CN115086403A - 一种针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，包括边缘计算网关，所述边缘计算网关搭建了微服务软件架构，采用Docker容器技术进行部署和运行；所述边缘计算网关的软件总体结构包括：协议适配层，用于对接收到的消息报文进行解析，根据解析结果查找报文数据的优先级和数据内容，并完成数据格式的转换；组态微服务模块，用于把组态服务分解为不同功能微服务单元的组合，各不同功能微服务单元之间通过给定的接口进行通信，以发布/订阅的方式进行消息传输。本发明能够在边缘计算网关上实现协议适配微服务、异构网络设备组态微服务等关键模块的功能设计和实现。

Description

一种针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构
技术领域
本发明涉及边缘计算信息技术和物联网通信技术领域，特别是涉及一种针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构。
背景技术
现有的网关既没有与云计算相结合，也没有在网关本地实现数据处理，仅仅只是实现数据的转发、协议转换、路由配置、通信资源配置等功能。因此，现有的网关不具备边缘计算能力，也没有与云计算相互结合。现有的网关实现异构设备通信和提供异构设备组态服务的复杂度较高，为异构网络接入提供组态服务的可行方案较少。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，能够在边缘计算网关上实现协议适配微服务、异构网络设备组态微服务等关键模块的功能设计和实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，包括边缘计算网关，所述边缘计算网关搭建了微服务软件架构，采用Docker容器技术进行部署和运行；
所述边缘计算网关的软件总体结构包括：协议适配层，用于对接收到的消息报文进行解析，根据解析结果查找报文数据的优先级和数据内容，并完成数据格式的转换；组态微服务模块，用于把组态服务分解为不同功能微服务单元的组合，各不同功能微服务单元之间通过给定的接口进行通信，以发布/订阅的方式进行消息传输。
所述组态微服务模块包括：
统一配置层，包括设备元数据微服务单元和微服务单元配置微服务单元，所述设备元数据微服务单元用于提供设备的注册功能，生成与设备对应的唯一ID，所述微服务单元配置微服务单元用于负责其他微服务单元的初始化以及启动配置管理；
数据存储层，包括数据持久化微服务单元和数据清除微服务单元，所述数据持久化微服务单元用于存储设备数据以及为其它微服务单元提供访问数据的唯一接入口，所述数据清除微服务单元用于定时清除存储的数据；
策略执行层，包括命令操作微服务单元和策略触发微服务单元，所述命令操作微服务单元用于执行其他微服务单元发出的命令，所述策略触发微服务单元用于负责控制策略的执行工作；
策略与警报层，包括警报和通知微服务单元和策略控制微服务单元，所述警报和通知微服务单元用于提供报警和通知服务，所述策略控制微服务单元用于编辑和生成控制策略文件；
消息发布层，包括消息发布微服务单元和消息订阅微服务单元，所述消息发布微服务单元用于负责其它微服务单元的消息发送，所述消息订阅微服务用于为其它微服务单元提供消息订阅功能。
所述协议适配层在适配微服务时具体为：解析接收到的消息报文的网络层数据包头部，获取消息报文中数据包的优先级类型；解析接收到的消息报文的网络层负载，获取消息报文中数据包的传输内容；将获取到的所述优先级类型和传输内容重组为统一的数据格式。
所述解析接收到的消息报文的网络层数据包头部，获取消息报文中数据包的优先级类型前还包括：判断所述消息报文中数据包是否为聚合包，若是则解聚数据包，否则判断所述消息报文中数据包是否为分段包，若是则重组数据包，否则解析接收到的消息报文的网络层数据包头部。
所述解析接收到的消息报文的网络层负载时，还包括判断所述网络层负载是否为命令行负载，若是则按命令负载执行相应的动作，否则获取消息报文中数据包的传输内容。
