CN110096361A - 基于分布式架构的边缘计算一体机及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式架构的边缘计算一体机，应用于一体机中若干个子设备的数据计算，所述一体机包括IT设施、基础设施和信息安全监控主机，所述IT设施包括IT设施监控主机、以及与其串口通信连接的网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元，所述信息安全监控主机通过以太网与网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元通信连接；所述基础设施包括动力和环境监控主机、以及与其串口通信连接的配电单元、制冷单元和UPS单元，所述动力和环境监控主机与IT设施监控主机和信息安全监控主机通信连接。本发明通过标准化、产品化的边缘计算一体机，大幅降低边缘计算节点部署成本，边缘计算一体机标准化相比定制更可靠，且成本更低。

Description

基于分布式架构的边缘计算一体机及设计方法

技术领域

本发明涉及物联网领域，特别涉及一种基于分布式架构的边缘计算一体机及设计方法。

背景技术

在现今社会，随着物联网及5G等在各个领域的发展，物联网设备的迅速增加，云计算中心无法满足工业控制等低延时要求、高可靠性，行业应用中偶然断网的本地自治，以及海量数据和有限带宽矛盾等，越来越多的计算正在从云端往边缘侧转移。在现有的云计算中，访问云或其他远程数据中心所产生的延迟较长和成本较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于分布式架构的边缘计算一体机及设计方法，将边缘计算节点成为更大的云计算架构中的一部分，使得任何业务中断都仅局限于网络中的某一点，而非整个网络，同时，将分布式的边缘计算的数据采集和控制功能、高带宽内容存储以及各种应用更靠近最终用户。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：基于分布式架构的边缘计算一体机，应用于一体机中若干个子设备的数据计算，所述一体机包括IT设施、基础设施和信息安全监控主机，

所述IT设施包括IT设施监控主机、以及与其串口通信连接的网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元，所述信息安全监控主机通过以太网与网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元通信连接；

所述基础设施包括动力和环境监控主机、以及与其串口通信连接的配电单元、制冷单元和UPS单元，所述动力和环境监控主机与IT设施监控主机和信息安全监控主机通信连接。

优选的，所述网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元均通过SNMP协议和IPMI接口接收IT设施监控主机管理。这样，各模块可以独立工作，方便进行监控。

优选的，所述网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元均通过MODBUS协议接收动力和环境监控主机管理。这样，方便监控。

基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，所述方法包括如下步骤：

S1、通过功能软件化将各台一体机构成计算服务的虚拟化层，用以将各台一体机以单一节点的物理基础设施形式进行管理；

S2、将指定数量M个一体机的节点组成聚合节点，系统由聚合节点形式对外提供服务；

S3、聚合节点内全部一体机监听聚合目录节点，当聚合节点发生变化时，调整一体机的物理信息连接；

其中，虚拟化层包括IT设施虚拟化和基础设施虚拟化，所述IT设施虚拟化包括虚拟化计算服务单元、虚拟化网络交换单元和虚拟化存储服务单元，所述基础设施虚拟化包括虚拟化配电单元、虚拟化制冷单元、虚拟化UPS单元；M为大于等于2的自然数。

优选的，在步骤S1中，虚拟化层使得聚合节点的一体机网络计算和存储服务能够以云端服务的形式出现；聚合节点服务能力虚拟化为云端标准服务，包括标准的容器集群管理微服务，当云端部署的应用服务具备和聚合节点虚拟化云端服务标准一致的接口时，可快速融合并利用边缘计算一体机的服务优势，使得应用系统获得云端断网的本地自治能力。

