孫躍

(石化盈科信息技術(shù)有限責任公司，北京 100007)

0 引言

隨著數(shù)字時代的發(fā)展，智能手機、智能駕駛、電子支付等智能應用場景不斷涌現(xiàn)，算力需求形式也在發(fā)生變化。傳統(tǒng)應用對算力的需求主要體現(xiàn)在算力對大規(guī)模數(shù)據(jù)的集中計算和存儲，用戶可以容忍一定的服務延時。在萬物互聯(lián)時代，算力需求逐漸轉(zhuǎn)移到了終端側(cè)，終端應用對數(shù)據(jù)及時性、安全性要求更高，不準確、不及時的數(shù)據(jù)響應可能會影響生產(chǎn)進度，甚至會引起安全風險[1]。海量終端物聯(lián)設備高可靠、低延時的數(shù)據(jù)處理需求推動了邊緣計算的發(fā)展。邊緣計算是一種在靠近數(shù)據(jù)來源側(cè)提供計算的服務模式，是云計算向終端和用戶端的延伸，能夠為終端設備提供更加準確、及時的算力支持[2]。2021年，工業(yè)和信息化部印發(fā)《新型數(shù)據(jù)中心發(fā)展三年行動計劃(2021—2023年)》，提出“靈活部署邊緣數(shù)據(jù)中心。積極構(gòu)建城市內(nèi)的邊緣算力供給體系，支撐邊緣數(shù)據(jù)的計算、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，滿足極低時延的新型業(yè)務應用需求”[3]。

盡管邊緣計算在支持海量終端設備接入和數(shù)據(jù)處理方面具有極大的優(yōu)勢，但并不意味著中心云的作用將被削弱或替代。事實上，邊緣計算的算力資源有限、覆蓋面窄等劣勢，使其難以對全局數(shù)據(jù)進行分析處理，同時也難以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的長時間存儲，而中心云算力恰好能夠彌補邊緣算力的劣勢。云邊協(xié)同能夠?qū)崿F(xiàn)中心云算力和邊緣算力效用的最大化，是面向物聯(lián)網(wǎng)時代，企業(yè)算力設施發(fā)展的重要形態(tài)。本文主要對大型央企云邊協(xié)同建設方案進行分析，并進行亮點總結(jié)，為行業(yè)云邊協(xié)同發(fā)展提供借鑒。

1 云邊協(xié)同概念與基本模式

1.1 云邊協(xié)同的概念

云邊協(xié)同是指中心云和邊緣云的協(xié)同發(fā)展，云邊協(xié)同既包含底層算力設施的資源協(xié)同，同時也包含上層的數(shù)據(jù)協(xié)同、業(yè)務能力協(xié)同及安全協(xié)同等[4-5](見圖1)。其中，資源協(xié)同是指邊緣算力設施既可對本地算力資源進行調(diào)度管理，也可以接受云端算力設施的資源調(diào)度和管理。數(shù)據(jù)協(xié)同一方面依托邊緣算力設施實現(xiàn)對終端數(shù)據(jù)的快速采集、初步處理、分析和響應，滿足終端設備數(shù)據(jù)處理及時性需求，另一方面通過將數(shù)據(jù)上傳到中心云，實現(xiàn)了對海量終端數(shù)據(jù)的云存儲，彌補了邊緣算力設施存儲能力不足的缺陷。業(yè)務編排協(xié)同主要面向微服務應用場景實現(xiàn)應用在邊緣節(jié)點的快速部署，在邊緣節(jié)點創(chuàng)造應用實例，在云節(jié)點實現(xiàn)應用分發(fā)、編排，提升邊緣應用的部署效率。應用管理協(xié)同是指邊緣節(jié)點提供應用部署環(huán)境，并實現(xiàn)對本地應用的生命周期管理，云節(jié)點負責應用開發(fā)和測試，同時對邊緣節(jié)點應用的生命周期進行管理。安全協(xié)同是指邊緣節(jié)點和云節(jié)點在安全防護方面保持協(xié)調(diào)聯(lián)動，邊緣節(jié)點可提供部分安全策略，云節(jié)點可對邊緣節(jié)點的安全狀態(tài)進行監(jiān)測，并對邊緣節(jié)點提供更為完善的安全防護[6]。

圖1 數(shù)據(jù)中心云邊協(xié)同中的“五大協(xié)同”

