智能工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣 (Edge)平臺的關(guān)鍵屬性（上）

作者/Chetan Khona 賽靈思公司工業(yè)IoT戰略與商務(wù)經(jīng)理

　　1 IT-OT 融合方法

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 指涉及邊緣設備、云應用、傳感器、算法、安全性、保密性、大量協(xié)議庫、人機界面 (HMI) 及其它必須互操作元素的多維度緊密耦合的系統鏈。一些人將 IIoT 愿景描述為運營(yíng)技術(shù) (OT) 與信息技術(shù) (IT) 的融合，但實(shí)際上目標更為深遠。OT 應用的時(shí)間敏感性和 IT 應用的數據密集性要求所有這些元素融為一體，如期、可靠地執行關(guān)鍵任務(wù)。但與另一項關(guān)鍵要求(即壽命周期)會(huì )存在沖突。壽命周期可確保系統供應商及其客戶(hù)的這些 IIoT 系統的投資回報。在 IIoT 系統的分析、機器學(xué)習、 網(wǎng)絡(luò )安全等一系列基礎底層技術(shù)方面正取得重大進(jìn)展。然而，在擴展的生命周期進(jìn)行修改或升級，這種緊密集成要求會(huì )給這些系統嚴格的時(shí)間性造成不必要的連鎖反應。

　　應對這一挑戰的最常見(jiàn)方法，就是尋求一款可用作 IIoT 邊緣系統核心的嵌入式電子組件 ——其具備可用的最佳規范，能夠輕松應對意外情況。邊緣系統是指位于網(wǎng)絡(luò )邊緣，最貼近實(shí)體工廠(chǎng)及其它工業(yè)環(huán)境(如運動(dòng)控制器、保護繼電器、可編程邏輯控制器等類(lèi)似系統)的決定性嵌入式通信與實(shí)時(shí)控制引擎。千兆赫時(shí)鐘頻率、內存容量加大、輸入/輸出端口數量增多、最新加密引擎，看起來(lái)可為尚未知曉的未來(lái)需求提供解決方案。但是在應對工業(yè)設備的時(shí)間尺度時(shí)，因為其關(guān)鍵子系統的工作時(shí)間尺度是幾百毫秒(或更短)，卻需要在工廠(chǎng)內和偏遠地點(diǎn)工作數十年，僅依靠先進(jìn)的多核嵌入式處理器在 IIoT 領(lǐng)域的擴展，最多只能算一種想象。在最壞的情況下，這是一種短視做法，會(huì )導致一系列難度大、成本高的市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和工程權衡取舍，而權衡取舍的主要目的是管理性能瓶頸造成的功能時(shí)序問(wèn)題。鑒于所涉時(shí)間尺度，在 IIoT 邊緣亟需更高的擴展自由度。通過(guò)使用可編程硬件來(lái)增強運行在嵌入式處理器內核上的軟件，可以釋放這樣的擴展自由度。這種一致性更高的方法，可以輕松管理確定性、時(shí)延和性能，消除 IT 與 OT 域間以及 OT 域中子系統內的干擾。

　　圖1 典型 IIoT 系統的時(shí)間尺度、屬性和生命周期

　　通過(guò)并行方式，提供硬件虛擬化等功能的處理器能產(chǎn)生可持續價(jià)值，這不僅讓架構師能夠整合新的客戶(hù)操作系統，而且還可提供所需的自動(dòng)化和隔離水平。同時(shí)還提供始終有用的特性，例如像內存保護(奇偶，或最好的糾錯碼 [ECC])這樣永不過(guò)時(shí)的特性。

　　采用專(zhuān)用硬件來(lái)增強靜態(tài)處理器架構，實(shí)現勞動(dòng)分工，讓各硬件各司其職，這對嵌入式電子行業(yè)來(lái)說(shuō)絕非新模式。還需要注意的是，隨時(shí)間自動(dòng)調整任務(wù)與勞動(dòng)分工。例如最新預測維護算法，其所需的傳感器輸入數量多于此前的輸入數量。讓硬件負責增量計算，可維持總體負載以及處理子系統的周期時(shí)間(這是最重要的)。對購買(mǎi)和安裝系統的客戶(hù)以及在未來(lái)數十年中從該設備獲得多重增值軟件服務(wù)收入流的系統供應商而言，這一靈活性能帶來(lái)巨大收益。

