边缘计算如何重新定义 IIoT 应用程序

与企业 IT 不同，工业应用程序在“真实世界”环境和极端户外条件下运行。考虑部署在崎岖的远程作战地形中以收集关键任务监视数据的军用无人机的示例。天气条件极端，互联网连接断断续续。尽管存在这些情况，无人机仍必须收集数据，然后实时处理和传输数据。此外，无人机必须根据数据分析做出明智的决策。在这种情况下，仅依赖云计算是不切实际的。对于时间敏感的实时操作，大部分处理、存储和分析必须在无人机本身本地进行。这就是边缘计算的用武之地。

边缘计算标志着工业物联网的新时代

云计算一直是物联网 (IoT) 架构的核心组成部分，用于处理和分析传感器数据并生成可操作的见解。在集中式数据中心或第三方云设施中处理数据需要为每个决策额外往返于云。对于时间敏感的工业应用，例如军用无人机、能源发电厂、互联车队等，相关延迟是不可接受的。

发送到云端的每一位数据都需要花费金钱和宝贵的带宽。可靠的互联网连接是传输数据的主要要求。此外，由于单点故障，云中的安全漏洞可能会对关键任务工业应用程序产生不利影响。

边缘计算补充了云计算。在边缘（或雾）计算中，大部分处理都是在靠近数据源的地方完成的。在许多情况下，这可能意味着计算、存储和分析发生在与物联网设备并置的边缘网关中。例如，自动驾驶汽车可以通过处理车辆本身的时间序列数据，在路上行驶时立即做出机动和控制决策。

边缘计算设备通常重量轻，支持多种外形。有时边缘计算也可以指可以在本地硬件或虚拟化环境中运行的与硬件无关的软件组件。

边缘计算是工业物联网 (IIoT) 应用的重大突破，因为它满足了一些基本要求。

实时决策：通过在数据源附近处理数据，延迟可以从几分钟减少到几毫秒。例如，智能电网配电网络具有高度时间敏感的控制和保护回路。当在网格网络中检测到异常时，边缘计算纠正控制命令可以立即实时发送到执行器。本地化计算不依赖于网络连接。因此即使在连接断断续续的情况下也能保证可靠的性能。

克服大数据挑战：工业应用涉及大量时间序列数据。并非所有这些数据都需要数据中心的强大计算能力。本地处理大大减轻了将数据上传到云端的负担。此外，机器学习应用程序可以更高效地运行以检测异常并预测故障。

加快物联网与遗留平台的集成：边缘网关具有协议转换功能，支持对运行专有技术的遗留设备进行数据处理，否则这些设备无法与开放网络集成。

提高数据安全性：边缘计算允许在防火墙内管理大量资产，并通过限制到云的往返数据传输来减少攻击面。然而，边缘计算并不能取代云计算。将资源密集度较低的任务卸载到边缘可以实现更智能的工业应用。对时间不太敏感的高级分析仍然依赖于强大的基于云的服务。如图 1所示，边缘和云都保持与物理设备准实时同步的设备状态信息（数字副本）。

图 1：边缘计算和云计算是状态同步的。（来源：实用工业物联网安全，Packt Publishers）

让我们回顾一下军用无人机的例子：当无人机在空中飞行时，边缘计算使其能够与地面部队和指挥中心实时通信，而无需依赖云连接和相关的延迟。返回基站后，无人机可以将数据上传到云端以进行高级分析和洞察。因此，对于 IIoT 应用程序，边缘计算和云计算可以协同工作。

保护边缘

由于暴露于极端户外条件和物理篡改，设计具有足够安全控制的边缘设备非常重要，例如安全设备操作系统、防篡改硬件、基于硬件的信任根和密钥存储。操作系统需要支持安全启动和更新、用于数据传输的加密隧道、基于策略的白名单等。

硬件制造商的新机遇

云计算技术大多与行业无关。例如，银行和医疗保健应用程序都可以使用相同的云平台。然而，边缘计算涉及处理、存储、延迟等用例特定要求。深水钻井应用中的延迟要求与智能电网中的延迟要求大不相同。这为边缘计算硬件打开了跨行业的广泛机会。

麦肯锡及其公司的一项市场研究涵盖了 11 个行业，包括 100 多个用例，其中边缘计算硬件到 2025 年的潜在价值将达到 2000 亿美元。硬件价值包括整个堆栈的各个组件的机会，即传感器、处理器、设备上的固件和存储。

边缘软件通常基于 Docker 容器，并且与底层硬件和操作系统无关。

结论

边缘计算是 IIoT 的重大突破，因为它使任务关键型 IIoT 应用程序能够实时运行。该技术提高了带宽利用率，通过降低运营成本节省了资金，并且即使在互联网连接断断续续的情况下也能实现平稳运行。此外，边缘计算并没有取代云计算，而是增强了云计算，为硬件供应商打开了新的市场机会。

Sravani Bhattacharjee 担任数据通信技术专家已有 20 多年。她是《实用工业物联网安全》一书的作者，这是第一本关于工业物联网安全的书籍。直到 2014 年，作为思科的技术领导者，Sravani 领导了多个企业云/数据中心解决方案的架构规划和产品路线图。作为 Irecamedia.com 的负责人，Sravani 目前与工业物联网创新者合作，通过制作各种编辑和技术营销内容来推动意识和业务决策。Sravani 拥有电子工程硕士学位。她是 IEEE 物联网分会的成员、作家和演讲者。

审核编辑黄宇