边缘服务器及其操作方法与流程

本发明涉及通信网络。具体而言，本发明涉及边缘服务器及其操作方法，尤其是在工业场景下。

发明背景

近年来，随着经济和社会快速向数字化发展，人们不断尝试将生产制造方法与信息通信技术结合起来。继蒸汽机(第一次工业革命)、生产线、电力(第二次工业革命)和信息技术(第三次工业革命)之后，智慧工厂标志着第四次工业革命，即“工业4.0”的到来。正如移动电话、相机、汽车等日常物品逐渐智能化并连入全球互联网(即云)，工厂也逐渐智能化。在物联网模式下，工厂生产系统的所有组成部分(如机器人、机器和传感器)都变为智能网络节点，很容易并很大程度上自主地集成到基于ip的网络中。

但在如今的“工业4.0”环境中，没有一套现成的解决方案能解决工厂和物联网公司面临的技术问题：实时并一定程度上自主通信、管理和桥接各种协议和物联网业务流。此外，当今物联网通常需要花大量时间来手工配置、重新配置和维护。

技术实现要素：

根据第一方面，本发明涉及一种边缘服务器，部署在第一局域网和广域网之间的边缘。所述边缘服务器包括一个通信器，为第一局域网的网络设备与广域网的网络设备提供通信通道。所述通信器可使用大数据算法在本地存储和处理第一局域网网络设备的数据。此外，所述边缘服务器还包括一个互联器，支持第一局域网的网络设备与另一边缘服务器支持的第二局域网的网络设备进行通信。所述另一边缘服务器部署在第二局域网与广域网之间的边缘。

根据第一方面，所述边缘服务器为数据流量、策略和安全等服务的统一网守，支持与相关局域网中的网关以及广域网中的应用服务器等应用或服务进行通信，从而降低了通信网络的复杂性。

根据第一方面，所述边缘服务器的第一种实施方式是所述通信器，用于向云网关转发请求信息。

根据第一方面所述的第一种实施方式，所述边缘服务器的第二种实施方式是所述通信器根据高级消息队列协议(amqp)和/或消息队列遥测传输(mqtt)协议向云网关转发请求信息。

根据第一方面所述的第一、第二种实施方式，所述边缘服务器的第三种实施方式是所述互联器，用于在第一局域网与第二局域网之间实现安全通信。

根据第一方面所述的第一、第二和第三任一种实施方式，所述边缘服务器的第四种实施方式是所述边缘服务器包括一个网络功能虚拟化器，为第一局域网提供虚拟网络功能。

根据第一方面所述的的第四种实施方式，所述边缘服务器的第五种实施方式是所述网络功能虚拟化器提供虚拟网络功能，响应图形用户界面提供的“一键式”业务创建功能触发。

根据第一方面所述的的第一至第五种实施方式，所述边缘服务器的第六种实施方式是所述边缘服务包括一种软件定义网络(sdn)控制器，为第一局域网提供sdn功能。

根据第一方面所述的第六种实施方式，所述边缘服务器的第七种实施方式是sdn控制器可管理至少一个第一局域网网关。

根据第一方面所述的第七种实施方式，所述边缘服务器的第八种实施方式是所述sdn控制器在广域网的sdn控制器无法控制至少一个网关的情况下，管理至少一个第一局域网网关。

根据第一方面所述的第一至第八种实施方式，所述边缘服务器的第九种实施方式是通过网关与第一局域网进行通信。

根据第一方面所述的第九种实施方式，所述边缘服务器的第十种实施方式是，所述网关符合opc-ua(开放平台通信-统一架构)。

根据第一方面所述的第一至第十实施方式，边缘服务器的第十一种实施方式是所述边缘服务器提供一个图形用户界面，支持用户与边缘服务器进行交互。

根据第二方面，本发明涉及一种边缘服务器(部署在第一局域网与广域网边缘之间的边缘)的操作方法，包括：支持第一局域网的网络设备与广域网的网络设备进行通信，包括边缘服务器利用大数据算法存储和处理第一局域网网络设备的数据；支持第一局域网的网络设备与另一边缘服务器支持的第二局域网的网络设备进行通信，所述另一边缘服务器部署在第二局域网与广域网之间的边缘。

根据本发明的第一方面，本发明第二方面介绍的操作方法适用于所述边缘服务器。根据本发明第二方面，所述方法的特性直接取决于根据本发明第一方面所述边缘服务器及其不同实施方式的功能。

