面向工业互联网OLT 融合边缘计算的探索

甘雨莹，孙 慧，梁真铭

(中国电信股份有限公司上海研究院，上海 210043)

0 引言

随着工业互联网的快速发展，工业场景中对边缘计算的应用需求越来越多，其中包括数据预处理、低时延、多接入以及安全和隐私等。这也导致数据传送量不断增加，海量终端接入及数据传输、处理、存储的需求极大地增加了网络负荷，并对网络带宽提出了更高的需求。表1列举了一些工业典型场景对边缘计算的需求。

表1 典型工业场景对边缘计算的需求

随着工业PON 技术的不断成熟，在性能、成本、可靠性和可管控等方面均具有了优势。工业PON 已成为工厂内连接的全新可选方案。相比于普通PON 技术，工业PON 在网络性能(如时延、抖动、QoS 等)，网络安全性(如数据安全、用户认证等)和接口多样性等方面具有更高的要求。OLT 融合边缘计算在工业PON 领域的应用可以在边缘完成数据采集，保证数据的安全性，并且通过短距数据分析和近实时操作下发，满足工业领域低时延应用的要求。

1 OLT 融合边缘计算的技术方案

1.1 OLT 内置型边缘计算

1.1.1 具有增值功能的OLT 内置型边缘计算

OLT 内置型边缘计算业务板卡提供增值功能的场景下，内置型边缘计算业务板卡不具有独立管理能力，与普通OLT 板卡一样，通过OLT 内部的控制通道和转发通道进行通信，设备外部不可见。主控板、PON 板卡、ETH 板卡的CPU 之间采用控制通道进行通信，转发面之间通过交换矩阵、线卡NP、内置型边缘计算业务板卡服务器之间通过转发通道进行通信。

如图1 所示，OLT 的主控板由控制CPU 和交换芯片构成，通过以太网/ATM 交换。线卡由控制CPU 和MAC芯片及NP/ASIC 芯片构成。主控板的控制CPU 和线卡的控制CPU 之间的通信通道叫控制通道，而主控板交换芯片和线卡MAC/NP/ASIC 芯片之间的通信通道叫转发通道。控制通道承载控制信息，转发通道转发用户数据。内置型边缘计算业务板卡用于OLT 增值功能时，其控制CPU 与主控板的控制CPU 通过控制通道通信，其处理业务的服务器相当于其他板卡中的MAC/NP/ASIC芯片，与主控交换芯片通过转发通道联系。控制通道和转发通道都是通过以太网模块实现板间连接，控制通道一般采用简单的二层以太网交换实现，转发通道可以是以太网技术。

当工厂终端设备与内置型边缘计算业务板卡中的应用在同一个VLAN 内，则OLT 只需在PON 板卡NP/ASIC芯片和内置型边缘计算业务板卡的以太网模块之间配置相同二层VLAN，如图2 所示。

当工厂终端设备与内置型边缘计算业务板卡中的应用不在同一个VLAN 内，则工厂终端设备与边缘计算业务板卡中的应用之间需要跨VLAN 的三层路由通信，而三层路由通信一般由OLT 上层设备(如BRAS)提供。不同二层VLAN 连接如图3 所示。

1.1.2 具有通用功能的OLT 内置型边缘计算

OLT 内置型边缘计算业务板卡提供通用功能的场景下，通过内置以太网模块与OLT 背板连接，业务连接同增值功能相似，内置型边缘计算业务板卡具有独立管理能力。

图1 OLT 内置型边缘计算方案（增值功能）

图2 相同二层VLAN 连接

图3 不同二层VLAN 连接

OLT 作为网络设备由EMS 管理，内置型边缘计算业务板卡具备面板独立的网络接口连接PIM 管理系统，通过PIM 纳入符合ETSI NFVI 的整体管理体系，实现管理配置的自动化，如图4 所示。

硬件资源管理(PIM)，管理功能如下：

(1)配置管理功能：①内置型边缘计算业务板卡上电、下电、重启操作；②基本输入输出系统(BIOS)配置，满足用户对系统从不同介质启动的需求；③基板管理控制器(BMC)配置。