所述组态微服务模块在实现流程时具体为：所述消息订阅微服务单元实时监控由所述协议适配层转换的协议；所述策略控制微服务单元编辑、生成策略控制文件，动态配置控制策略；为所述策略触发微服务单元预先配置控制策略或设置条件阈值；依据所述控制策略实时判断订阅的消息；若达到触发条件，所述命令操作微服务单元下达执行命令；通过所述协议适配层驱动对应的接入网络的设备执行相应动作。
所述组态微服务模块在实现设备间组态服务的建立时具体为：所述设备元数据微服务单元从相应的所述协议适配层获取所述设备的信息数据，并在所述设备元数据微服务单元中对所述设备进行注册并生成与所述设备相关联的唯一设备ID；所述数据持久化微服务单元接收从所述设备元数据微服务单元上传的所述设备的信息数据和所述设备ID，每一个所述设备ID对应一个设备的信息数据并做持久化存储；所述策略触发微服务单元通过消息订阅微服务单元实时监控传输的数据，然后根据预先配置的控制策略，确定数据是直接在本地处理还是通过所述消息发布层传输到云端处理；如果在云端处理，则对所述设备的历史数据进行存储和分析，并返回结果，通过所述消息发布层把处理结果返回到相应的微服务单元中；如果在本地处理，所述策略触发微服务单元通过订阅相应微服务的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求，则所述策略触发微服务单元会触发相应的动作，发出命令到所述命令操作微服务单元，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据，所述策略控制微服务单元对所述策略触发微服务单元中的控制策略进行配置并即时生效；所述消息发布微服务单元对接收到的消息进行判断，若有异常会触发所述警报和通知微服务单元，从而通过所述消息发布微服务单元返回异常消息进行通知，否则所述命令操作微服务单元会依据接收到的命令做出相应的动作；所述命令操作微服务单元从所述数据持久化微服务单元中查找给定的设备的信息数据是否存在，若不存在就返回设备不存在的消息，否则就返回设备ID；所述命令操作微服务单元把要执行的命令发送到所述协议适配层，转换成相应设备使用的通信数据格式，进而驱动设备执行相应的动作，完成设备间组态服务的建立，异构网络设备之间开始通信。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用微服务设计的模式，在复杂的异构通信协议设备接入的情况下，简化了把协议适配微服务模块化简化了协议适配软件设计的复杂性，可以根据现场具体协议类型，设计协议解析模块，微服务模块能够实现即插即用。本发明基于边缘计算的异构网络设备组态微服务方法，降低实现异构设备组态服务的复杂度，降低实现跨平台、异构网络设备间组态的建立的难度，简化组态服务流程。
附图说明
图1是本发明实施方式的边缘计算网关的结构图；
图2是本发明实施方式的边缘计算网关软件部分的总体结构图；
图3是本发明实施方式中适配层的实现流程图；
图4是本发明实施方式中适配层的协议适配流程图；
图5是本发明实施方式中组态微服务模块的实现流程图；
图6是本发明实施方式中组态微服务模块实现设备间组态服务的建立流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，其可以分为三个层次，分别是现场异构设备接入网络层、边缘计算网关和云端服务层。如图1所示，边缘计算网关结构采用模块化设计，主要功能分为协议转换模块、数据本地存储模块、数据本地处理模块、边云交互模块和设备管理模块，并且为未来需要增加的功能模块预留相应的接口。本实施方式中的边缘计算网关的结构除了具备传统网关的协议转换、数据转发、路由选择的能力外，还具备计算、存储和管理能力。根据接收数据的不同情况，数据既可以在边缘网关本地直接处理，也可以传到云端再处理。
所述边缘计算网关根据泛在接入网关设备类型复杂、异构的特征，搭建了微服务软件架构，使得服务组件化，根据实际部署情况灵活构建，以适应接入网络和业务复杂、多样的特点。其采用Docker容器技术进行部署和运行，既可以提高微服务模块部署效率，也可以为每个微服务模块的运行提供隔离环境，在复杂恶劣的环境下，降低干扰的影响，提高可靠性。