1.2 云邊協(xié)同的基本模式

目前，云邊協(xié)同已經(jīng)在眾多物聯(lián)場景中取得應用，如內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(Content Delivery Network，CDN)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能家居及智慧城市等[7-8]。典型的云邊協(xié)同場景由中心云、邊緣云和智能終端節(jié)點三級構(gòu)成(見圖2)。中心云大多由大規(guī)模及超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心算力設施構(gòu)建，中心云之間可以通過骨干網(wǎng)連接，實現(xiàn)算力資源協(xié)同，提高服務能力。邊緣云主要由邊緣數(shù)據(jù)中心或邊緣服務器等小型算力設施及邊緣網(wǎng)關(guān)構(gòu)建，邊緣云之間可通過邊緣網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)交互，也可與中心云進行交互。終端涵蓋類型多樣，包括車聯(lián)網(wǎng)中的路況感應裝置、移動巡檢機器、視頻監(jiān)控設備等，終端設備大多只能對單一類型數(shù)據(jù)進行監(jiān)測采集，數(shù)據(jù)匯聚分析能力薄弱。終端設備在獲取相應的數(shù)據(jù)后，可通過總線、以太網(wǎng)、5G等傳輸形式將數(shù)據(jù)發(fā)送到邊緣數(shù)據(jù)中心，邊緣數(shù)據(jù)中心可根據(jù)業(yè)務需求對終端設備數(shù)據(jù)進行匯聚和分析，并根據(jù)分析結(jié)果對終端設備進行控制。當邊緣數(shù)據(jù)中心難以提供相應的應用服務支撐時，可將業(yè)務請求上傳至中心云，由中心云進行處理。除此之外，邊緣數(shù)據(jù)中心可將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至中心云，由中心云進行存儲，并實現(xiàn)全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步更新，提升服務能力。部分場景中，終端應用可直接與中心云進行交互，這取決于企業(yè)實際信息基礎設施的架構(gòu)設計。

圖2 云邊協(xié)同基本模式

2 大型央企云邊協(xié)同建設方案分析

2.1 國家電網(wǎng)云邊協(xié)同建設方案分析

國家電網(wǎng)業(yè)務覆蓋電站投資、建設及電網(wǎng)運營等多個領(lǐng)域，公司由北京總部、6個分部、27家省公司及34家直屬單位構(gòu)成。

國家電網(wǎng)在構(gòu)建云邊協(xié)同體系過程中非常重視云邊安全協(xié)同管理，并制定了規(guī)范的終端接入、業(yè)務上云方面的安全防護措施。國家電網(wǎng)智慧物聯(lián)體系總體安全防護架構(gòu)由“云管邊端”四層構(gòu)成，各層級均有相應的安全防護策略(見圖3)。在云端，通過公司統(tǒng)一密碼基礎設施對用戶身份、應用關(guān)鍵信息進行驗證；在管側(cè)，通過物聯(lián)安全接入網(wǎng)關(guān)、安全隔離裝置對各類遠程通信網(wǎng)絡進行安全防護；在邊側(cè)，通過邊緣物聯(lián)代理中的安全防護軟件及安全芯片實現(xiàn)對大量異構(gòu)終端數(shù)據(jù)的安全監(jiān)測，并對涉控、涉敏數(shù)據(jù)進行認證加密；在端側(cè)，通過對終端設備進行分類，實現(xiàn)對關(guān)鍵涉密涉控設備的重點監(jiān)測防護。

圖3 智慧物聯(lián)體系總體安全防護架構(gòu)

在云邊協(xié)同層級劃分方面，國網(wǎng)遼寧省公司實行了與業(yè)務需求相適應的層級劃分方式，減少了數(shù)據(jù)鏈路長度，提升了終端服務的效率。2019年，國網(wǎng)遼寧省公司開展了云邊協(xié)同技術(shù)試點，率先在大連建成市級區(qū)域邊緣計算節(jié)點。目前，遼寧省公司已經(jīng)形成了“1+14+N”的云邊協(xié)同電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系，其中“1”是指省級數(shù)據(jù)中心，“14”是指14個區(qū)域邊緣計算節(jié)點，“N”是指N個站級邊緣計算節(jié)點。這種多級云邊協(xié)同節(jié)點建設，在橫向上實現(xiàn)了數(shù)據(jù)跨專業(yè)共享，在縱向上實現(xiàn)了省、市、縣(區(qū))及所(站、班組)四級數(shù)據(jù)共享。利用云邊協(xié)同物聯(lián)平臺，站級邊緣計算節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)對用電信息、配網(wǎng)自動化等數(shù)據(jù)的實時接入，區(qū)域邊緣節(jié)點可實現(xiàn)對本地數(shù)據(jù)的快速匯集和分析，省級數(shù)據(jù)中心可對接總部級相關(guān)平臺及系統(tǒng)。