根据第三方面，本发明涉及一种计算机程序，包括在计算机上执行本发明所述操作方法时使用的程序代码。

根据第四方面，本发明涉及一种网络，包括局域网、广域网和所述边缘服务器。

本发明可以在硬件和/或软件中实施。

附图说明

本发明的实施例结合以下附图进行说明：

图1是实施例通信网络(包括边缘服务器)的示意图；

图2是联动环境中实施例通信网络各个层面和边缘服务器的示意图；

图3是实施例边缘服务器硬件和软件架构的示意图；

图4是实施例通信网络各个层面和边缘服务器的示意图；

图5是实施例通信网络各个层面和边缘服务器的示意图；

图6是实施例通信网络各个层面和边缘服务器的示意图；

图7是实施例通信网络各个层面和边缘服务器的示意图；

图8是实施例通信网络各个层面和边缘服务器的示意图；以及

图9是实施例边缘服务器操作方法步骤的示意图。

在上图中，相同或功能等效的特性使用相同的参考符号。

具体实施方式

以下将结合附图进行说明，所述附图是描述的一部分，并通过图解说明的方式示出可以实施本发明的具体方面。应理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以利用其它方面并且可以做出结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应以限制性的意义来理解，且本发明的范围由所附权利要求书界定。

应理解，结合所描述的方法作出的评论对于用于执行所述方法的对应设备或系统也同样适用，反之亦然。例如，如果描述特定方法步骤，对应装置可以包含执行所描述的方法步骤的单元，即使此类单元未在图中明确描述或说明也是如此。

此外，以下详细描述和权利要求书描述了功能块或处理单元的实施例，这些功能块或处理单元相互连接或交换信号。应理解，本发明还涵盖了包括附加功能块或处理单元的实施例，这些附加功能块或处理单元穿插在下文描述实施例的功能块或处理单元中。

最后，除非另有特殊说明本文中所描述的各种示例性方面的特征应理解为可相互组合。

图1是实施例通信网100的示意图。通信网络100包括第一局域网110a、第二局域网110b和广域网180。第一局域网110a和第二局域网110b包括多个网络设备(也称为智能设备)，并可配置为有线和/或无线局域网。在图1所示实施例中，第一局域网110a包括智能机111a和便携式计算机113a，第二局域网110b包括智能制造站点111b。在实施例中，智能机111a和/或智能制造站点111c包括多个智能设备和/或智能传感器，为了简单起见，图1中未示出(但在图2、5和7中示出)。

在实施例中，广域网180可以是互联网或云，例如私有云、公有云或混合云。广域网(也称为后端系统)180可以包括多个不同的网络设备，例如数据中心、服务器农场、应用服务器、文件服务器、数据库等。在图1所示实施例中，广域网180包括应用服务器181和数据中心183。

此外，通信网100包括两个边缘服务器形式的网络实体(分别部署在第一局域网110a与广域网180之间的接口处，以及第二局域网110b与广域网180之间的接口处)，即边缘服务器140a和140b。从物理层面上来说，边缘服务器140a可以是第一局域网110a或广域网180的一部分，边缘服务器140b可以是第二局域网110b或广域网180的一部分。

边缘服务器140a本质上与边缘服务器140b相同，因此，可以代表通信网络100中的多个边缘服务器，本文将详细阐述。从图1所示的放大视图可以看出，边缘服务器140a包括通信器141a和互联器143a。在图1所示的实施例中，边缘服务器140a还包括nf虚拟器145a和sdn控制器147a。

边缘服务器140a的通信器141a用于为广域网180中的网络设备提供统一通信，例如应用服务器181。在实施例中，应用服务器181可提供大数据分析和预测维护应用。网络设备(如智能机111a或笔记本电脑113a)是第一局域网110a的一部分。通信器141a是工业和物联网网关的安全介质。在实施例中，边缘服务器140a的通信器141可在本地至少执行一定级别的大数据分析和/或预测维护功能。由于边缘服务器140a部署在广域网络180的边缘，因此在通信器141中实现本地大数据分析和预测维护功能是有利的，尤其是实时或安全应用。因此，通信器141a还可在使用大数据算法本地存储和处理第一局域网110a的网络设备111a和113a的数据。

