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        云霧混合計算技術(shù)的發(fā)展及其智慧消防應(yīng)用

        2021-05-19 01:42:26張盛天
        電子元器件與信息技術(shù) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:智慧智能

        張盛天

        (山西大同大學(xué)計算機與網(wǎng)絡(luò)工程學(xué)院,山西 大同 037009)

        0 引言

        隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展,企業(yè)與個人對計算機的運算能力要求越來越高。為了滿足用戶的數(shù)據(jù)運算需求以及降低相應(yīng)硬件資源成本,云計算概念在2006年8月的搜索引擎大會上被提出。云計算采用分布式的架構(gòu),在遠端網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建數(shù)據(jù)中心,整合計算資源,并借助軟件管理分發(fā)資源。用戶終端設(shè)備負責收集數(shù)據(jù),然后經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層,將數(shù)據(jù)傳輸于遠端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心進行處理。通過這種模式,云計算為用戶提供了廉價、快捷的服務(wù)[1]。

        云計算在提出后的十幾年中飛速發(fā)展,如Software as a Service等服務(wù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到谷歌等著名企業(yè)中,極大的改變了人們的生活[2]。然而伴隨著越來越多的智能終端設(shè)備出現(xiàn),如自動駕駛設(shè)備、智能眼鏡等,云計算自有的高時延、高安全風(fēng)險、不穩(wěn)定等缺點被不斷放大,單純的云計算模式已經(jīng)無法滿足物聯(lián)網(wǎng)時代的市場需求。在這樣的背景下,霧計算應(yīng)運而生。霧計算旨在將計算存儲等資源部署于云與物之間,降低云端數(shù)據(jù)中心的處理壓力,減少部分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)木嚯x,從而提供更強實時性、更安全可靠的服務(wù)[3]。伴隨霧計算概念的出現(xiàn),云計算與霧計算搭配混合使用的計算模式為車聯(lián)網(wǎng)、智慧交通等應(yīng)用場景注入了新的力量,既保留了云計算的低成本、便捷管理等優(yōu)點,又增加了霧計算低時延、高安全等特性。

        本文第2部分從概念、技術(shù)架構(gòu)以及現(xiàn)存應(yīng)用與挑戰(zhàn)等方面對云霧混合計算技術(shù)的發(fā)展進行了闡述;第3部分在前人研究基礎(chǔ)上,提出基于云霧混合計算的智慧消防應(yīng)用解決方案,描述了云霧混合計算技術(shù)在實踐生活中的應(yīng)用;第4部分對云霧混合技術(shù)的未來發(fā)展進行了展望。

        1 云霧混合計算技術(shù)的發(fā)展

        1.1 概念源于需求

        自2006年云計算概念出現(xiàn)以來,計算與網(wǎng)絡(luò)兩種IT技術(shù)不斷融合,進而互相依存,有力地推動了信息化社會的發(fā)展[4]。然而,伴隨著越來越多智能終端設(shè)備的出現(xiàn),對時延敏感、地理位置敏感的應(yīng)用場景即自動駕駛、智慧交通等逐漸融入到人們的生活。面對這些物聯(lián)網(wǎng)場景,更安全、更快捷、更穩(wěn)定的計算模式被需要,同時,計算需具有更良好的移動性支持。以上這些需求對于高時延、低安全可靠的云計算來說是無法滿足的,因此,霧計算概念應(yīng)運而生。

