傳感器建立通信關系。如果通信成功，設備管理服務裝置會記錄設備運行狀態、并將設備運行數據傳輸給數據庫，數據庫與傳感器建立通信協議，從根本上提升傳感器管理水平。

2.4 任務應用層設計

在任務應用層設計期間，需要借助網關定義工業生產時需要使用到的數據處理方式，對數據進行特征提取、降維處理，進一步提高海量數據資源利用率。如果數據庫設計存在資源不足的問題，則任務應用層還需要對歷史數據進行清除[8]。任務應用層設計過程中，應著重構建任務調度模型。結合工業互聯網邊緣計算網關任務卸載要求，實現多級任務卸載目標。當前邊緣服務器主要為普通邊緣服務器、高性能邊緣服務器。其中，高性能邊緣服務器的服務性能良好，卸載效率更高。

為了有效解決網關信號覆蓋面不足問題，還可以將網關與可通信基站集合在一起，設定成通信域。工業互聯網被通信域全覆蓋，可以使無線傳感器的運行狀態得到全方位管控。通信域內的網關需要處理大量計算任務，計算任務可以結合具體情況在邊緣服務器或網關本地執行。在通信域內的邊緣服務器計算資源不足、計算任務量過大的情況下，還可以將任務卸載至邊緣服務器內，由邊緣服務器高質量完成執行工作，從根本上提高工業設備運行數據處理效果。

2.5 云邊交互層設計

云邊交互層主要用于管理工業云平臺、網關數據交互等，具備數據導出服務。同時可以借助API網關接口有效查詢歷史數據，從根本上提升網絡傳輸的安全性[9]。云邊交互層設計主要包括數據導出服務設計、API網關設計等。其中，數據導出服務設計需要滿足傳感器運行數據的輸出要求，結合數據傳輸實時性能導出實時數據或歷史數據。實時數據的導出需要配合使用專項傳輸協議，通過對比網關數據平臺、通信協議、解密方式，建立統一的數據出口，提供更加可靠的數據導出服務。在工業生產過程中遇到斷電或設備重啟等情況時，極易出現配置數據丟失問題，需要增加網關結構的導出服務管理功能，將數據信息備份傳輸至數據庫內。在網關重啟后，由數據庫加載數據，使設備能夠恢復到關機前狀態，導出網關歷史數據。用戶可借助通信接口發送數據篩選條件，查詢數據輸出格式。檢查歷史數據導出管理請求，如果檢查結果未通過，則需要向用戶反饋檢查信息。結合數據篩選條件，從數據庫中查詢指定信息，對數據輸出格式進行整理，整理后的數據需要及時反饋給用戶。

在API網關設計中，各服務分布在不同物理主機處，用戶借助云平臺訪問網關時經常會出現外界用戶不明確網絡拓撲結構、服務部署IP地址等問題。為使網關結構始終保持高效穩定運行狀態，應著重設計數據服務請求環節。在API網關中，需要將網關結構作為唯一入口，對外界服務請求進行統一管控。由API網關尋找對應服務，并將服務請求轉發對相應服務器。

3 結 論

總而言之，在微服務框架中開展工業互聯網邊緣計算網關設計工作，需要細致分析當前互聯網環境中存在的邊緣計算不統一問題，不斷優化邊緣計算網關軟件功能。使用功能完善的數據庫軟件對工業生產期間的多節點數據展開采集、存儲等工作，滿足工業互聯網邊緣計算網關雙向控制與遠程網絡存儲要求。經過實際驗證發現，設計出的工業互聯網邊緣計算網關在采集周期大于500 ms的情況下不會出現丟包問題，網關運行較為可靠。