边缘服务器140a的互联器143a可将第一局域网110a与第二局域网110b互联。为此，在实施例中，互联器143a可与和第二局域网110b关联的边缘服务器140b对应的互联器进行交互。在实施例中，边缘服务器140a的互联器143a(可能还有边缘服务器140b对应的互联器)可为第一局域网110a和第二局域网110b以及与其关联设备提供安全实时通信。

图2说明了实施例的多个边缘服务器140a至140h的互联能力。其中，多个边缘服务器140a至140h与不同局域网110a至110e关联。在图2所示的示例场景中，这些不同局域网110a至110e与物料提供商、物联网垂直行业、物流服务和/或工厂等实体相关联。因此，边缘服务器140a及其互联器143a可以解决当今许多公司涉及的特定价值链问题，例如材料提供商和物流提供商未完全集成和互联，或与制造公司集成和互联。此外，边缘服务器140a及其互联器143a可以满足对自动解决方案的强烈需求，以便联合云网络资源和进程，并衍生出可在分布式基础设施上高效安全地部署资源和服务的集成管理云层，而与这些资源和服务的位置无关。例如，边缘服务器140a及其互联器143a可为联合工业云的参与者指定特定数量的定制产品，以获得最合适和最佳报价。在实施例中，在多个边缘服务器140a至140h帮助下实现的联合工业云具有以下优点：所有工业公司单点互联、中立的服务代理和清算、联合服务聚合和管理、多租户身份和访问管理、安全的数据开放和交换和/或集中sla(服务水平协议)和策略控制。

如上所述，在图1所示实施例中，边缘服务器140a还包括网络功能虚拟器(networkfunctionvirtualization，nfv)145a。在实施例中，网络功能虚拟器145a可为第一局域网110a中的虚拟机提供虚拟网络功能在实施例中，网络功能虚拟器145a可提供虚拟网络功能，响应边缘服务器140a的用户界面提供的“一键式”业务创建功能触发，下文中的图6将进一步详述。“一键式”业务创建功能的优点是为工业和物联网垂直行业的快速上市部署提供可能性。

在图1所示实施例中，边缘服务器140a还包括sdn(软件定义网络，softwaredefinednetwork)控制器147a。在实施例中，sdn控制器147a可由广域网180中的集中式sdn控制器控制。换句话说，在实施例中，sdn控制器147a是后端系统中的集中式sdn控制器的从控制器。在实施例中，边缘服务器140a的sdn控制器147可接管第一局域网110a及其设备的sdn控制任务。例如，当后端系统180中的集中式sdn控制器无法控制第一局域网110a中的一个或多个网关时，边缘服务器140a的sdn控制器147a可接管和控制映射到边缘服务器140a的网关。反过来，后端系统180中的集中式sdn控制器可以从边缘服务器140a提取并更新流量配置文件。

接下来，将描述边缘服务器140a的更多实施方式、实施例和各个方面，以及通信网100及其组件。

图3是实施例边缘服务器硬件和软件架构的示意图；如上所述，边缘服务器140a可在北向方向与应用程序和/或服务进行通信，例如图3所示的控制系统和管理系统，这些系统可由广域网180的应用服务器181提供。在实施例中，应用服务器181可提供预测维护、生命周期管理、事件管理、远程检查等应用。在实施例中，北向通信是通过应用服务器181上的应用程序编程接口(applicationprogramminginterface，api)实现的。为了与第一局域网110a的网络设备进行北向和南向通信，边缘服务器140包括多个合适的接口卡141，例如以太网板卡。

图3所示的边缘服务器140a包括硬件平台143，该平台包括cpu、存储器和固态硬盘形式的数据存储。硬件平台143用于执行操作系统145，例如linux、windows或虚拟机。在图3所示的实施例中，以下模块均在操作系统平台145之上实现：协议桥接模块147、协议服务器模块149和开放平台模块148。在硬件平台143上实现用于安全协议和转发规则的模块146。在图3所示实施例中，协议桥接模块147包括策略控制器、ftp服务器、控制器头端、协议控制/代理和内存数据子模块。在图3所示实施例中，协议服务器模块149包括mqtt(消息队列遥测传输，messagequeuingtelemetrytransport)服务器、opc-ua(开放平台通信-统一架构，openplatformcommunications-unifiedarchitecture)服务器和amqp(高级消息队列协议，advancedmessagequeuingprotocol)服务器。在图3所示实施例中，开放平台模块148包括web服务器、tsn(timesensitivenetwork，时效性网络)子模块、sdn控制器套接字以及数据库。

