面向工控現場應用的邊緣網關架構設計和性能評估
信息技術與網絡安全
宋磊，黃希
(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)
摘要： 工業現場控制作為邊緣網關的典型應用場景，是物聯網與人工智能交叉學科的研究熱點。在場景中，傳感器的數據經過高速無線網絡匯集至邊緣網關，算法模塊根據傳感器數據向設備發送控制指令，完成控制閉環。與傳統網關僅僅收集和轉發數據相比，邊緣計算網關還承擔了數據加工和控制生成的重要功能，所以其安全與性能顯得尤為重要。針對邊緣網關中的安全與性能要求，提出了一種工業邊緣網關架構，該架構在基于X86的Linux平臺上進行了模擬仿真和實機測試，結果表明該邊緣網關可以滿足工業現場控制的典型應用場景，并滿足了傳統網關的基準性能。
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： 工業現場控制作為邊緣網關的典型應用場景，是物聯網與人工智能交叉學科的研究熱點。在場景中，傳感器的數據經過高速無線網絡匯集至邊緣網關，算法模塊根據傳感器數據向設備發送控制指令，完成控制閉環。與傳統網關僅僅收集和轉發數據相比，邊緣計算網關還承擔了數據加工和控制生成的重要功能，所以其安全與性能顯得尤為重要。針對邊緣網關中的安全與性能要求，提出了一種工業邊緣網關架構，該架構在基于X86的Linux平臺上進行了模擬仿真和實機測試，結果表明該邊緣網關可以滿足工業現場控制的典型應用場景，并滿足了傳統網關的基準性能。
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。在傳統的工業控制架構里，大部分傳感信號經過工業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，而僅僅是作為監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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