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工业物联网的分布式系统视角
Konrad Iwanicki
数学、信息与力学学院
波兰华沙大学
电子邮件：iwanicki@mimuw.edu.pl
摘要----工业物联网（IoT）经常被提及为计算领域的新兴领域之一，在未来十年可能会对现实世界产生巨大的潜在影响。在本文中，我们从分布式系统的角度分析了工业物联网解决方案带来的挑战和机遇。我们关注的是传感和驱动层，这是由于此类解决方案与它们监视和控制的物理对象紧密耦合的结果。我们分析这一层的互操作性、可扩展性和可靠性，这是许多分布式系统的关键特性。
目 录
一、引言
从2012年开始，IEEE计算机协会每年发布一份清单，列出了预计将在接下来的一年中被采用的计算技术十大主要趋势。具体而言，2018年的预测包括深度学习、数字货币、被称为“区块链”的技术、工业物联网（IoT）、机器人技术、辅助运输、增强和虚拟现实、计算机硬件加速器、网络安全人工智能，最后是关于道德、法律和隐私、安全和责任的政策[1]。有趣的是，两年前，人们开始评估这些预测的准确性，到目前为止，总体成绩在2016年[2]为B ，2017年[3]为A-，这可能表明这些预测至少在某种程度上是可靠的。无论如何，对于2018年，同样的技术出现在其他实体和个人做出的许多类似预测中。因此，让我们假设列举的趋势确实会在不久的将来推动计算。
在上述预测中从⼀开始就被反复列出并得到特别认可的趋势，是物联网及其各个方面。物联网背后的核心理念是将微型、网络化的电子设备嵌入周围的物理对象：物体。因此，这些日常物品获得了与环境交互并与彼此和互联网通信的能力。更具体地说，每个设备可以通过读取各种传感器来观察其对象或环境，在本地分析读数，可能推断出一些更高级别的观察结果，最后将这些观察结果发送到附近的其他设备或互联网进行进一步处理。类似地，它可以从其他设备或互联网接收各种命令，据此触发对象的执行器，从而改变对象的状态。按照这种通用方案，联网的物理对象可以直接协作，即无需人工干预，实际上使我们的生活更加方便、健康、安全和环保，仅举几个好处[4]。思科高管的估计很好地说明了物联网的巨大潜力，声称有朝一日可能加入互联网的 99% 的物理对象，或准确地说是在 2013 年仍然未连接 [5]。
除了潜力之外，与上述预测中列出的其他趋势相比，物联网的另一个特别之处在于，它更多的是一种愿景，而不是一种特定的技术。特别是，预测中的其他技术已经在为物联网做出贡献，或者可能在未来做出贡献。首先，深度学习对于从事物感知的数据中提取模式并将这些模式解释为影响物理世界的驱动决策至关重要。数字货币可以促进对周围智能事物提供的各种服务的小额支付，而增强和虚拟现实可以为这些服务提供接口。区块链技术可以在管理事物产生的信息方面发挥作用。机器人和车辆是另一种类型的事物，它们的自主操作可能会涉及与其他智能对象的交互，这也使得机器人和辅助运输优雅地融入物联网愿景。反过来，需要硬件加速器的进步来为物联网分析组件提供计算能力，尤其是那些利用机器学习的分析组件。最后，因为物联网的愿景已经被人们所熟知，涉及隐私和安全的新挑战包括人类的人身安全和现实世界的资产，人工智能在网络安全中的应用以及新的道德、法律和政策规则将成为必需品。总而言之，物联网似乎确实是一个对计算研究议程可能产生巨大影响的愿景。
此外，物联网愿景成为现实已经有一段时间了。符合这一愿景的各种解决方案（我称之为物联网解决方案/系统/设备等）正在现实世界中部署。特别是，Gartner报告称，2016年安装了近64亿台物联网设备[6]，比2015年增加了30%[7]，并预测到2020年将进一步增加243%。总的来说，尽管其他报告给出了不同的绝对值数字[8]，但根据物联网设备的不同，似乎有一个共同的共识，即与面向消费者的物联网设备相比，工业物联网解决方案的采用一直滞后。