图4 独立网络接口连接PIM 管理系统

(2)告警管理功能：告警解析、当前告警、历史告警、告警确认、告警清除、告警导出、告警屏蔽、事件浏览、远程通知等。

(3)性能管理功能：提供测量任务和门限任务的管理功能、提供性能指标数据的实时监测功能、提供监视指标的历史数据查询功能等。

上层软件管理由VNF/APP 的相应管理系统承担。

OLT 内置型边缘计算采用内置板卡的形式，支持工业互联网大视频、大流量、低时延等典型应用场景，其价值体现在：(1)利用PON 接入的高带宽、就近服务、低时延、低丢包等特性，可以有效提升视频类网络质量；其次是有效卸载流量，节约上层网络带宽，降低网络开销；(2)在无需改造机房的条件下按需引入边缘计算存储资源，有效利用OLT 已有资源，无需额外的机房占用空间，支撑接入网络NFV 化和高带宽边缘计算业务的开展。

1.2 OLT 外置型边缘计算

工厂中设备接入到工业网关，工业网关上行流量经过OLT 上联口，根据VLAN ID 识别业务流，通过L2 转发到交换机，交换机转换为L3 路由至对应服务器。下行流量由服务器转发给交换机，交换机根据终端目的IP路由至特定LAN 口，在LAN 口封装为L2 后转发给OLT，如图5 所示。

(1)路由转发

图5 OLT 外置型边缘计算方案

边缘计算平台与APP 之间：①边缘计算平台基于转发规则向转发平面下发指令；②数据转发平面并在各种应用、服务和网络之间进行流量的路由；③边缘计算平台支持DNS 代理服务器的配置，将数据流量重定向到对应的应用和服务。

(2)管理功能

边缘计算平台包括数采、转码等APP 和本地管理平台等，对工厂现场网络进行管理，当本地无法处理时，可以通过集中网管。

本地管理平台：①APP 生命周期管理，包括边缘应用程序的创建和终止；②APP 规则和需求管理，包括认证、流量规则、DNS 配置和冲突协调等。

集中网管平台：①掌控边缘计算网络的资源和容量，包括所有已经部署好的边缘计算平台和服务、可用资源、已经被实例化的应用以及网络的拓扑等；②工厂需要进行的边缘计算平台切换。

OLT 外置型边缘计算与工厂5G 网络UPF 实现固移融合，统一承载工业场景的移动接入、Wi-Fi 接入以及固网接入。通过云边协同的设备接入管理，在云端能够对云直连接入或通过边缘计算节点接入的设备进行统一管理，便于对工厂大范围内的设备统一监管掌控。

2 OLT 融合边缘计算方案比较

目前，工厂在实时业务、数据聚合、数据本地化等需求愈加迫切，针对工厂的典型应用场景，如工业视觉检测、机器人巡逻车等，在OLT 融合边缘计算方案中进行探索。

工业视觉检测：基于内置型边缘计算实现对生产车间内各种设备质量的自动化检测，检测数据回传到边缘计算进行实时分析。该方案需在有限的板卡内引入更强的图形计算能力。

机器人巡逻厂区：基于5G 技术与外置边缘计算融合，实现对园区巡逻机器人的控制、视频回传。该方案由于巡逻区域在室外，需通过5G 网络与边缘计算的结合，实时进行监控危险行为分析、安全监测。

通过对以上方案的分析，从适用工厂场景情况、优缺点几个维度进行比较。如表2 所示，工厂可根据对边缘计算不同的场景需求选择不同的方案。

表2 OLT 融合边缘计算三种方案的比较

3 结论

边缘计算的兴起和接入网络的虚拟化潮流，使得运营商在接入机房引入计算存储设施日益迫切。通过OLT融合边缘计算业务板卡满足边缘计算和网络虚拟化对计算存储基础设施的需求。利用PON 接入和边缘计算技术的高带宽、就近服务、低时延以及低丢包等特性，有效支撑工业互联本地业务的智能化处理，满足网络的实时需求。工业互联网领域典型行业由于数字化、智能化水平不一，对边缘计算的需求也不尽相同，还需芯片、模组、通信技术、网络、系统平台等整个边缘计算生态链的伙伴们共同推动工业互联网的发展。