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透过整合平台协助克服边缘运算的挑战
以工业应用为例

【作者: Joe Byrne】2018年12月22日 星期六

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我近日与同事在茶水间激烈讨论,争辩边缘运算架构是否与云端运算架构一样普遍,还是仅限於事件驱动的资料处理。我最终总结出边缘架构如果仿效Microsoft 的Azure IoT Edge,则可以完整实现普及化。


Azure IoT Edge不仅托管无伺服器功能,还托管容器(Container)。因此,边缘运算客户可在边缘节点执行丰富的容器封装(container-encapsulated)应用程式,就如同於云端执行一样。无论系统位置位於何处,云端型系统都可管理应用程式。


边缘运算平台之先决条件

为了让边缘运算也可达成此目的,边缘运算平台必须符合几个先决条件:


· 支援像伺服器的Linux发行,如Ubuntu


· 支援容器环境,例如Docker


· 可远端安全部署边缘硬体


· 可安全部署及管理边缘硬体上执行的功能及容器


恩智浦的Layerscape处理器由於拥有出色效能、整合性、64位元Arm相容性,以及自单一核心扩充至16核心装置的能力,非常适合边缘节点,当中亦包含虚拟化支援及信任架构,我们延续数个产品世代不断改善调整架构功能。


合适的软体释放晶片潜力

不过,一片功能酷炫的晶片也只是一片发亮的矽材料,只有合适的软体才能释放此晶片的潜力。我们因此开发软体来搭配 Layerscape 处理器,满足上述每一个先决条件。Layerscape软体开发套件(SDK)包含驱动程式、工具、及可启用 Layerscape处理器功能的程式库。


针对作业系统,我们结合 Linux 核心及 Ubuntu User-land 环境。该核心是长期支援(LTS)版本,包括驱动程式及其他向上支援的 Layerscape 处理器专属功能。如果处理器或功能太过新颖,无法启用向上支援,我们则提供核心修补程式。此核心亦支援容器,其为云端运算偏好用来将程式码、程式库、工具和多功能应用程式所需设定捆绑在一起的轻量化方法。


就如核心本身,Ubuntu环境也是LTS版本,包含标准使用者空间程式库与应用程式。这款恩智浦提供的软体环境的优势,就是开发人员可看到如标准伺服器一样的Linux环境,即便硬体是掌上型系统(例如FRWY-LS1012A主机板),或是即将推出并预计以Layerscape LS1028A及i.MX 8平台为基础开发的SMARC 及Q7模组电脑Kontron。


图1 : FRWY-LS1012A 主机板
图1 : FRWY-LS1012A 主机板

部署软硬体相当棘手耗时。在此,我们从伺服器模式改变为智慧型手机模式,其中仅有授权装置可以连线至网路,而韧体更新相当安全并采取自动更新模式。这其实颇为困难,因为边缘运算节点并没有手持装置的使用者介面,而一位IT管理人员可能受委托管理一千个节点。我们也希??利用智慧型手机执行应用程式安装,可相当简单方便。然而,与从云端中的应用程式商店将应用程式下载至装置的方式不同,在边缘节点模式中,软体是从云端推送至边缘节点。


我们的信任架构是相当关键的基础技术,提供装置授权以及安全更新。恩智浦强调架构的核心是硬体信任根,包含安全金钥产生及储存。其他安全功能则从这个根向外发展,例如有助於提供安全的登记流程。因为每个以Layerscape为基础的节点,能以密码安全验证的方式来认证其独一无二的身分。相反地,节点也能以密码来验证IT管理人员核准下载的韧体。节点同样可验证从云端推送的功能与容器。


若要让这一切得以运作,需要合适的软体,以便在边缘节点及云端中管理边缘节点及韧体的整个生命周期。同时,此软体还不能阻碍提供类似伺服器的OS环境,或是Azure IoT Edge等标准边缘运算架构。关於装置管理可叁考恩智浦的装置管理软体 EdgeScale。



