工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 預(yù)示著許多行業(yè)的現(xiàn)代化新浪潮，客戶和內(nèi)部利益相關(guān)者要求在各個垂直行業(yè)的生產(chǎn)力、管理、安全性和靈活性方面取得進(jìn)步。然而，IIoT部署在（很大程度上）手動管理的基礎(chǔ)設(shè)施方面繼續(xù)面臨相當(dāng)大的逆風(fēng)，這些基礎(chǔ)設(shè)施大多不安全且設(shè)置為孤島。霧計(jì)算通過在信息技術(shù) （IT） 工具集的框架內(nèi)提供對運(yùn)營技術(shù) （OT） 基礎(chǔ)設(shè)施的安全訪問，為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)提供了一種創(chuàng)新的解決方案。

［圖1|典型工廠的布局］

圖 1 顯示了典型工廠的布局，服務(wù)和工作負(fù)載在頂層（例如工廠數(shù)據(jù)中心）更加以 IT 為中心，并且隨著它們向較低層（例如工廠機(jī)器）移動，它們逐漸以 OT 為中心。軟件定義的資源分配和管理在霧計(jì)算范式中越來越受歡迎，因?yàn)樗构S運(yùn)營商能夠更“適應(yīng)”他們的未來需求。從網(wǎng)絡(luò)的角度來看，這轉(zhuǎn)化為使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）在整個工廠車間實(shí)施虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）。

圖 2 顯示了典型 SDN 解決方案的一個視圖，包括以下組件。

標(biāo)清網(wǎng)應(yīng)用

允許 SDN 應(yīng)用程序與 SDN 控制器通信的北向接口 （NBI）

標(biāo)點(diǎn)控制器

允許標(biāo)清控制器與標(biāo)清器數(shù)據(jù)路徑通信的標(biāo)高控制數(shù)據(jù)平面接口 （CDPI）

SDN 數(shù)據(jù)路徑

負(fù)責(zé)整個解決方案的策略實(shí)施和性能監(jiān)控的管理和行政職能

在以IT為中心的環(huán)境中，上述每個組件都是使用大量開源（和一些封閉的）解決方案實(shí)現(xiàn)的。其中更突出的包括開放堆棧，VMware NSX，思科全數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等。

［圖2 |標(biāo)清器內(nèi)部組件］

然而，IIoT環(huán)境對SDN生態(tài)系統(tǒng)引入了一些限制，需要重新設(shè)計(jì)一些SDN組件。

惡劣的操作環(huán)境，導(dǎo)致大多數(shù)無風(fēng)扇計(jì)算系統(tǒng)。這些無風(fēng)扇設(shè)計(jì)嚴(yán)重削減了可用計(jì)算量，主要是由于對其可用熱裕量的限制。雖然新的處理器設(shè)計(jì)在每瓦性能的基礎(chǔ)上不斷突破極限，但可以合理地假設(shè)（在可預(yù)見的未來）這些無頭系統(tǒng)將落后于（有時相當(dāng)顯著）落后于典型的數(shù)據(jù)中心環(huán)境的表親。

與數(shù)據(jù)中心環(huán)境不同，典型工廠車間的計(jì)算大多是稀疏的，通常不是普遍可訪問的（參見圖 1）。這引入了 SDN 組件的縱向擴(kuò)展和橫向擴(kuò)展問題。

將SDN組件與客戶的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行共置，以及電量不足的可用計(jì)算，需要重新考慮這些SDN組件是如何實(shí)現(xiàn)的（并且它們彼此相互連接）。

在典型的工廠車間（尤其是自下而上）中缺乏有凝聚力（和有效）的邊界（就防火墻，BUM速率監(jiān)察器等而言），這意味著這些SDN組件需要特別注意其可用性和彈性。從計(jì)算的角度來看，這些考慮使已經(jīng)很糟糕的情況變得更糟。

考慮一個基于虛擬網(wǎng)絡(luò)功能 （VNF） 的解決方案的簡單示例，該示例涉及：

學(xué)習(xí)的橋梁

連接到上述學(xué)習(xí)橋的多個虛擬機(jī)（或容器）

連接到上述學(xué)習(xí)橋的一個或多個機(jī)器或傳感器

防火墻來限制上述通信端點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流

操作員管理防火墻的一些方法

［圖3|作為 VNF 實(shí)現(xiàn)的示例拓?fù)洌?/p>

表 1 總結(jié)了 VNF 解決方案映射到 SDN 組件的方式，以及如何實(shí)現(xiàn)這些組件（內(nèi)核空間與用戶空間）。

［表1|Linux 工具與 OVS 的比較］

表 2 顯示了 SDN 組件使用 （a） Linux 工具（使用 Linux 橋接和 Linux 防火墻）和 （b） OVS 處理各種流量類型的方式。

［表2|穩(wěn)定狀態(tài)下 Linux 工具與 OVS 的比較］

由于整個解決方案都是在軟件中實(shí)現(xiàn)的，因此在選擇與IIoT部署相關(guān)的任一選項(xiàng)時，必須枚舉設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