在实施例中，边缘服务器140a通过网桥或网关与第一局域网110a的网络设备进行通信。在图4所示实施例中，边缘服务器140a通过opc-ua网关150与第一局域网110a的网络设备进行通信，该边缘服务器可在硬件和/或软件中实现。在实施例中，网关150通过不同总线系统(例如profibus、profinet、fieldbus、modbus、devicenet、以太网/ip等)与第一局域网110a的网络设备进行通信。图5示出了类似实施例。其中，plc为可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller)。

通过网关150和边缘服务器140a，opc-ua可集成第一局域网110a的第三方设备/传感器的输入输出产品，以便将数据导入到后端系统180的正确实体，如工业监控系统、后端管理数据库、工业和物联网系统的互操作性和安全服务等。

在实施例中，网关150可以充当面向一个或多个代理的客户端/代理，并使用amqp/mqtt协议将请求信息转发给云网关185。mqtt/amqp通信可将系统与物联网相结合，满足当前行业和物联网市场的需求。

通过存储在网关150中的消息，可以实现从云端到第一局域网110a网络设备的回传通信。这个代理模型的通信通道和虚拟专用网络(virtualprivatenetwork，vpn)一样安全，而且不像现代网络那样复杂。从设备到云端的工业协议，为基于开放和统一开放应用程序编程接口(api)的工业应用提供了一个可靠、安全的平台。

如上所述，在实施例中，边缘服务器140a可包括网络功能虚拟器145a和/或sdn控制器147a。在实施例中，网络功能虚拟器145a与“一键式”业务创建功能交互，该功能可在后端系统180中实施。“一键式”业务创建功能用于批量创建虚拟网络功能元素，并将它们映射回后端系统180的正确应用服务器。在实施例中，边缘服务器140a可包括嵌入式nfv/sdn控制器套接字，该套接字与后端系统180的集中“一键式”业务创建服务器进行通信。在实施例中，边缘服务器140a由后端系统180的集中“一键式”业务创建服务器控制。

在实施例中，集中“一键式”业务创建服务器可更新与边缘服务器140a关联的第一局域网110a网络设备(如智能传感器或智能机)的安全规则和/或策略，并为所需的云应用程序(如预测维护应用程序和服务)提供映射，如图6所示。在实施例中，边缘服务器140a可提供图形web界面，支持用户为与边缘服务器140a关联的第一局域网110a的个人或设备配置、定义规则和策略。

图7是在智能城市有线和无线局域网环境中，使用边缘服务器140a和140b的实施例。在本实施例中，边缘服务器104a和140b可控制和统一多个智能城市传感器和设备及其应用程序之间的通信。在实施例中，边缘服务器140a和140b可为智能城市垂直行业提供以下功能和/或优势：流量优化、成本缩减、边缘数据计算、网关区域/区域管理。在实施例中，边缘服务器140a和140b可提供边缘防火墙，以便划分网关区/dmz(半信任区)。

图8是边缘服务器140a和140b的使用场景实施例，其中第一局域网110a是包括第一和第二生产线工厂内的局域网，第二局域网110b是移动通信网络支持领域中的局域网。因此，图8所示的边缘服务器140a可部署在工厂局域网110a的边缘，与其他工厂、物料提供商、物流服务、其他物联网垂直行业以及在该领域使用的传感器等智能设备进行单点通信。其中，nb-m2m为窄带物联网-机器与机器(narrowbandiot–machinetomachine)，erp为企业资源计划(enterpriseresourceplanning)，mes为制造执行系统(manufacturingexecutionsystem)，scada为数据采集与监视控制系统(supervisorycontrolanddataacquisition)。

图9是实施例边缘服务器140a操作方法900步骤的示意图；操作方法900包括步骤901a和步骤901b。步骤901a支持网络设备111a和113a(与第一局域网110a相连)与网络设备181和183(与广域网180相连)进行通信。边缘服务器140a可利用大数据算法本地存储和处理第一局域网110a网络设备111a和113a的数据。步骤901b支持网络设备111a和113a(与第一局域网110a相连)与网络设备111b(与第二局域网110b相连)进行通信。边缘服务器140b可部署在第二局域网110b与广域网180之间的边缘。

