基于微服务架构的工业互联网边缘计算网关设计与实现

叶成景，杨叶芬

（1.广东科学技术职业学院 机器人学院，广东 珠海 519090；2.广东科学技术职业学院 计算机工程技术学院，广东 珠海 519090）

0 引 言

基于微服务架构的工业互联网边缘计算网关设计过程中，需要合理划分网关结构功能，制定专项可行的网关设计方案。现阶段，工业互联网边缘计算网关应设有协议适配层、基础服务层、应用服务层及云边交互层，确保网关能够适应各类工业传感器通信协议，提升传感器协调运行水平。

1 工业互联网边缘计算网关设计现状及重要意义

1.1 工业互联网边缘计算网关设计现状

工业互联网边缘计算网关设计是实现工业互联网升级改造的重要基础，主要承担连接不同种类传感器、云平台的重要职责。从理论研究角度分析，关于工业互联网边缘计算网关的研究较多，具体涉及工业互联网边缘计算网关系统架构、网关设备接入、组网研究工作等[1]。其中，工业互联网边缘计算网关体系架构形式较多，如全自动配置网关等。此种网关在具体运行过程中可与涉及到的设备建立密切关联，并结合设备运行特征优化通信渠道。以路由器为主的智能家居网关现有应用范围也逐步扩大，能够为网络边缘提供决策性服务，为不同用户提供自动识别功能。

通过研究边缘网关资源分配任务完成情况，配合使用回归准入控制及模糊加权排队手段分析分布式网络结构内网络资源分配状态。构建自适应算法解决分布式网络系统内资源分配问题，进一步优化工业互联网边缘计算网关功能。

1.2 工业互联网边缘计算网关设计重要意义

随着社会经济与科学技术发展速度不断加快，工业领域生产经营建设全过程对互联网的依赖程度日渐提升。工业互联网内部包括传感器节点、网关、工业云平台。传感器节点多为轻型级的嵌入式设备，在实际运行过程中具有能耗低、组合灵活等特征，可实现对工业设备运行状态的感知、管控目标。通过将收集到的工业设备数据上传至云计算中心，及时发现设备运行期间存在的各类问题，制定出专项可行的运维技术方案，进一步提高工业生产管理水平[2]。

现阶段工业互联网中接入了大量传感器设备，构建起了全方位、多感知的工业制造新服务体系，促进了工业互联网及工业制造领域的有机融合。国家及有关部门针对工业互联网发展工作制定了更为详尽的规划，要求工业互联网发展应当以构建高质量、低延时的外网为基础，支持企业升级工业互联网系统，构建起高质量园区网络体系，于工业生产中落实5G通信、人工智能等先进技术。

工业互联网运行期间涉及到的传感器数量较多，实际接入难度较大。不同传感器所使用的协议、传输网络及数据解析存在较大差异，无法构建起统一可靠的运行框架与协议。此外，传感器运行期间产生的数据量巨大，数据传输压力提升，经常会出现信息传输通道堵塞、运行延时等问题，严重影响到工业生产质量与效率。由此可见，在现阶段工业互联网发展过程中，需要基于微服务架构设计出符合工业生产特征及生产要求相符的互联网边缘计算网关，进一步提升各传感器及系统的可扩展性[3]。

2 微服务架构下工业互联网边缘计算网关设计流程

在传统工业互联网的单体架构软件中，所有功能均处于同一模块内，系统运行时的耦合性较强，但扩展性较差。如果需要传输的数据较多，系统将难以正常运行。微服务模式就是将整体应用程序划分为更小的可独立管理的服务项目，借助跨语言协议实现独立服务管理目标，确保各服务工作高质高效开展。

2.1 工业互联网边缘计算网关设计需求

在传统网络架构中，网关是一种处于网络中间层的设备，主要充当不同网络通信协议消息转换的媒介。网关是数据包汇聚中心，能够对数据包进行快速转换与传输。除此之外，网关还是数据汇集点，可切实保障数据传输器件的安全性，避免在数据传输过程中受到外界环境的不利影响。现阶段物联网技术发展速度逐渐加快，越来越多的传感器设备接入到网关内，网关运行期间的优势更为显著。随着工业互联网及边缘计算形式更加成熟，网关结构被更加广泛地应用在工业生产与各项管理活动中。通过接收底层传感器固定模式数据，将数据上传到上层协议，转发数据包。对聚合数据包内容展开分析，为外部网络数据提供相应接口[4]。

根据现阶段工业互联网发展趋势，需要结合边缘计算与微服务架构优化工业生产环境下的互联网网关。具体来说，工业互联网边缘计算网关在具体运营期间应当满足以下要求。

（1）选择适宜的工业互联网协议，确保互联网协议可以传递更加可靠的通信资源。结合传感器运行期间的数据解析操作流程，设置关键检索信息，满足各类数据变化格式要求。

（2）提高设备管理水平。借助工业互联网边缘计算网关，对工业互联网中涉及到的传感器设备进行统一管控，实现线上灵活配置设备的目标。

（3）实现卸载任务。工业互联网边缘计算网关要能够依据资源占用情况决定任务执行位置，卸载任务。选择合适的工业互联网传感器设备调度制度，对网关集群进行全面调度，从根本上提升系统在运行期间的执行效率。

（4）设计云边交互接口，为工业互联网边缘计算网关及云平台搭建统一的交互管理渠道，进一步提升网关与云平台数据交互期间的效率及安全性[5]。

（5）在工业互联网边缘计算网关的协议适配层中，需要对异构传感器和传感器中不同的工业互联网传输协议进行细致分析。借助适配层将传输数据格式进行统一整合，从根本上保障数据采集与分析效率，提升网关资源利用率。加强云边交互层中的云平台访问网关交互，为系统运行提供更加可靠的异步信息服务。