图2 : 边缘计算需要软硬体整合,缺一不可。(source:NXP)
图2 : 边缘计算需要软硬体整合,缺一不可。(source:NXP)

如上所述,边缘计算是需要软硬体整合,缺一不可。以工业应用为例,现在几??所有应用都有专属的Linux发行版:电信业者级的 Linux 发行版、小型路由器的OpenWRT,汽车级Linux等等。不过制造商整合操作技术与资讯科技(OT 与IT)以及时效性网路(TSN)的应用如此新颖,目前尚未出现合适的Linux发行版。


体察到工业应用客户需求,恩智浦发表了开放原始码OpenIL计画,这是一项以社群打造的工业用Linux发行版,企图提升制造业领域的技术层级。这款工业用 Linux 发行版支援TSN,包括每个资料流的监控,以及网路流量时间感知技术。


恩智浦发现工业领域OEM拥有执行於即时作业系统(RTOS)的控制及监控演算法,以及仍利用旧版工业网路协定来连线的系统。这些OEM厂商看到开放原始码作业系统的宝贵潜力、使用Linux的趋势、OT-IT整合的价值以及TSN功能,但是他们仍需要即时作业来执行演算法。OpenIL满足这些要求,并提供一个稳固扎实的基础,因此OEM厂商就可以专注於新颖的专有技术,而不是基础功能。


OpenIL的基础功能包括IT基础架构软体,例如网路堆叠、网页伺服器(用於设定管理相当实用)、指令码工具、以及Linux发行版常见的系统公用程式。虽然这是新的发行版,OpenIL仰赖制作嵌入式Linux系统的工具buildroot。开发人员因此可以针对设计使用的快闪记忆体来自订韧体,依照设计要求来新增或移除应用程式。OpenIL亦支援Ubuntu档案系统结构,使开发人员也能轻松熟悉这个发行版本,并使其得以支援SELinux(Linux的标准安全性提升功能)。


同时,OpenIL搭载即时排程工具以及Xenomai的即时Linux扩充功能。这些功能成功将Linux从IT导向的OS转变为具备完整IT功能的RTOS,并能有效提升VxWorks或pSOS等RTOS提供的连接埠软体,Xenomai则可以模拟 VxWorks或pSOS。


开发人员也可立即取得TSN。他们不需要针对恩智浦TSN交换器编写驱动程式,这方面工作恩智浦已为开发人员准备好。若要设定TSN设定,只需更新XML档案即可完成。OpenIL则利用linuxptp精灵,来实施一般精确时间协定 (generalized precision time protocol, gPTP)。


除了开创能在开放原始码Linux发行版支援TSN外,OpenIL亦支援恩智浦信任架构,相当独特。我们的信任架构有助於确保系统生命周期期间的完整性:投入运行、开机、执行时间及退役。此外这也支援「开放可携式信任执行环境」(Open Portable Trusted Execution Environment, OP-TEE)。信任执行环境TEE可视为是信任架构的作业系统。设计人员也可使用OpenIL来将装置连线至物联网,并实作AWS Greengrass等边缘运算服务。


总结来说,OpenIL整合安全性、TSN以及工业4.0还有边缘运算,最终成为一款单一的Linux发行版。此发行版让设计人员轻松取得及使用这些技术,因此设计人员就可专注於自己所努力的附加价值。


恩智浦及Microsoft等合作夥伴,协助OEM业者建立自己的边缘运算产品。我们的软硬体具备可扩充性及安全性,提供类似伺服器的环境、安全认证与纪录及装置监控,以及安全容器和应用程式部署。产生的边缘运算解决方案可如云端运算一样普及广泛,无论主机位置位於何处,都可简化应用程式的开发与部署,并降低延迟及外部部署的资料传输量,进而促进边缘部署的进展。


(本文作者Joe Byrne为恩智浦半导体资深策略行销经理)


**刊头图( source: Industrial Heater Corp)


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