基于网关的边缘计算架构

演示摘要：一种基于未被充分利用网关的边缘计算架构

ABSTRACT

物联网应用通常运行在云上，远离终端设备，可能导致隐私和安全风险，延迟降低，可靠性下降。此类部署通常使用网关来聚合设备数据并将其发送到云。我们假设这些网关未被充分利用，能够执行除数据包转发之外的更多任务。本研究旨在构建一个基于此类网关的分布式平台，目标是将应用程序推向网络边缘，以克服云的不足之处。我们的解决方案使异构网关能够相互发现，并为开发者提供编程接口，使其能够在平台上运行应用程序，而无需处理底层网络和设备复杂性。我们展示了两个使用我们API的应用程序，并演示了终端用户如何通过其个人计算机（智能手机、笔记本电脑等）与平台交互。

1 引言

传感器部署通常采用星型拓扑，其中网关作为数据聚合器将数据推送至云。这种云模式因其便于开发者更好地访问计算资源、更完善的应用程序编写支持以及集中管理设备的便利性而受到青睐。然而，存储在云中的数据面临隐私和安全风险，在远离数据源的位置运行应用程序可能导致响应延迟。此外，由于带宽成本问题，应用程序可能被迫处理压缩数据，且可用性和服务质量依赖于互联网连接。

连接。然而，便利性和实用性弥补了这些不足，这主要是因为目前尚不存在更优的模型。边缘计算是解决这些不足的一步，对于需要现场处理以实现快速响应时间的应用而言，边缘计算被认为是理想的方案。当前边缘计算的实现基于云粒模型[2]，即在网络边缘部署一台设备，负责运行时间敏感型应用，并对推送至云端的数据进行压缩处理。然而，云朵容易出现单点故障，且通常成本较高。为了弥补这些不足，我们设想利用现有的网关基础设施，以更具成本效益的方式实现边缘计算。我们认为，传感器部署中使用的网关未被充分利用，其计算能力可以承担更多任务，而不仅仅是作为云数据的聚合器。我们的假设是将处于单一所有权范围内的网关连接起来，构建一个分布式计算平台。我们从云计算中汲取灵感，在云计算中，全面的软件栈和高层抽象使云成为不可或缺的计算环境。我们希望通过对底层硬件和网络复杂性的抽象，将类似的鲁棒性和可用性带入边缘计算范式。

然而，与云计算相比，在此类网关上进行边缘计算存在一定的挑战。首先，由于网关需要靠近其所支持的设备，因此在空间上呈分布式布局。其次，网关可能根据部署地点的可用连接性使用多种不同的回传网络。此外，部署环境可能高度动态，因为新设备不断加入、网关重新定位以及部署场景发生变化。

最后，由于无线协议种类繁多且厂商定制普遍存在，网关不太可能是同质化的。要创建一个统一平台，需要进行管理这些物联网部署中的问题。我们提出了一种自动发现网关网络以及一组应用程序编程接口，使开发者能够以单一实体的形式与该网络进行交互，从而抽象出底层网关和网络的复杂性。该架构的概述见图1。我们还引入了辅助设备，以实现网络管理和应用部署。我们认为，我们的方法将有助于摒弃昂贵且临时的边缘计算方案，转而采用一种更具成本效益的分布式模型，重用现有硬件。

2 设计概述

我们介绍了系统的流程，并详细说明了参与该流程的组件。创建分布式平台的第一步是解决网关异构性问题。

我们要求这些网关具备一种公共无线电（在当前实现中使用蓝牙低功耗（BLE）），通过广播来相互发现。此外，这些网关具有一个回传网络接口（如无线网络、以太网等），用于网关之间的所有进一步通信。一旦网关被发现，我们将使用一个称为链路图的实时部署图来描述哪些网关可以相互发现，以及哪些传感器连接到各个网关。图2显示了我们传感器部署的链路图。

下一步是为开发者提供在此平台之上运行应用程序的抽象接口。为此，我们设计了网关API和服务API。网关API提供了一个有限的接口，用于查询网关的具体信息，包括邻近的网关、连接的传感器，以及正在使用的网络接口和网络统计等基础设施细节。服务API建立在网关API之上，提供了有用的抽象，使开发者能够将网关网络视为一个统一的计算平台进行交互，而无需关心应用程序部署的位置或底层网络拓扑结构。图3说明了网关API和服务API在网关网络中的结构。服务API使应用程序开发者能够与分布式平台交互，向其他网关分发数据、查询网关以及注册传感器数据流。

最后，我们允许使用蓝牙低功耗（BLE）的智能手机、笔记本电脑或其他设备连接到网关网络。这使得用户能够部署应用程序、管理网关或设备，或与网关网络交互以发现附近的设备和服务。

3 演示

我们的演示包含三个部分。首先，我们展示自动配置网关和设备部署的链路图，这将是我们在会场部署的网关和设备的实时视图。其次，我们展示示例应用程序，以展示与网络中设备交互的API支持。具体而言，我们将演示部署一个从网络中的设备消费传感器数据流的应用程序。我们还将演示由网关发现的 EnOcean 能量收集传感器[1]如何将此发现信息共享给网络中的所有其他网关，从而提高传感器的移动性。此外，我们演示将个人计算机（笔记本电脑、手机）作为辅助设备连接到网关网络，用于网络监控和代码部署。参与者可以使用他们的智能手机发现网络中的设备，并在传感器值满足某些指定条件时收到通知。他们还可以使用笔记本电脑部署在分布式平台上运行的应用程序。