如图2所示，所述边缘计算网关的软件总体结构包括：协议适配层，包括协议适配微服务单元，用于完成数据格式的转换；组态微服务模块，用于把组态服务分解为不同功能微服务单元的组合，各不同功能微服务单元之间通过给定的接口进行通信，以发布/订阅的方式进行消息传输。
其中，组态微服务模块包括：
统一配置层，包括设备元数据微服务单元和微服务单元配置微服务单元，所述设备元数据微服务单元用于提供设备的注册功能，生成与设备对应的唯一ID，所述微服务单元配置微服务单元用于负责其他微服务单元的初始化以及启动配置管理；
数据存储层，包括数据持久化微服务单元和数据清除微服务单元，所述数据持久化微服务单元用于存储设备数据以及为其它微服务单元提供访问数据的唯一接入口，所述数据清除微服务单元用于定时清除存储的数据；
策略执行层，包括命令操作微服务单元和策略触发微服务单元，所述命令操作微服务单元用于执行其他微服务单元发出的命令，所述策略触发微服务单元用于负责控制策略的执行工作；
策略与警报层，包括警报和通知微服务单元和策略控制微服务单元，所述警报和通知微服务单元用于提供报警和通知服务，所述策略控制微服务单元用于编辑和生成控制策略文件；
消息发布层，包括消息发布微服务单元和消息订阅微服务单元，所述消息发布微服务单元用于负责其它微服务单元的消息发送，所述消息订阅微服务用于为其它微服务单元提供消息订阅功能。
所述协议适配层在适配微服务时具体为：解析接收到的消息报文的网络层数据包头部，获取消息报文中数据包的优先级类型；解析接收到的消息报文的网络层负载，获取消息报文中数据包的传输内容；将获取到的所述优先级类型和传输内容重组为统一的数据格式。
所述解析接收到的消息报文的网络层数据包头部，获取消息报文中数据包的优先级类型前还包括：判断所述消息报文中数据包是否为聚合包，若是则解聚数据包，否则判断所述消息报文中数据包是否为分段包，若是则重组数据包，否则解析接收到的消息报文的网络层数据包头部。
所述解析接收到的消息报文的网络层负载时，还包括判断所述网络层负载是否为命令行负载，若是则按命令负载执行相应的动作，否则获取消息报文中数据包的传输内容。
边缘计算网关需要具备对异构网络设备传输数据进行解析和转换数据格式的功能，为下一步数据的处理做准备。如图3所示，协议适配层就是接收设备发送的消息报文后，解析这条消息报文中的包头和负载，查找报文数据的优先级和数据内容，并完成数据格式的转换。
如图4所示，协议适配微服务单元的功能实现的步骤如下：
(1)假如设备已经入网并且可以正常发送数据，边缘网关开始接收设备发送的数据，协议适配微服务单元则开始解析消息网络层的头部和负载；
(2)协议适配微服务单元通过解析消息的网络层数据包头部，判断若该数据包为聚合数据包，则先解聚数据包，再进行下一步；
(3)若该数据包为分段包，则先对分段数据包进行重组；
(4)继续解析数据包头，从中提取出该数据包的优先级，返回数据包的优先级结果；
(5)对网络层的负载进行识别，若为命令数据包，则按照解析出来的命令执行对应的动作，否则进行下一步；
(6)提取网络层数据包负载中的数据和解析出的优先级结果，重新组合为新的数据包，再发送到需要该数据的微服务单元。
利用微服务的服务组件化和平台无关性，把组态服务分解为不同功能微服务单元的组合。微服务单元之间通过给定的接口进行通信，以发布/订阅的方式进行消息传输。本实施方式可以降低带宽资源消耗、缩短响应时间，降低实现异构设备间通信的复杂度，为异构设备提供组态服务。
组态微服务模块的整体流程包含很多子流程，主要包含协议适配微服务的协议转换流程、设备注册和信息存储流程、控制策略执行流程、消息发布/订阅流程、与云端数据交互流程。如图5所示，具体为：所述消息订阅微服务单元实时监控由所述协议适配层转换的协议；所述策略控制微服务单元编辑、生成策略控制文件，动态配置控制策略；为所述策略触发微服务单元预先配置控制策略或设置条件阈值；依据所述控制策略实时判断订阅的消息；若达到触发条件，所述命令操作微服务单元下达执行命令；通过所述协议适配层驱动对应的接入网络的设备执行相应动作。