优选的，聚合节点组成网络采用广播通知和/或监听通知机制。这样，方便通知整个网络又新的数据加入，便于查看。

优选的，在步骤S3中，聚合节点发生变化包括新节点加入，其具体加入步骤如下：

S311、部署新一体机节点，发送网络通知；

S312、附近一体机收到通知后以其自身聚合节点为单元，接收通知；

S313、判断其自身聚合节点一体机的数量是否在指定数量M内，若是，则执行步骤S314；否则，执行步骤S315；

S314、回应消息，将新加入节点并入聚合节点，并在聚合节点内完成注册，登记新加入节点的基础设施和IT设施的全部信息，修改聚合节点目录基础设施和IT设施；

S315、拒绝接受新节点。

优选的，在步骤S3中，聚合节点发生变化包括拆分和合并节点，其具体步骤如下：

S321、修改聚合节点目录，删除一体机聚合节点；

S322、判断当前聚合节点一体机的数量是否小于N，若是，执行下一步；否则，不发送网络通知；

S323、发送网络通知，请求附近聚合节点响应；

S324、附近聚合节点判断自身的一体机数量是否小于M-N，若是，执行步骤S325，若不是，则执行步骤S326；

S325、将两个聚合节点合并；

S326、分解当前聚合节点，将拆解后的一体机节点合并到请求的聚合节点上；

其中，2N≤M，N为整数。

优选的，若当前聚合节点内，某一节点的一体机基础设施可用量不足时，通过联动控制，新的网络交换、计算服务和存储服务请求分流至当前聚合节点内其它一体机内。这样，便于及时的更换一体机，使其数据能够得到及时的处理。

优选的，若当前聚合节点内，一体机的基础设施可用性出现故障时，供电由UPS单元提供，通过联动控制，当前聚合节点内的网络交换、计算服务和存储服务逐步移出，迁移至附近其它聚合节点内的一体机。这样，保证数据的完整性，能够随时将其进行处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过标准化、产品化的边缘计算一体机研制，可大幅降低边缘计算节点部署成本，边缘计算一体机标准化相比定制更可靠，且成本更低；通过采用低能耗的计算单元，低PUE值的基础设施单元，使得边缘计算一体机具备传统小型数据机房计算能力的同时大幅节省能耗，节省物理空间，并且更易于“逐步扩容和复制”，实现快速多节点部署与管理。

附图说明

图1本发明边缘计算一体机整体结构示意图；

图2本发明边缘计算一体机内部结构示意图；

图3本发明边缘计算一体机聚合节点整体流程图；

图4本发明新节点加入流程图；

图5本发明拆分合并节点流程图。

图中标号说明：1、IT设施监控主机，2、网络交换单元，3、计算服务单元，4、存储服务单元，5、动力和环境监控主机，6、配电单元，7、制冷单元，8、UPS单元，9、信息安全监控主机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。

实施例一

如图1-2所示，本实施例涉及一种基于分布式架构的边缘计算一体机，应用于一体机中若干个子设备的数据计算。本实施例的一体机采用超融合组成，一体机融合有IT设施、基础设施和信息安全监控主机9。

其中，IT设施包括IT设施监控主机1、以及与其串口通信连接的网络交换单元2、计算服务单元3和存储服务单元4，信息安全监控主机9通过以太网与网络交换单元2、计算服务单元3和存储服务单元4通信连接。

IT设施的网络交换单元2、计算服务单元3、存储服务单元4都采用冗余设计，每个单元由若干个模块组成，每个模块都可以独立工作，每个模块开放SNMP协议和IPMI接口，接受IT设施监控主机管理。网络交换单元2的网络报文信息、计算服务单元3的计算服务能力、存储服务单元4的数据读取权限，都接受信息安全监控主机9的管理。

在本实施例中，基础设施包括动力和环境监控主机5、以及与其串口通信连接的配电单元6、制冷单元7和UPS单元8，动力和环境监控主机5与IT设施监控主机1和信息安全监控主机9通信连接。配电单元6与IT设施里的各单元、制冷单元7和UPS单元8等电连接。制冷单元7给IT设施里的各个单元制冷，保证各个单元能够正常工作。UPS单元8具有稳点电压和掉电保持作用，保持工作电压的稳点以及掉电保存数据。

基础设施的配电单元6、制冷单元7、UPS单元8，每个单元开放MODBUS协议，接受动力和环境监控主机5的管理。配电单元6、制冷单元7、UPS单元8的可用量和可用性，与分布式架构的边缘计算一体机的聚合节点内的网络交换单元2、计算服务单元3、存储服务单元4进行联动。

一体机基于分布式架构，互联采用分布式网络结构，由分布在不同地点的一体机系统连成网状结构，每个节点至少有两条链路与其他节点相连。任何一条链路出故障时，数据报文可经其他链路通过，因此网络可靠性较高。

实施例二

如图3所示，本实施例涉及一种基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，其方法包括如下步骤：

S1、多台边缘计算一体机通过分布式网络互联构成聚合节点，通过功能软件化(软件定义功能)将各台一体机构成计算服务的虚拟化层，用以将各台一体机以单一节点的物理基础设施形式进行管理。

其中，虚拟化层包括IT设施虚拟化和基础设施虚拟化，所述IT设施虚拟化包括虚拟化计算服务单元、虚拟化网络交换单元和虚拟化存储服务单元，所述基础设施虚拟化包括虚拟化配电单元、虚拟化制冷单元、虚拟化UPS单元。