2.2 國家電投云邊協(xié)同建設方案分析

國家電力投資集團有限公司業(yè)務覆蓋電力、熱力、煤炭、鋁業(yè)、電站等多個領(lǐng)域，具備水、火、核、風、光等多種類型發(fā)電能力，集團公司由總部及其下屬的62家二級單位構(gòu)成。

國家電投作為綜合性的能源型企業(yè)，數(shù)據(jù)管理方面，存在終端異構(gòu)數(shù)據(jù)多、匯聚困難、數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一、集團內(nèi)各單位難以互認和共享等問題；在應用開發(fā)方面，各單位同類型應用重復研發(fā)，資源浪費情況嚴重，部分應用研發(fā)到落地周期長，無法滿足業(yè)務發(fā)展需求。為解決以上問題，國家電投于2019年發(fā)布了云邊協(xié)同工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺，該平臺重點解決集團數(shù)據(jù)管理及應用開發(fā)所面臨的問題。

在云邊協(xié)同工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺總體布局方面，國家電投確定了“1+8+N”的布局模式，其中“1”是集團總部側(cè)中心云平臺，“8”是風電、光伏、火電等核心板塊，“N”是遍布全國的二級單位及廠站側(cè)的邊平臺。云平臺部署于集團和創(chuàng)新中心，邊平臺部署于二級單位、廠站及集控中心。

在云邊協(xié)同能力建設方面，平臺重點實現(xiàn)了數(shù)據(jù)協(xié)同、管理協(xié)同和應用協(xié)同(見圖4)。數(shù)據(jù)協(xié)同重點實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)資產(chǎn)的按需申請和共享；管理協(xié)同實現(xiàn)數(shù)據(jù)及應用的權(quán)限、節(jié)點、調(diào)度和運維管理；應用協(xié)同實現(xiàn)模型及知識的跨域協(xié)同。集團總部、板塊及各二級單位均需要通過統(tǒng)一的訪問入口實現(xiàn)對平臺數(shù)據(jù)及應用的訪問，同時各級開發(fā)測試人員均需通過統(tǒng)一運營窗口實現(xiàn)數(shù)據(jù)、模型及應用的上架和交易。

圖4 國家電投集團云邊協(xié)同架構(gòu)圖

2.3 中石化云邊協(xié)同建設方案分析

中國石油化工集團有限公司是一家特大型石油石化企業(yè)集團，業(yè)務涵蓋油氣勘探、煉化生產(chǎn)、營銷、金融及石油技術(shù)服務等領(lǐng)域。與離散型行業(yè)不同，以中國石化為代表的流程性行業(yè)在云邊協(xié)同項目建設過程中更加關(guān)注平臺的智能性，這與流程性行業(yè)生產(chǎn)過程耦合性強、難建模、生產(chǎn)工況波動大、難數(shù)字化等特點有關(guān)。中國石化對云邊協(xié)同的研究與產(chǎn)業(yè)實踐主要以石化智云工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺形式呈現(xiàn)，石化智云平臺是中石化自主打造的一套智能化綜合性數(shù)字信息基礎設施，能夠為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略提供重要支撐。

石化智云平臺總體布局模式為總部云—專業(yè)云節(jié)點—企業(yè)邊緣節(jié)點三層布局，其中總部云主要由北京沙河、朝陽門數(shù)據(jù)中心以及呼和浩特數(shù)據(jù)中心為主，主要為總部統(tǒng)建業(yè)務提供支撐，專業(yè)云節(jié)點主要以南京、勝利云節(jié)點為主，主要為板塊業(yè)務提供支撐，企業(yè)邊緣節(jié)點部署在各企業(yè)端，主要為企業(yè)前端應用提供服務，并為企業(yè)端數(shù)據(jù)采集提供支撐。