2.2 协议适配层设计

协议适配层主要用于解决传感器接入器件的异构问题，对传感器接入期间的协议以及数据包格式进行统一化处理，将传输控制指令转化为传感器可识别格式。使用协议驱动方式接收协议数据包，根据解析规则将数据转化为统一格式。将系统上层要求转发至协议适配层中，确保各类协议能够基于协议适配层转化为驱动程序，满足底层传感器控制目标。

在协议适配层设计过程中，可以结合微服务架构选择适宜的协议适配管理模块，对不同协议驱动、参数配置及数据解析方式进行全面管控。协议适配管理模块应用REST接口对用户操作进行全面管控，用户也可应用REST接口动态分配通信资源，构建通信渠道，避免传感器通信形式存在较大差异[6]。在实现协议驱动管理目标过程中，不同协议方式存在较大差异，需要结合协议特征开展适配工作。网关及传感器通信可分为同步通信、异步通信两种类型。同步通信主要将请求经过处理后传回给网关，在此种通信模式下，一条请求需要对应一条响应。异步通信主要利用网关接收传感器发来的信息，传感器为主动一方，网关则为被动接收一方。

2.3 基础服务层设计

基础服务层设计水平会直接影响到工业互联网边缘计算网关功能，为上层应用装置提供必要服务。基础服务层内可分为远程配置服务、传感器设备服务、数据存储服务。其中，远程配置服务主要用于外界设备网关结构状态查询、网关配置接口，可获取远程状态数据，对网关配置进行更新。在任务卸载及调度期间，可以借助基础服务系统全程监管网关CPU、内存装置，并为设备提供添加、查找、删除等功能[7]。基础服务层负责远程配置服务、传感器设备管理服务等。其中，远程配置服务包括网关状态远程获取、网关远程配置，远程获取网关运行基本设施以及基本状态数据，如CPU使用率、内存大小等。传感器设备管理服务主要是在传感器装置运行期间使用适配服务与传感器建立通信关系。如果通信成功，设备管理服务装置会记录设备运行状态、并将设备运行数据传输给数据库，数据库与传感器建立通信协议，从根本上提升传感器管理水平。

2.4 任务应用层设计

在任务应用层设计期间，需要借助网关定义工业生产时需要使用到的数据处理方式，对数据进行特征提取、降维处理，进一步提高海量数据资源利用率。如果数据库设计存在资源不足的问题，则任务应用层还需要对历史数据进行清除[8]。任务应用层设计过程中，应着重构建任务调度模型。结合工业互联网边缘计算网关任务卸载要求，实现多级任务卸载目标。当前边缘服务器主要为普通边缘服务器、高性能边缘服务器。其中，高性能边缘服务器的服务性能良好，卸载效率更高。

为了有效解决网关信号覆盖面不足问题，还可以将网关与可通信基站集合在一起，设定成通信域。工业互联网被通信域全覆盖，可以使无线传感器的运行状态得到全方位管控。通信域内的网关需要处理大量计算任务，计算任务可以结合具体情况在边缘服务器或网关本地执行。在通信域内的边缘服务器计算资源不足、计算任务量过大的情况下，还可以将任务卸载至边缘服务器内，由边缘服务器高质量完成执行工作，从根本上提高工业设备运行数据处理效果。

2.5 云边交互层设计

云边交互层主要用于管理工业云平台、网关数据交互等，具备数据导出服务。同时可以借助API网关接口有效查询历史数据，从根本上提升网络传输的安全性[9]。云边交互层设计主要包括数据导出服务设计、API网关设计等。其中，数据导出服务设计需要满足传感器运行数据的输出要求，结合数据传输实时性能导出实时数据或历史数据。实时数据的导出需要配合使用专项传输协议，通过对比网关数据平台、通信协议、解密方式，建立统一的数据出口，提供更加可靠的数据导出服务。在工业生产过程中遇到断电或设备重启等情况时，极易出现配置数据丢失问题，需要增加网关结构的导出服务管理功能，将数据信息备份传输至数据库内。在网关重启后，由数据库加载数据，使设备能够恢复到关机前状态，导出网关历史数据。用户可借助通信接口发送数据筛选条件，查询数据输出格式。检查历史数据导出管理请求，如果检查结果未通过，则需要向用户反馈检查信息。结合数据筛选条件，从数据库中查询指定信息，对数据输出格式进行整理，整理后的数据需要及时反馈给用户。

在API网关设计中，各服务分布在不同物理主机处，用户借助云平台访问网关时经常会出现外界用户不明确网络拓扑结构、服务部署IP地址等问题。为使网关结构始终保持高效稳定运行状态，应着重设计数据服务请求环节。在API网关中，需要将网关结构作为唯一入口，对外界服务请求进行统一管控。由API网关寻找对应服务，并将服务请求转发对相应服务器。

3 结 论

总而言之，在微服务框架中开展工业互联网边缘计算网关设计工作，需要细致分析当前互联网环境中存在的边缘计算不统一问题，不断优化边缘计算网关软件功能。使用功能完善的数据库软件对工业生产期间的多节点数据展开采集、存储等工作，满足工业互联网边缘计算网关双向控制与远程网络存储要求。经过实际验证发现，设计出的工业互联网边缘计算网关在采集周期大于500 ms的情况下不会出现丢包问题，网关运行较为可靠。