本发明的实施例具有以下优点：

边缘服务器140a可降低回程带宽的高成本。目前，对于位于不同位置的单传感器系统而言，纯云方案是行之有效的，但数据传输速率低，并依赖现有通信能力。对于视频流等要求高数据传输速率的业务而言，从网络设备或网关直接回传并不是有效或节省成本的方案。边缘服务器140a可作为一个新增汇聚点，收集数据流量。研究表明，通过使用边缘服务器140a可以减少95％的长距离国内或国际物联网流量，大大降低成本。与云的回传距离越远，节省的成本就越多。

边缘服务器140a具有更高的可用性，并为工业和物联网局域网增加更多弹性：在云通信中断的情况下，边缘服务器140a可以根据需要自主工作，实现本地数据处理和网络自动化。边缘服务器140a还可以在其他服务器发生故障时，充当数据备份服务器。

边缘服务器140a能在本地进行大量数据处理和分析，这些工作通常是回传给云端执行的。然而，回传给云端会导致高延迟，不适合要求低延迟的应用程序，这些应用程序要求实时进行快速响应和决策。有了边缘服务器140a，设备和传感器能在本地交互和交换信息，使应用程序和服务更加智能。

有了边缘服务器140，可以更多地在本地测试、控制和调整配置和参数。通过边缘服务器140a使用的sdn技术，可以更加敏捷地建立和控制网关。边缘服务器140a可以通过南向接口管理网关，将应用程序和虚拟机下发到网关，并获取网关及相连网络设备的相关信息。

边缘服务器140a还可以向多个云提供接口，以实现与存储在其他云中的应用程序/数据交互的新的可能性。

边缘服务器140a可实现工业互联，促进协议互通，充当安全网守，以及实时分析和处理边缘数据。

结合边缘服务器140a和云技术管理智能传感器具有以下优点：1)统一通信，边缘服务器140a作为网守，是将智能传感器数据传递给云内更高级应用的唯一方式；2)带宽要求较低；3)大大降低整体成本；4)提高了本地自动化和本地自主的可用性；5)通过集成本地传感器和智能传感器实现更先进的实时功能；6)更易于与多个云通信(例如，使用各种saas(软件即服务)云比较接口)；7)使用低成本的消费者商品生态系统和消费者移动管理传感器；8)优先采用消费者移动商品生态系统的新型传感器；9)优先采用数据速率更高的新型传感器；10)容易实时管理(重置、管理漂移等)传感器；11)容易测试和管理本地传感器；12)具有低延迟更强大的物联网功能；13)管理传感器或智能传感器的角色和策略；14)用最新的流量工程技术(如sdn)实现sdn技术的最大利益，集中配置和管理与边缘服务器140a连接的所有物联网网关。

尽管本发明的特定特征或方面可能已经仅结合几种实现方式或实施例中的一种进行公开，但此类特征或方面可以和其它实现方式中的一个或多个特征或方面相结合，只要对于任何给定或特定的应用是有需要或有利的。此外，就在详细描述或权利要求书中使用术语“包括”、“有”、“具有”或这些词的其它变形来说，这类术语和术语“包括”是类似的，都是表示包括的含义。同样，术语“示例性”、“举例来说”和“例如”仅表示为实例，而非最好或最佳的。术语“耦合的”和“连接的”及其派生词可能已经使用。应理解，这些术语可以用于指示两个元件彼此协作或交互，而不管两个元件是直接物理或电气接触，还是彼此不直接接触。

尽管本文中已说明和描述了具体方面，但本领域的一般技术人员将了解，多种替代和/或等效实施方案可以在不脱离本发明的范围的情况下替代所示出和描述的具体方面。本申请旨在覆盖本文论述的特定方面的任何修改或变更。

尽管所附权利要求书中的各元素是借助对应的标签按照特定顺序列举的，除非对权利要求的阐述另有暗示用于实现部分或所有这些元素的特定顺序，否则这些元素并不一定限于以所述特定顺序来实现。

通过以上启示，对于所属领域技术人员来说，许多替代产品、修改及变体是显而易见的。当然，本领域的技术人员容易意识到除本文所述的应用之外，还存在本发明的众多其它应用。虽然已参考一个或多个特定实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将认识到在不偏离本发明的范围的前提下，仍可对本发明作出许多改变。因此，应理解，在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以用不同于本文中具体描述的方式来实践本发明。