        霧計算是由Cisco公司于2011年提出,它通過在云與物之間部署大量計算存儲能力有限的微型霧節(jié)點數(shù)據(jù)中心,來分散云中心的計算壓力,減少向遠端網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量[5]。由于霧計算自身的運算能力有限,它無法取代云計算,而是對其進行了擴展與補充,這兩種技術(shù)的融合使用,既保留了云層強大的計算存儲優(yōu)勢,又將網(wǎng)絡(luò)計算的范圍擴展到了近用戶端,即網(wǎng)絡(luò)邊緣,從而使網(wǎng)絡(luò)計算具備了更低時延和更高的位置感知能力。霧計算所帶來的好處,使得其在IT業(yè)界得到了大量關(guān)注。2015年,Cisco、Dell、Intel等IT行業(yè)領(lǐng)先者共同組建了開放霧聯(lián)盟(OpenFog Consortium),旨在推進云霧混合計算的快速發(fā)展。現(xiàn)如今,已經(jīng)有五十多個來自北美、亞洲和歐洲的機構(gòu)加入到開放霧聯(lián)盟中。2018年,國家標準技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology)在Cisco多年的霧計算研究基礎(chǔ)上,重新規(guī)范了霧計算的定義:霧計算是在智能設(shè)備與傳統(tǒng)云端數(shù)據(jù)中心之間的一種水平的、物理與虛擬資源相結(jié)合的計算模式。隨著霧計算相關(guān)概念的規(guī)范化,云霧混合計算的技術(shù)架構(gòu)也日漸成熟。

        1.2 從技術(shù)架構(gòu)入手

        根據(jù)概念的定義,云霧混合計算是由多層結(jié)構(gòu)組成。如圖1所示,除了傳統(tǒng)的云計算中心層、網(wǎng)絡(luò)層和終端用戶層,霧計算層也加入到結(jié)構(gòu)體系中。

        圖1 云霧混合計算架構(gòu)圖

        1.2.1 云計算中心層

        在云霧混合計算模式中,保留了傳統(tǒng)的云計算中心。云計算中心采用大量虛擬資源,借助任務(wù)調(diào)度、負載均衡以及并行計算等技術(shù),提供了極強的計算力與存儲能力,以滿足復(fù)雜計算任務(wù)的處理[6]。在物聯(lián)網(wǎng)場景中,云計算中心適合負責大數(shù)據(jù)量信息的智能分析與學(xué)習(xí)以及歷史數(shù)據(jù)的存儲,是對霧層計算能力的補充。

        1.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

        網(wǎng)絡(luò)層包含了接入網(wǎng)絡(luò)層和核心網(wǎng)絡(luò)層。接入網(wǎng)絡(luò)層主要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接終端用戶設(shè)備與霧層節(jié)點設(shè)備,其中既包含了有線網(wǎng)絡(luò),又包含了無線網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)絡(luò)借助有線網(wǎng)銜接了云計算中心與霧層計算節(jié)點[7]。

        1.2.3 霧計算層

        霧計算層的引入是云霧混合計算的核心,其自身需具備一定的業(yè)務(wù)處理以及數(shù)據(jù)計算能力。同時,霧計算層還需能夠配合云層,進行合理的網(wǎng)絡(luò)管控、資源調(diào)度,完成更復(fù)雜的計算與存儲任務(wù)[8]。此外,霧計算層中的計算節(jié)點規(guī)模也有可能因為業(yè)務(wù)需求而變得數(shù)量龐大,單個計算節(jié)點的軟硬件成本要相對低廉。為了滿足以上功能需求,在硬件上,霧計算層可由通用服務(wù)器、白牌交換機、路由器等設(shè)備組成。在軟件上,除了需具備負責業(yè)務(wù)計算處理的軟件系統(tǒng)外,還需引入負責網(wǎng)絡(luò)流量控制與轉(zhuǎn)發(fā)的SDN(Software Defined Network, 軟件定義網(wǎng)絡(luò))技術(shù)、負責提供虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的NFV(Network Functions Virtualization, 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)技術(shù)以及對復(fù)雜任務(wù)進行計算卸載的軟件機制。表1給出了通用霧計算層所需的主要軟硬件資源。

        表1 通用霧計算層主要軟硬件資源

        搭建霧計算節(jié)點是霧計算層建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。開放網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟(ONF)推動的CORD(Central Office Rearchitected as a Datacenter, 網(wǎng)絡(luò)機房的DC化改造)項目,基本滿足了霧層計算節(jié)點的要求[9]。CORD平臺整合了SDN,NFV等技術(shù),借助通用服務(wù)器及白牌交換機等硬件資源,提供了霧層計算、流量控制、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可能,如果在其上增加業(yè)務(wù)服務(wù),將會使其成為合適的霧層計算節(jié)點。圖2展示了一個CORD節(jié)點的物理組成架構(gòu),其中包含了四個白牌交換機、三個通用x86服務(wù)器,各設(shè)備之間采用葉脊架構(gòu)相連。SDN、NFV以及業(yè)務(wù)服務(wù)等軟件平臺部署于三個服務(wù)器之中,通過服務(wù)器之間的協(xié)作完成霧層計算任務(wù)。