　　在選擇能隨時(shí)間發(fā)展適應市場(chǎng)趨勢影響的 IIoT 邊緣平臺的情況下，本白皮書(shū)重點(diǎn)研討構成 IIoT 基礎的三大關(guān)鍵應用領(lǐng)域(即連接、網(wǎng)絡(luò )安全和邊緣計算)。擁有一款具有高度靈活、可擴展、能同時(shí)處理 OT 和 IT 技術(shù)的 IIoT 平臺極為重要。All Programmable SoC(即全可編程片上系統)兼具軟件可編程和硬件可編程特性，是一個(gè)理想的解決方案。本白皮書(shū)還涵蓋兩個(gè)與 All Programmable SoC 有關(guān)的技術(shù)專(zhuān)題：軟件定義硬件和 All Programmable SoC 與分離嵌入式處理器的輔助 FPGA 的對比。賽靈思提供的 Zynq-7000 SoC 和 Zynq UltraScale+ MPSoC 系列專(zhuān)門(mén)全權處理 IT 和 OT 任務(wù)。見(jiàn)圖 2。

　　圖2 Zynq UltraScale+ 方框圖

　　2 連接：從現有標準到未來(lái)協(xié)議

　　IIoT 時(shí)代的連接朝著(zhù)精簡(jiǎn)方法發(fā)展，但這一轉型帶來(lái)新的復雜性。OPC 基金會(huì )的開(kāi)放平臺通信統一架構 (OPC-UA) 和實(shí)時(shí)系統數據分配服務(wù) (DDS) 等邊緣和系統級協(xié)議正在各自的應用領(lǐng)域贏(yíng)得強勁的發(fā)展勢頭。這兩者都能隨著(zhù)時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò ) (TSN) 的興起而大受裨益。這是一種確定性以太網(wǎng)傳輸，能夠管理混合關(guān)鍵性流。TSN 能在整個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò )和 IIoT 的大部分網(wǎng)絡(luò )中有力地落實(shí)統一網(wǎng)絡(luò )協(xié)議愿景，因為它能伴隨盡力服務(wù)流量(best-effort traffic) 支持各種程度的流量調度( scheduled traffic)。TSN 是一種不斷發(fā)展演進(jìn)的標準,在該標準的各方面以及最終市場(chǎng)特定狀況塵埃落定之前，宣傳專(zhuān)用芯片組(例如 ASIC 或ASSP)的標準合規性，這種做法風(fēng)險重重。類(lèi)似地，通過(guò)純軟件方法試圖向管理實(shí)時(shí)數據的現有控制器添加 TSN 支持，至少也會(huì )導致不可預測的時(shí)序行為。這樣可能會(huì )導致中斷響應、延遲內存訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間等的劣化。最終，這不會(huì )成為一種合理的解決方案，因為 TSN 要求的是一種目前的處理器中尚不具備的時(shí)間感知形式。但即使不在同一器件中集成 TSN(以管理控制功能，如端點(diǎn))，如果把外部 TSN 交換機集成到系統內，與多個(gè)端點(diǎn)連接的交換機也很有可能能夠為支持非 TSN 的控制器提供以太網(wǎng)向后兼容支持。目標是將 TSN 集成到端點(diǎn)中，在實(shí)現調度流量與盡力服務(wù)流量并行的同時(shí)，讓對控制功能時(shí)序的影響最小。見(jiàn)圖 3。