如图6所示，所述组态微服务模块在实现设备间组态服务的建立时具体包括以下步骤：
(1)通过协议适配层中对应的协议适配微服务单元，把设备传输的数据转换为系统内部统一的数据格式；
(2)设备元数据微服务单元从相应的协议适配微服务单元中获取设备信息数据，并在设备元数据微服务单元中对设备进行注册并生成与该设备相关联的唯一设备ID；
(3)数据持久化微服务单元接收从设备元数据微服务单元上传的设备信息和设备ID，每一个设备ID对应一个设备信息并做持久化存储；同样对接收到的数据也做实时处理和持久化存储，并为其它微服务单元提供唯一的数据访问接入口；
(4)策略触发微服务单元通过消息订阅微服务单元实时监控传输的数据，然后根据预先配置的控制策略，确定数据是直接在本地处理还是通过消息发布层传输到云端处理；
(5)如果在云端处理，则对设备历史数据进行存储和分析，返回结果，通过消息发布层把处理结果返回到相应的微服务单元中；
(6)策略触发微服务单元通过订阅相应微服务单元的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求，则会触发相应的动作，发出命令，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据，策略控制微服务单元对策略触发微服务单元中的控制策略进行配置并即时生效；
(7)消息发布微服务单元对接收到的消息进行判断，若有异常会触发警报和通知微服务单元，从而通过消息发布微服务单元返回异常消息进行通知，否则命令操作微服务单元会依据接收到的命令做出相应的动作；
(8)命令操作微服务单元从数据持久化微服务单元中查找给定的设备信息是否存在，若不存在就返回设备不存在的消息，否则就返回设备ID；
(9)命令操作微服务单元把要执行的命令发送到协议适配层，转换成相应设备使用的通信数据格式，进而驱动设备执行相应的动作，完成设备间组态服务的建立，异构网络设备之间开始通信。
不难发现，本发明根据边缘计算的特点，在边缘计算平台(框架)的支持下，在网关本地实现了实时数据处理和分析以及阈值判断和控制，实现了本地及时处理和部分智能决策。本发明采用微服务设计的模式，在复杂的异构通信协议设备接入的情况下，简化了把协议适配微服务模块化简化了协议适配软件设计的复杂性，可以根据现场具体协议类型，设计协议解析模块，微服务模块能够实现即插即用。本发明基于边缘计算的异构网络设备组态微服务方法，降低实现异构设备组态服务的复杂度，降低实现跨平台、异构网络设备间组态的建立的难度，简化组态服务流程。

Claims (7)

1.一种针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，其特征在于，包括边缘计算网关，所述边缘计算网关搭建了微服务软件架构，采用Docker容器技术进行部署和运行；
所述边缘计算网关的软件总体结构包括：协议适配层，用于对接收到的消息报文进行解析，根据解析结果查找报文数据的优先级和数据内容，并完成数据格式的转换；组态微服务模块，用于把组态服务分解为不同功能微服务单元的组合，各不同功能微服务单元之间通过给定的接口进行通信，以发布/订阅的方式进行消息传输。
2.根据权利要求1所述的针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，其特征在于，所述组态微服务模块包括：
统一配置层，包括设备元数据微服务单元和微服务单元配置微服务单元，所述设备元数据微服务单元用于提供设备的注册功能，生成与设备对应的唯一ID，所述微服务单元配置微服务单元用于负责其他微服务单元的初始化以及启动配置管理；
数据存储层，包括数据持久化微服务单元和数据清除微服务单元，所述数据持久化微服务单元用于存储设备数据以及为其它微服务单元提供访问数据的唯一接入口，所述数据清除微服务单元用于定时清除存储的数据；
策略执行层，包括命令操作微服务单元和策略触发微服务单元，所述命令操作微服务单元用于执行其他微服务单元发出的命令，所述策略触发微服务单元用于负责控制策略的执行工作；