構(gòu)建總部和企業(yè)端的云邊協(xié)同能力，將石化智云總部端能力下沉到企業(yè)邊緣，加速企業(yè)對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的處理與分析，提升企業(yè)端對生產(chǎn)業(yè)務的支撐能力；同時通過建設云邊協(xié)同能力，推進總部和企業(yè)數(shù)據(jù)、智能、業(yè)務、應用云邊協(xié)同，實現(xiàn)企業(yè)側(cè)局部性、實時性、短周期數(shù)據(jù)的智能分析能力，提升企業(yè)側(cè)生產(chǎn)過程的智能化水平(見圖5)。

圖5 中國石化總部、企業(yè)云邊協(xié)同架構(gòu)圖

3 央企云邊協(xié)同建設方案的借鑒意義

3.1 開展云邊協(xié)同建設需明確協(xié)同目標

云邊協(xié)同內(nèi)涵豐富，涵蓋了算力、數(shù)據(jù)、業(yè)務、應用、安全等不同維度的協(xié)同。不同企業(yè)在開展云邊協(xié)同建設實踐時應結(jié)合自身業(yè)務需求，明確協(xié)同目標，并基于協(xié)同目標開展云端及邊緣端數(shù)據(jù)、技術(shù)及應用中臺建設，構(gòu)建功能完善、適應企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的云邊平臺。協(xié)同目標的確立也有助于進一步規(guī)范云邊協(xié)同平臺項目建設范圍，減少不必要的功能組件建設，降低云邊協(xié)同平臺建設的冗余性。

3.2 明確節(jié)點定位是形成云邊協(xié)同布局的前提

在基礎的布局模式中，云邊協(xié)同主要由中心云、邊緣云及終端3層構(gòu)成，但是不少企業(yè)基于現(xiàn)有組織架構(gòu)考慮，可能會劃分為不同層級，如國網(wǎng)遼寧省公司在省內(nèi)劃分為省級數(shù)據(jù)中心—區(qū)域邊緣節(jié)點—站級邊緣節(jié)點—終端，省級數(shù)據(jù)中心之上是總部云；國家電投則采用兩層布局，劃分為集團云和二級單位邊緣云等。在確定節(jié)點定位后，企業(yè)云邊協(xié)同總體布局形式也將得以確定，并為后續(xù)云節(jié)點和邊緣節(jié)點的算力供需關(guān)系、網(wǎng)絡架構(gòu)體系、云平臺功能權(quán)限等關(guān)鍵要素的確定奠定基礎。

3.3 云邊協(xié)同技術(shù)應用是推動云邊協(xié)同項目建設的引擎

云邊協(xié)同的發(fā)展依賴于云計算、網(wǎng)絡、安全等多方面技術(shù)的共同支撐，完善的底層技術(shù)支撐能夠有效推動云邊協(xié)同項目落地。在網(wǎng)絡連接方面，SDN、NFV等網(wǎng)絡云化技術(shù)使得網(wǎng)絡可按需定制，基于網(wǎng)絡云化技術(shù)產(chǎn)生的控制轉(zhuǎn)發(fā)平面分離、網(wǎng)絡切片等網(wǎng)絡建設方案極大地提升了網(wǎng)絡資源利用效率，保障了業(yè)務的安全性。除此之外，5G技術(shù)及RoCE、IPv6、SRv6等協(xié)議的應用使數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)速率進一步提升，這為云間互聯(lián)、云邊互聯(lián)及邊邊互聯(lián)奠定了基礎[9-10]。在云邊協(xié)同平臺建設方面，微服務架構(gòu)將業(yè)務拆分為組件，通過服務組件重組及復用極大地提升了應用部署效率，云上應用可快速部署到邊端，業(yè)務及應用協(xié)同變得簡單易行。在安全協(xié)同方面，安全接入網(wǎng)關(guān)、隔離裝置、認證加密等安全防護技術(shù)應用可確保云邊端數(shù)據(jù)、應用的安全。

4 結(jié)束語

通過對央企云邊協(xié)同建設方案分析可以發(fā)現(xiàn)，協(xié)同目標、定位布局及協(xié)同技術(shù)是推動云邊協(xié)同項目建設方案落地的關(guān)鍵，基于目標、布局及技術(shù)優(yōu)化，能夠更好地推動企業(yè)云邊協(xié)同的建設和發(fā)展。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮中，大型央企需基于各自的業(yè)務場景和發(fā)展條件，積極開展適用于自身發(fā)展的云邊協(xié)同實踐。