　　圖3 TSN 拓撲與優(yōu)勢

　　在控制器中集成 All Programmable TSN 實(shí)現方案，在避免對軟件時(shí)序產(chǎn)生重大影響的情況下通過(guò)在硬件中實(shí)現帶寬密集型和時(shí)間關(guān)鍵型功能，能最小化變更造成的影響。使用賽靈思內部開(kāi)發(fā)的完全符合標準的 TSN 優(yōu)化實(shí)現方案，設計人員能實(shí)現純端點(diǎn)或橋接端點(diǎn)。不論是將采用 All Programmable SoC 設計的控制器從標準以太網(wǎng)升級到 TSN，還是使用不斷發(fā)展演進(jìn)的 TSN 標準設計新的控制器，賽靈思的 All Programmable 方法不僅能讓設計人員在做出改動(dòng)時(shí)盡量避免給關(guān)鍵時(shí)序造成影響，同時(shí)還可滿(mǎn)足未來(lái)需求(相對于 ASIC 和 ASSP 而言)。

　　還值得考慮的是一種替代性，但同樣常見(jiàn)的用例。因為 IIoT 并非是一個(gè)全新行業(yè)，它仍然需要支持這個(gè)行業(yè)以前和現在這種條塊分割狀態(tài)下使用的大量傳統工業(yè)協(xié)議。大多數新型 SoC 對這些協(xié)議中甚至相當大的一部分不提供支持。因此，網(wǎng)絡(luò )接口的數量可能超過(guò)大部分這些固定 SoC 的 I/O 功能。相比之下，采用賽靈思的 All Programmable SoC 創(chuàng )建的系統能滿(mǎn)足客戶(hù)的定制要求，例如支持傳統協(xié)議及其相關(guān)的 I/O 連接。不管協(xié)議要求的是 250μs 或 64μs 周期時(shí)間，這些工業(yè)通信控制器采用完全封裝和硬件卸載實(shí)現方案后，能避免額外器件帶來(lái)的成本，且不會(huì )造成軟件方法可能導致的對主流軟件和固件的副作用。

　　不論是使用 TSN、傳統工業(yè)協(xié)議，還是最常見(jiàn)的新舊混用的情況，賽靈思都提供具有設計確定性的任意連接。

　　3 網(wǎng)絡(luò )安全：硬化的和適應未來(lái)威脅的能力

　　對廣義的網(wǎng)絡(luò )安全課題，IIoT 思想領(lǐng)袖采用“深度防御”方法。深度防御是一種多層安全形式，始于供應商的供應鏈，直至最終用戶(hù)的企業(yè)和云應用軟件，甚至延伸到軟件可能連接的物。在本部分將介紹用于部署在 IIoT 邊緣的嵌入式電子裝置的信任鏈。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )延伸至模擬-數字邊界，數據只要進(jìn)入數字域就必須得到安全保障。深度防御安全要求強有力的硬件信任根，能通過(guò)硬件、操作系統和軟件隔離以及安全通信實(shí)現安全與測量啟動(dòng)操作及運行時(shí)間安全。通過(guò)可信遠程認證服務(wù)器、認證中心等獨立核實(shí)證書(shū)的操作應通過(guò)該鏈部署。

　　在預期網(wǎng)絡(luò )安全攻擊頻率增多的情況下，安全絕非靜態(tài)不變，而是處在不斷演進(jìn)中。例如自 1995 年以來(lái)，已對傳輸層安全 (TLS) 安全消息協(xié)議做過(guò)五次重大修改，還有更多改進(jìn)即將做出。IIoT 系統供應商及其客戶(hù)需要知道如何減輕長(cháng)期安全風(fēng)險，同時(shí)最大化高成本資產(chǎn)的壽命和利用率。奠定 TLS 等協(xié)議的加密算法一般實(shí)現在硬件中，但隨著(zhù) IT-OT 融合的發(fā)展，這些 IT 側的變化會(huì )給時(shí)間關(guān)鍵 OT 性能造成不利影響。為減輕這種影響，如管理程序等部分軟件架構工具以及其它隔離方法現已經(jīng)開(kāi)始問(wèn)市。產(chǎn)品實(shí)地部署多年后，也可以將這些軟件概念與使用可編程硬件卸載和支持目前尚未定義的全新加密功能的能力相結合。這一方法提供更強有力的風(fēng)險規避計劃，可避免高成本的召回、補丁和可能的立法威脅。