        1.2.4 終端用戶層

        在物聯(lián)網(wǎng)時代,終端用戶層中的設(shè)備種類越來越多,其中包括了智能手機、電腦、智能穿戴設(shè)備以及各類傳感器等。為了實現(xiàn)萬物互聯(lián)的愿景,這些智能終端設(shè)備通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)銜接在一起,由此產(chǎn)生了云霧混合計算發(fā)展的必要性。在云霧混合計算中,智能終端設(shè)備作為任務(wù)的發(fā)起,經(jīng)過接入網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備調(diào)度,將任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的霧計算節(jié)點。任務(wù)經(jīng)過霧層與云層計算處理后,其處理結(jié)果又將經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳回終端設(shè)備。

        圖2 CORD 節(jié)點

        1.3 云霧混合計算的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

        目前,云霧混合計算應(yīng)用已經(jīng)出現(xiàn)于我們的日常生活中。文獻[10]將云霧混合計算應(yīng)用于遠洋漁船作業(yè)活動之中,通過云中心和霧計算節(jié)點,將遠洋漁船物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)計算進行了合理的卸載,同時優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸,提高了漁船通信信號的質(zhì)量。文獻[11]將霧層計算引入到傳感網(wǎng)的研究之中,借助霧計算節(jié)點提升了底層無線傳感網(wǎng)的計算能力及數(shù)據(jù)安全性,從而增強了傳感云的可信機制。

        然而,云霧混合計算依舊不成熟。文獻[7]在描述將霧層計算引入到智能駕駛場景時,提出了目前大范圍的4G網(wǎng)絡(luò)無法讓霧層計算很好的適應(yīng)時延極其敏感的業(yè)務(wù)。此外,霧層計算在資源調(diào)度上也缺乏合適的自適應(yīng)調(diào)度算法。云層與霧層的合理融合使用也面臨著很多挑戰(zhàn)。這些問題都是云霧混合計算急需解決的難題。

        2 基于云霧混合計算的智慧消防應(yīng)用

        2.1 新型智慧消防發(fā)展的必要性

        隨著云計算、大數(shù)據(jù)及人工智能等高新科技的發(fā)展,智慧電網(wǎng)、自動駕駛等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷普及。同樣的,借助新型技術(shù)可以改善現(xiàn)存的消防條件。市場上已有的智慧消防系統(tǒng)借助云平臺,實現(xiàn)了消防信息共享,依托大數(shù)據(jù)剖析消防數(shù)據(jù),實時判斷城市火災(zāi)風(fēng)險[12]。相比于傳統(tǒng)消防手段,智慧消防系統(tǒng)提升了對火災(zāi)的應(yīng)急速度,添加了對火情的智能分析以及應(yīng)對災(zāi)情的智能決策功能。

        雖然基于云平臺的智慧消防系統(tǒng)提升了處理火災(zāi)的能力,但是其受限于云計算的高延時、低安全等缺點,對于大規(guī)模城市,容易造成數(shù)據(jù)傳輸擁塞、計算壓力大等問題。如果將云霧混合計算技術(shù)引入到智慧消防應(yīng)用系統(tǒng)中,可以減少防火智能設(shè)備向云端服務(wù)器匯聚的數(shù)據(jù)量,降低數(shù)據(jù)傳輸擁塞的幾率,同時借助霧層節(jié)點,能將計算任務(wù)進行合理卸載,降低云端計算壓力。鑒于以上好處,發(fā)展基于云霧混合計算的新型智慧消防應(yīng)用的需求日益強烈。