控制器和 CDPI 之間的通信是軟件切換的（要么并置在同一計(jì)算上，要么跨工廠網(wǎng)絡(luò)），因此會消耗 CPU 周期

控制器本身消耗 CPU 周期

OVS 解決方案涉及由 CDPI 代理和控制器（兩者都在用戶空間中實(shí)現(xiàn)）處理的平底船（即異常和慢速路徑協(xié)議）流量。這與 Linux 工具解決方案形成鮮明對比，后者完全在內(nèi)核內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)平面內(nèi)處理此流量。因此，OVS 解決方案會在每個 punt 數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上產(chǎn)生上下文切換（內(nèi)核和用戶空間之間）的開銷。在存在網(wǎng)絡(luò)干擾的情況下，這些上下文切換開銷可能會變得非常嚴(yán)重（例如，由于端點(diǎn)故障而導(dǎo)致的流量泛濫，預(yù)期流量的突發(fā)，網(wǎng)絡(luò)重組導(dǎo)致STP重新計(jì)算等）。

通常，IIoT 環(huán)境中的 SDN 部署需要考慮以下廣泛的注意事項(xiàng)

CPU 內(nèi)核計(jì)數(shù)很重要。VNF需要在CPU內(nèi)核方面在本地擴(kuò)展。此外，可用 CPU 內(nèi)核的數(shù)量越多，就越容易將 VNF“固定”到特定內(nèi)核，從而提供更高的性能和彈性。通常，這不僅提高了 VNF 的可用性，還提高了客戶業(yè)務(wù)邏輯的可用性。

單線程性能至關(guān)重要。由于 IIoT 環(huán)境中的橫向擴(kuò)展困難，VNF 必須具有計(jì)算余量來處理網(wǎng)絡(luò)工作負(fù)載的突發(fā)。由于典型的 VNF 是單線程的，因此更高的單線程性能將使整個 SDN 解決方案具有更好的性能。

熱包絡(luò)很重要。由于IIoT環(huán)境通常采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，因此有效的SDN解決方案要求CPU內(nèi)核和單線程性能在較低的散熱范圍內(nèi)可用。

VNF 卸載很重要。雖然考慮 DPDK 和 IOVisor 等快速路徑卸載是有好處的，但這些卸載仍然針對以 IT 為中心的工作負(fù)載進(jìn)行了調(diào)整。例如，英特爾的 DPDK 需要為 DPDK 處理保留幾個 CPU 內(nèi)核。這不適合IIoT環(huán)境，因?yàn)檫@些環(huán)境中的計(jì)算受到核心數(shù)量的挑戰(zhàn)。需要的不僅僅是卸載一般的快速路徑，而是卸載整個VNF。這并不意味著IIoT環(huán)境需要采用專用路由器和交換機(jī)。相反，卸載需要包括可重新配置的FPGA。每個VNF IP都可以針對IIoT環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)每次使用情況刷新到可用的FPGA上，以便在工廠車間使用。這不僅減輕了VNF的功能，還減輕了VNF的慢速路徑（和其他控制平面）方面，從而減輕了處理網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的微弱IIoT計(jì)算。

軟件堆棧很重要。以 IT 為中心的 SDN 軟件堆棧缺乏在 IIoT 環(huán)境中運(yùn)行所需的優(yōu)化。這樣的環(huán)境需要使用專門構(gòu)建的軟件堆棧，其中每個單獨(dú)的組件都經(jīng)過微調(diào)，以便在這些苛刻的設(shè)置中使用。例如，與 Linux 橋接（其中快速路徑和慢速路徑都駐留在內(nèi)核中）相比，OVS 將產(chǎn)生上下文切換成本（在內(nèi)核空間快速路徑和用戶空間慢速路徑之間）。

總結(jié)

霧計(jì)算是工業(yè)自動化下一個重大飛躍的關(guān)鍵，并且正在被多個工業(yè)垂直行業(yè)所接受，作為不僅對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)代化改造的手段，而且還將大規(guī)模自動化基礎(chǔ)設(shè)施中涉及的流程和可管理性工具集現(xiàn)代化。NFV是霧計(jì)算的一個重要方面，SDN迅速成為在IIoT環(huán)境中實(shí)現(xiàn)NFV的事實(shí)手段。

雖然以IT為中心的SDN概念可以映射到IIoT環(huán)境中，但工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員需要考慮一組非常不同的設(shè)計(jì)考慮因素，以便在這樣的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）的真正優(yōu)勢。