有几个问题导致工业物联网的采用率低于预期，其中一些问题超出了计算本身。然而，在本文中，我们将重点讨论三个关键问题，我认为分布式系统社区的经验可能对它们具有最高价值，而且对称地说，社区可能会感兴趣，即互操作性、可扩展性和可靠性。我们首先分析工业物联网解决方案与经典分布式系统的比较（第二节）。然后，我们讨论了物联网系统在互操作性（第三节）、可扩展性（第四节）和可靠性（第五节）方面面临的一些挑战和提供的研究机会。最后，我们总结了主要结论（第六节）。
二、工业物联网中的分布式系统
工业物联网已经受到网络和嵌入式系统社区的大量研究关注，并产生了一些引人注目的解决方案，奠定当今的部署基础。然而，如前所述，扩大其采用范围需要进一步的研究贡献，包括分布式系统社区的经验。
A.工业物联网解决方案是分布式系统hellip;
考虑到工业物联网的意义，采用分布式系统的观点是很自然的。更具体地说，工业物联网系统是一个很大程度上独立的互联计算元素的集合，这些计算元素以某种方式监控或控制一些物理资源系统，在系统用户看来，这种方式似乎是实现特定业务流程的单一设施的操作。换句话说，工业物联网系统完全符合分布式系统的经典定义[9]。
其中，这一定义强调了两个方面。首先，它涉及到相互关联的组件，尽管它们在很大程度上是自主的。其次，它要求这些组件在外部世界看来是一个单一的连贯系统。这种组合意味着自治组件必须以某种方式协作。建立这种协作所依据的原则和范例是分布式系统的核心。
更重要的是，这种强调组件间协作的工业物联网方法补充了网络和嵌入式系统社区所采用的方法。网络社区通常侧重于互连组件的方法，以实现高效可靠的通信。而嵌入式系统社区则关注组件本身及其与物理对象和周围环境的接口。尽管这些兴趣经常与分布式系统社区的兴趣重叠，但它们确实有所不同，因此，将工业物联网解决方案视为具有所有经典挑战的分布式系统具有增加价值的潜⼒。
B. hellip;但特殊的是
然而，工业物联网解决方案确实不同于传统的分布式系统，尤其是其关键组件主要位于数据中心的系统。这些差异主要源于此类解决方案与它们监视或控制的实际物理对象之间的紧密耦合。这些与物理世界的交互在流行的分布式系统三层体系结构[9]中产生了一个新的逻辑层，即传感和驱动层(见图1)，它包含了经典的用户界面层，不仅提供与人和其他系统交互的手段，而且还提供与物理对象交互的方式。虽然工业物联网也会对其他两层产生显著影响，但本文重点关注的是新的传感和驱动层。
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数据存储层 |
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应用逻辑层 |
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传感和驱动层 |
图1. 工业物联网中的逻辑分层
该层负责系统与物理对象的交互，包括嵌入这些对象的设备。由于这种嵌入，设备的电源、外形和外部布线往往受到限制。这反过来又（严重）限制了他们的资源，尤其是计算能力、通信带宽、内存和存储空间。此外，即使在单一系统中，它们也可能是高度异构的。总而言之，就计算和网络能力而言，传感和驱动层的平台通常处于频谱的低端，因此与经典分布式系统所使用的平台存在显著差异。
同样，嵌入式设备的物理位置通常由其操作的特定传感和驱动点决定。根据这些点的分布，设备的数量可能很大。类似地，它们覆盖的区域可能很宽，或者相反，设备可能密集地聚集在一个小区域中，这会影响它们的（无线）网络连接。