策略与警报层，包括警报和通知微服务单元和策略控制微服务单元，所述警报和通知微服务单元用于提供报警和通知服务，所述策略控制微服务单元用于编辑和生成控制策略文件；
消息发布层，包括消息发布微服务单元和消息订阅微服务单元，所述消息发布微服务单元用于负责其它微服务单元的消息发送，所述消息订阅微服务用于为其它微服务单元提供消息订阅功能。
3.根据权利要求1所述的针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，其特征在于，所述协议适配层在适配微服务时具体为：解析接收到的消息报文的网络层数据包头部，获取消息报文中数据包的优先级类型；解析接收到的消息报文的网络层负载，获取消息报文中数据包的传输内容；将获取到的所述优先级类型和传输内容重组为统一的数据格式。
4.根据权利要求3所述的针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，其特征在于，所述解析接收到的消息报文的网络层数据包头部，获取消息报文中数据包的优先级类型前还包括：判断所述消息报文中数据包是否为聚合包，若是则解聚数据包，否则判断所述消息报文中数据包是否为分段包，若是则重组数据包，否则解析接收到的消息报文的网络层数据包头部。
5.根据权利要求3所述的针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，其特征在于，所述解析接收到的消息报文的网络层负载时，还包括判断所述网络层负载是否为命令行负载，若是则按命令负载执行相应的动作，否则获取消息报文中数据包的传输内容。
6.根据权利要求2所述的针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，其特征在于，所述组态微服务模块在实现流程时具体为：所述消息订阅微服务单元实时监控由所述协议适配层转换的协议；所述策略控制微服务单元编辑、生成策略控制文件，动态配置控制策略；为所述策略触发微服务单元预先配置控制策略或设置条件阈值；依据所述控制策略实时判断订阅的消息；若达到触发条件，所述命令操作微服务单元下达执行命令；通过所述协议适配层驱动对应的接入网络的设备执行相应动作。
7.根据权利要求2所述的针对泛在异构接入的边缘计算网关微服务架构，其特征在于，所述组态微服务模块在实现设备间组态服务的建立时具体为：所述设备元数据微服务单元从相应的所述协议适配层获取所述设备的信息数据，并在所述设备元数据微服务单元中对所述设备进行注册并生成与所述设备相关联的唯一设备ID；所述数据持久化微服务单元接收从所述设备元数据微服务单元上传的所述设备的信息数据和所述设备ID，每一个所述设备ID对应一个设备的信息数据并做持久化存储；所述策略触发微服务单元通过消息订阅微服务单元实时监控传输的数据，然后根据预先配置的控制策略，确定数据是直接在本地处理还是通过所述消息发布层传输到云端处理；如果在云端处理，则对所述设备的历史数据进行存储和分析，并返回结果，通过所述消息发布层把处理结果返回到相应的微服务单元中；如果在本地处理，所述策略触发微服务单元通过订阅相应微服务的消息对设备数据进行实时监控，若达到预先配置的控制策略要求，则所述策略触发微服务单元会触发相应的动作，发出命令到所述命令操作微服务单元，进而开始设备间组态服务的建立，否则继续监控数据，所述策略控制微服务单元对所述策略触发微服务单元中的控制策略进行配置并即时生效；所述消息发布微服务单元对接收到的消息进行判断，若有异常会触发所述警报和通知微服务单元，从而通过所述消息发布微服务单元返回异常消息进行通知，否则所述命令操作微服务单元会依据接收到的命令做出相应的动作；所述命令操作微服务单元从所述数据持久化微服务单元中查找给定的设备的信息数据是否存在，若不存在就返回设备不存在的消息，否则就返回设备ID；所述命令操作微服务单元把要执行的命令发送到所述协议适配层，转换成相应设备使用的通信数据格式，进而驱动设备执行相应的动作，完成设备间组态服务的建立，异构网络设备之间开始通信。
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