        2.2 新型智慧消防應(yīng)用

        在云霧混合的智慧消防應(yīng)用系統(tǒng)中,由于霧層節(jié)點分擔了大量的業(yè)務(wù)計算任務(wù),云層中心將會有更多的資源去存儲歷史數(shù)據(jù),并拿這些數(shù)據(jù)集去進行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練。通過對以往火災(zāi)隱患數(shù)據(jù)信息的智能分析,優(yōu)化火災(zāi)識別算法模型,使其能夠根據(jù)火情現(xiàn)場因素如:煙霧濃度、火焰顏色來判斷出火情大小[13]。同時,根據(jù)人工決策分析和系統(tǒng)智能決策分析,制定出不同規(guī)模火災(zāi)的應(yīng)對方案。之后,云層中心定期將優(yōu)化后的火災(zāi)識別算法以及火災(zāi)應(yīng)對方案推送至霧層計算節(jié)點,從而提高了整個智慧消防系統(tǒng)的可塑性、動態(tài)性。

        霧層計算節(jié)點一般安置于不同的小范圍地理區(qū)域,依靠云數(shù)據(jù)中心推送的火災(zāi)識別算法和火災(zāi)應(yīng)對方案,配合終端智能消防設(shè)備,快速的發(fā)現(xiàn)火情并報警,配合消防人員完成滅火工作。同時,霧層節(jié)點還能定期監(jiān)測所屬區(qū)域煙霧報警器等防火設(shè)備的工作狀態(tài),保證設(shè)備的良好運行,減輕監(jiān)測人員的工作量。除此之外,霧層計算節(jié)點上可采取SDN和NFV技術(shù),利用軟件有效的管理網(wǎng)絡(luò)、控制流量轉(zhuǎn)發(fā)以及提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù),使數(shù)據(jù)在智慧消防系統(tǒng)中的傳輸更加有效快捷。

        上節(jié)提到的CORD平臺可作為霧計算節(jié)點搭建的基礎(chǔ),其上部署的ONOS系統(tǒng)借助SDN技術(shù)實現(xiàn)了可視化管理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及流量轉(zhuǎn)發(fā)的功能。圖3展示了在Mininet下虛擬仿真的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),并用ONOS可視化界面監(jiān)控管理了網(wǎng)絡(luò)中的鏈路。

        圖3 ONOS 可視化操作仿真

        CORD上還部署了XOS平臺,其通過NFV技術(shù),以可視化的方式管理和部署計算節(jié)點集群中的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能。圖4為虛擬仿真實驗中,XOS平臺下部署的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能。

        圖4 XOS 部署虛擬網(wǎng)絡(luò)功能

        霧層計算節(jié)點以CORD平臺為基礎(chǔ)搭建,在其上增加火情識別、火情監(jiān)測、設(shè)備監(jiān)測、火災(zāi)應(yīng)急決策等業(yè)務(wù)功能,有效地卸載了云中心的計算壓力。此外,CORD平臺自身所具備的對網(wǎng)絡(luò)的有效控制能力,賦予了云霧混合計算模式的低延時、高可靠特性,使新型的智慧消防應(yīng)用更加穩(wěn)定、高效。

        有了霧層計算節(jié)點的加入,在城市中便可部署更多數(shù)量的智能消防設(shè)備如:煙霧報警器、自動防火卷簾、智能消防栓等。借助云霧混合計算模式,能夠使智慧消防應(yīng)用平臺與智能消防設(shè)備更好地聯(lián)動,提升了應(yīng)對火情的反應(yīng)速度。

        3 結(jié)語

        本文從云霧混合計算的概念、架構(gòu)入手,闡述了云霧混合計算的發(fā)展與挑戰(zhàn)。此外,在云霧混合計算現(xiàn)有理論基礎(chǔ)上,提出了新型的智慧消防應(yīng)用方案。霧層計算的引入,彌補了云計算自身的高時延、不穩(wěn)定等缺點,同時,合理分擔了云計算中心的計算壓力。在不久的將來,伴隨5G網(wǎng)絡(luò)的普及,云霧混合的計算模式將推動物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展,基于云霧混合計算的智慧消防、智能電網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用會給人們的生活帶來巨大的便利。

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