最后，这些设备可以监控关键现象或控制昂贵的设备。操作条件可能涉及低温和高温，有时涉及昼夜循环。他们也可能暴露在其他不利的环境因素下，例如水、灰尘、振动、阳光直射。换句话说，它们的职责和操作环境与部署在“无菌”数据中心的系统有很大不同。
总之，这些特性表明了传感和驱动层在工业物联网系统互操作性、可扩展性和可靠性中的三个方面的重要性，我们接下来将详细介绍这三个方面。请注意，此方面列表绝不旨在完整；他们的报道也不在后面的章节中。全面涵盖工业物联网带来的所有挑战和当前的技术水平需要比这篇简短的论文更多的页面。例如，我们鼓励感兴趣的读者从一个可用的调查或更新的书籍开始。相比之下，本文的目的只是激发人们对一些问题的兴趣，这些问题是我在与几个工业实体合作期间遇到的，它们被认为与整个工业物联网相关，我相信分布式系统社区可能会感兴趣。
三、 工业物联网中的互操作性
工业物联网系统的目标是改变业务流程。尽管这种转变通常具有破坏性，但通常不涉及更换整个基础设施。相反，这些系统通常是对基础设施的补充，甚至集成其现有的各种组件。这意味着它们必须使用遗留组件进行操作，有时使用的方式是这些组件的创建者所没有预料到的。
此外，如前所述，即使是面向物联网的专用设备在单个系统中也可能具有高度异构性。根据它们的功能，它们的电源、可用资源、网络技术、连接的传感器和执行器以及能够运行的软件可能会有所不同。尽管存在这些差异，但它们必须进行互操作，才能给人形成一个单一连贯系统的错觉。
A.标准化
解决这个问题的方法之一是标准化。在传感和驱动层，标准化在物联网设备通信协议中尤为明显；然而，成功与否参半。特别是，对于专为低功耗低数据速率通信设计的IEEE 802.15.4，在实践中通常只使用标准的一部分，而其他部分则被定制解决方案取代，以便在与系统提供商的竞争中获得优势。这使得任何两个基于802.15.4的不同解决方案在链路层可能已经不兼容。低功耗蓝牙旨在通过将通信标准化到应用层来解决这种不兼容性。然而，这使得它很难适用于工业应用。此外，针对不同通信场景的新标准定期出现（如LoRa），而现有标准则获得其低功耗版本（如Wi-Fi HaLow）。最后，有许多较老的标准专门用于工业应用，它们并不完全适合Internet协议栈[10]。
考虑到互联网的体系结构，只要各种解决方案可以与互联网协议集成，低级标准过剩在理论上就不是问题[11]。然而，在实践中，仅仅标准化IP数据包在这些协议[12]、[13]的帧中携带方式，甚至是如何有效地路由这些数据包[14]是不够的。组成工业物联网系统的各种组件的端到端集成需要应用层协议，如受限应用协议（CoAP）[15]。尽管如此，它仍然不能保证与传统解决方案的互操作性。
B.中间件
⻓期以来，分布式系统社区已经通过中间件解决此类集成问题。正如企业应用程序集成的大量经验表明，即使是在传统系统中，中间件可以成为确保互操作性的有效方法。因此，尽管标准化很重要，但开发合适的中间件也可能对工业物联网的采用产生重大影响。事实上，前面提到的CoAP是一个教科书式的中间件协议。
然而，除了工业物联网传感和驱动层设备的特点外，还有一个问题是不同行业可能对中间件有不同的需求。发现和满足这些需求可能是一个具有挑战性的过程。
四、 工业物联网的可扩展性
许多工业物联网系统的另一个要求是可扩展性，即系统在显著增长时的良好性能。当我们不仅要考虑工业IOT解决方案的可能规模，还要考虑它们部署的方式时，设计可扩展性的重要性尤其明显。由于此类解决方案通常旨在对业务流程进行物理改造，因此它们的部署通常会针对每个客户逐步进行：首先是一个或几个小测试，然后是最初仅包含目标系
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