面向工控现场应用的边缘网关架构设计和性能评估
信息技术与网络安全
宋磊，黄希
(1.北京乐轩锐蓝科技有限公司，北京100083；2.中国科学院计算技术研究所，北京100190)
摘要： 工业现场控制作为边缘网关的典型应用场景，是物联网与人工智能交叉学科的研究热点。在场景中，传感器的数据经过高速无线网络汇集至边缘网关，算法模块根据传感器数据向设备发送控制指令，完成控制闭环。与传统网关仅仅收集和转发数据相比，边缘计算网关还承担了数据加工和控制生成的重要功能，所以其安全与性能显得尤为重要。针对边缘网关中的安全与性能要求，提出了一种工业边缘网关架构，该架构在基于X86的Linux平台上进行了模拟仿真和实机测试，结果表明该边缘网关可以满足工业现场控制的典型应用场景，并满足了传统网关的基准性能。
中图分类号： TP391.4
文献标识码： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.06.003
引用格式： 宋磊，黄希. 面向工控现场应用的边缘网关架构设计和性能评估[J].信息技术与网络安全，2021，40(6)：15-21.
文献标识码： A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2021.06.003
引用格式： 宋磊，黄希. 面向工控现场应用的边缘网关架构设计和性能评估[J].信息技术与网络安全，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： 工业现场控制作为边缘网关的典型应用场景，是物联网与人工智能交叉学科的研究热点。在场景中，传感器的数据经过高速无线网络汇集至边缘网关，算法模块根据传感器数据向设备发送控制指令，完成控制闭环。与传统网关仅仅收集和转发数据相比，边缘计算网关还承担了数据加工和控制生成的重要功能，所以其安全与性能显得尤为重要。针对边缘网关中的安全与性能要求，提出了一种工业边缘网关架构，该架构在基于X86的Linux平台上进行了模拟仿真和实机测试，结果表明该边缘网关可以满足工业现场控制的典型应用场景，并满足了传统网关的基准性能。
Key words : edge computing；Industrial Internet of Things(IIoT)；active security；industrial field control
0 引言
边缘网关是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域[1]，它综合了人工智能技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术、分布式控制技术等。边缘网关技术完美地对应了工业现场控制这一应用场景，极大地拓宽了计算机技术和自动化技术在工控行业的应用范围[2]。
现代工厂设置了大量的现场传感器，包括振动、声音、视频、电化学参量。在传统的工业控制架构里，大部分传感信号经过工业总线被收集到工控电脑端，之后工控电脑将控制指令通过现场总线传输到被控机器上[3]。在这一控制架构下，存在两种结构性的限制：(1)由于网络带宽的限制和网关转发延迟的存在，被控机器传输到控制机器的信号的比特率有限制，其类型往往被限制在一维低速信号，例如温湿度、振动或者编码器读数；(2)由于现有控制信号生成算法绝大部分还是由布尔代数逻辑构成，用来参与控制的信号需要是确定性信号，例如限位信号、温湿度信号和三坐标值等[4]。在上述两种限制下，类似图像、激光点云、温度场和光场这种二维甚至三维序列，因为带宽消耗大，不确定性高，很难进入实时控制闭环，而仅仅是作为监控或者故障检测的旁路信号，作用比较有限[5]。
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作者信息：
宋 磊1，黄 希2
(1.北京乐轩锐蓝科技有限公司，北京100083；2.中国科学院计算技术研究所，北京100190)
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