管理人员可通过IT设施虚拟化，便捷安全使用计算交换和存储服务，不用关心物理设备的细节，使得管理人员能够充分利用各种不同工作负载下的所有计算能力。管理人员可通过基础设施虚拟化，高效安全的管理基础设施。如通过对比基础设施虚拟化的制冷单元的可用量和IT设施虚拟化层的可用量和增加服务的制冷需求量，就可判断是否需要增加制冷单元的能力来提高整体聚合节点的服务能力。

本实施例通过构建计算服务的虚拟化层，使得聚合节点的分布式边缘计算一体机的网络计算和存储服务能够以云端服务的形式出现。

聚合节点服务能力虚拟化为云端标准服务，包括标准的容器集群管理微服务，当云端已经部署的应用服务，具备和聚合节点虚拟化云端服务标准一致的接口时，就不需要重新开发或修改应用系统，可快速融合并利用边缘计算一体机的服务优势，使得应用系统获得云端服务不具备的低延时要求、高可靠性，以及云端断网的本地自治能力。

S2、将指定数量M个一体机的节点组成聚合节点，系统由聚合节点形式对外提供服务。其中，M为大于等于2的自然数。

一般来说，分布式架构的边缘计算一体机节点由4至10台一体机组成一个聚合节点，系统由聚合节点形式对外提供服务，使聚合节点具备低延时高性能的同时，通过多个边缘计算一体机节点的冗余保证服务的稳定性。同时，聚合节点组成网络采用广播通知和/或监听通知机制。这样，方便通知整个网络又新的数据加入，便于查看。

S3、聚合节点内的每台边缘计算一体机监听它关心的聚合目录节点，当聚合节点发生变化时(节点改变、被删除、被增加)，调整边缘计算一体机的物理信息连接。

在本实施例中，以聚合节点由10台一体机组成为例。

如图4所示，其中，在步骤S3中，聚合节点内的每台边缘计算一体机监听它关心的聚合目录节点，若节点需要增加，则需要增加聚合节点目录基础设施和IT设施。具体的，聚合节点发生变化为新节点加入时，其具体加入步骤如下：

S311、部署新一体机节点，发送网络通知；

S312、附近一体机收到通知后以其自身聚合节点为单元，接收通知；

S313、判断其自身聚合节点一体机的数量是否在指定数量M内，即判断自身聚合节点内一体机的数量是否小于10，若是，则执行步骤S314；否则，执行步骤S315；

S314、回应消息，将新加入节点并入聚合节点，并在聚合节点内完成注册，登记新加入节点的基础设施和IT设施的全部信息，修改聚合节点目录基础设施和IT设施，结束；

S315、拒绝接受新节点，结束。

如图5所示，聚合节点发生变化为拆分(被删除)和合并节点时，其具体步骤如下：

S321、修改聚合节点目录，删除一体机聚合节点；

S322、判断当前聚合节点一体机的数量是否小于N，举例来说，比如判断当前聚合节点一体机的数量是否小于4，若是，执行下一步；否则，不发送网络通知；

S323、发送网络通知，请求附近聚合节点响应；

S324、附近聚合节点判断自身的一体机数量是否小于M-N，即判断其数量是否小于6，若是，执行步骤S325，若不是，则执行步骤S326；

S325、将两个聚合节点合并；

S326、分解当前聚合节点，将拆解后的一体机节点合并到请求的聚合节点上，使得一体机组成一个聚合节点在保持在稳定安全数量范围。

其中，2N≤M，N为整数。

在步骤S3中，聚合节点内的每台边缘计算一体机监听它关心的聚合目录节点，若节点内容需要改变，则需要修改对应聚合节点目录基础设施和IT设施。

在本实施例中，若当前聚合节点内，某一节点的一体机基础设施可用量不足时，通过联动控制，新的网络交换、计算服务和存储服务请求分流至当前聚合节点内其它一体机内。这样，便于及时的更换一体机，使其数据能够得到及时的处理。

若当前聚合节点内，一体机的基础设施可用性出现故障时，供电由UPS单元提供，通过联动控制，当前聚合节点内的网络交换、计算服务和存储服务逐步移出，迁移至附近其它聚合节点内的一体机。这样，保证数据的完整性，能够随时将其进行处理。

本发明的有益效果为：通过标准化、产品化的边缘计算一体机研制，可大幅降低边缘计算节点部署成本，边缘计算一体机标准化相比定制更可靠，且成本更低；通过采用低能耗的计算单元，低PUE值的基础设施单元，使得边缘计算一体机具备传统小型数据机房计算能力的同时大幅节省能耗，节省物理空间，并且更易于“逐步扩容和复制”，实现快速多节点部署与管理。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.基于分布式架构的边缘计算一体机，应用于一体机中若干个子设备的数据计算，其特征在于：所述一体机包括IT设施、基础设施和信息安全监控主机，

所述IT设施包括IT设施监控主机、以及与其串口通信连接的网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元，所述信息安全监控主机通过以太网与网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元通信连接；

所述基础设施包括动力和环境监控主机、以及与其串口通信连接的配电单元、制冷单元和UPS单元，所述动力和环境监控主机与IT设施监控主机和信息安全监控主机通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于分布式架构的边缘计算一体机，其特征在于：所述网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元均通过SNMP协议和IPMI接口接收IT设施监控主机管理。

3.根据权利要求1所述的基于分布式架构的边缘计算一体机，其特征在于：所述网络交换单元、计算服务单元和存储服务单元均通过MODBUS协议接收动力和环境监控主机管理。

4.基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

S1、通过功能软件化将各台一体机构成计算服务的虚拟化层，用以将各台一体机以单一节点的物理基础设施形式进行管理；

S2、将指定数量M个一体机的节点组成聚合节点，系统由聚合节点形式对外提供服务；

S3、聚合节点内全部一体机监听聚合目录节点，当聚合节点发生变化时，调整一体机的物理信息连接；

其中，虚拟化层包括IT设施虚拟化和基础设施虚拟化，所述IT设施虚拟化包括虚拟化计算服务单元、虚拟化网络交换单元和虚拟化存储服务单元，所述基础设施虚拟化包括虚拟化配电单元、虚拟化制冷单元、虚拟化UPS单元；M为大于等于2的自然数。

5.根据权利要求4所述的基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，其特征在于：在步骤S1中，虚拟化层使得聚合节点的一体机网络计算和存储服务能够以云端服务的形式出现；

聚合节点服务能力虚拟化为云端标准服务，包括标准的容器集群管理微服务，当云端部署的应用服务具备和聚合节点虚拟化云端服务标准一致的接口时，可快速融合并利用边缘计算一体机的服务优势，使得应用系统获得云端断网的本地自治能力。

6.根据权利要求5所述的基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，其特征在于：聚合节点组成网络采用广播通知和/或监听通知机制。

7.根据权利要求6所述的基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，其特征在于：在步骤S3中，聚合节点发生变化包括新节点加入，其具体加入步骤如下：

S311、部署新一体机节点，发送网络通知；

S312、附近一体机收到通知后以其自身聚合节点为单元，接收通知；

S313、判断其自身聚合节点一体机的数量是否在指定数量M内，若是，则执行步骤S314；否则，执行步骤S315；

S314、回应消息，将新加入节点并入聚合节点，并在聚合节点内完成注册，登记新加入节点的基础设施和IT设施的全部信息，修改聚合节点目录基础设施和IT设施；

S315、拒绝接受新节点。

8.根据权利要求6所述的基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，其特征在于：在步骤S3中，聚合节点发生变化包括拆分和合并节点，其具体步骤如下：

S321、修改聚合节点目录，删除一体机聚合节点；

S322、判断当前聚合节点一体机的数量是否小于N，若是，执行下一步；否则，不发送网络通知；

S323、发送网络通知，请求附近聚合节点响应；

S324、附近聚合节点判断自身的一体机数量是否小于M-N，若是，执行步骤S325，若不是，则执行步骤S326；

S325、将两个聚合节点合并；

S326、分解当前聚合节点，将拆解后的一体机节点合并到请求的聚合节点上；

其中，2N≤M，N为整数。

9.根据权利要求6所述的基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，其特征在于：若当前聚合节点内，某一节点的一体机基础设施可用量不足时，通过联动控制，新的网络交换、计算服务和存储服务请求分流至当前聚合节点内其它一体机内。

10.根据权利要求6所述的基于分布式架构的边缘计算一体机的设计方法，其特征在于：若当前聚合节点内，一体机的基础设施可用性出现故障时，供电由UPS单元提供，通过联动控制，当前聚合节点内的网络交换、计算服务和存储服务逐步移出，迁移至附近其它聚合节点内的一体机。