智慧工廠什么樣？霧計算、云和網絡安全
責編：gltian ｜2019-10-10 14:08:34過去幾十年，數字技術一直在改變我們生活的世界。比如說，物聯網 (IoT) 和云計算就引發了我們社會生活和企業運營方式的變革。這場變革已開始進入工業領域，最明顯的就是工業物聯網 (IIoT) 和工業 4.0，以及這些力量對智慧工廠等其他創新理念的推動。
智慧工廠可在 IIoT 和云技術的推動下取得長足進步。例如，使用來自 IIoT 和在云端處理的數據，預測性分析能夠為智慧工廠優化各種過程。然而，包括鋼鐵廠在內的很多工業企業，其系統大多有更為嚴格的要求，比如實時計算和通信限制，這些是云提供不了的。
為解決這些限制，霧計算應運而生。這是一種新的計算范式，可為工業帶來顯著效益。
本文將討論這些相互關聯的思想和 IIoT、云計算與霧計算之間的關系，審視其解決的問題和帶來的好處，描繪鋼鐵行業在不遠的未來將如何利用該新范式，并探討網絡安全的重要性，闡述為何必須將網絡安全視為這整個技術生態系統的基本組成部分。
理解關鍵概念
我們的第一個問題是：智慧工廠是什么？
智慧工廠是高度數字化的聯網生產環境，包含大量帶有計算和通信功能的設備（事物）。其中一些設備僅與其他本地設備或遺留后端 IT 系統通信，網絡——實體系統等其他設備則甚至能通過全球互聯網與其他系統通信。智慧工廠驅動智能制造，智能制造利用智慧工廠的資源提供健壯、可靠和安全的生產運營，促進制造自動化，通過減少損耗/停機優化生產過程。
需要思考的下一個問題是：我們如何達成智慧工廠的愿景？我們研究和發展了很多技術范式，用以實現智慧工廠和智慧城市及智能家居等其他智慧實體愿景。這些技術范式包括萬物互聯網 (IoE)、物聯網 (IoT)、工業物聯網 (IIoT) 和工業 4.0。
各個范式之間聯系緊密。比如說，IIoT 就是 IoT 的一個子集，IoT 又是 IoE 的子集。我們不妨進一步探究這些相互聯系的范式。
IoE 是思科引入的一套系統，“將人員、過程、數據和物體連接起來，構建比之前更加相關、更有價值的網絡連接——轉信息為行動，為企業創建新功能，為個人帶來更豐富的體驗，為國家開創前所未有的經濟機會。” 而 IoT 則是基于事物的技術范式，其中事物指的是內嵌了計算與通信功能的物體。
這些物體連接在一起組成物連網 (NoT)，相互連接所用的通信協議有可能不同。采用在云計算基礎設施中運行的連接協議，用戶或其他系統可以通過互聯網訪問這些物體。這些物體往往能為事物帶來增值功能，比如可以通過互聯網查看監控攝像機視頻反饋，或者在外度假時關閉廚房里忘了關的燈。
IoE 和 IoT 的主要差異在于人和過程。IIoT 類似 IoT。主要差異是，從定義來說，IIoT 利用基于工業需求和資源的技術與事物，而 IoT 超越了工業范疇，包含任意性質的事物。
最后，我們來看看工業 4.0 和它在這一生態系統中的位置。德國總理默克爾宣稱，工業 4.0 是 “通過數字技術和互聯網與傳統工業的融合，完全轉變整個工業生產環境。” 這表明，工業 4.0 中，與制造等工業系統相關的所有實體，均數字互連。
《福布斯》和 Schaefer 將工業 4.0 描述為物聯網與服務互聯網的緊密互連。所有這些認知顯露出工業 4.0 和萬物互聯網之間的某種等同度，但在定義上，二者之間存在一個主要差異：IoE 包含所有事物，而工業 4.0 主要著眼工業范疇。
基礎與當前技術水平
有一個技術位于上述所有概念的核心，那就是物聯網。IoT 是一種技術范式，但同時也是技術現實，是已經存世的高度復雜的系統。IoT 研究與部署快速發展，其采用率也呈指數級增長。
云計算在 IoT 發展中起到了非常重要的作用。沒有云，我們的 IoT 不會今天這個樣子。
圖 1 顯示的是當前最先進的 IoT 架構。簡單說，IoT 的當前架構由存在于互聯網邊緣的事物組成。這些常被稱為邊緣設備的事物組成了物連網 (NoT)，具備與其他設備或人員通信的能力，要么直接使用各種專用 IoT 通信協議，要么通過互聯網。
圖 1：IoT 架構——當前技術水準
如圖所示，IoT 設備通過互聯網與云通信。當前最先進的 IoT 技術使用云做數據處理、情報和通信網絡。比如說，使用智能手機開關家里的聯網電燈時，智能手機上的應用與云中終端通信，云再用預先設立的始終在線的連接將給定指令傳回給設備。此類命令與控制架構在 IoT 產品中非常常見。
霧計算推動未來發展
IoT 的當前架構適用于很多應用領域，尤其是消費市場領域。然而，該架構也有各種短板，特別是在智慧工廠和 IIoT 方面。
最主要的缺陷之一是時延。智慧工廠和其他 IIoT 系統有很多組件（事物）對時延敏感。這意味著智慧工廠中的很多組件都有實時限制（同樣的實時限制也存在于遺留非智慧工廠中）。
工業系統利用所謂的運營技術 (OT)，也就是通過直接監視和/或控制閥門、泵等實體設備，來檢測或引發物理過程改變的硬件和軟件。OT 由多種系統構成，比如可編程邏輯控制器 (PLC)、監視控制與數據采集 (SCADA)、分布式控制系統 (DCS)、計算機數控系統 (CNC) 和廣義上的工業控制系統 (ICS)。
很多此類技術，還有這些技術用到的傳感器和促動器，都有實時限制。舉個例子，如果不能在毫秒級接收和處理信號，PLC 在特定環境中可能故障。這種限制給需要向云端發送數據進行處理的智慧工廠造成了問題。（對實施控制系統而言，從云端發送和接收數據的耗時太長了。）
霧計算是該問題及其他多個問題的一個解決方案。開放霧聯盟 (OpenFog Consortium) 表示，霧計算“是在云到物 (Cloud-to-Thing) 連續統一體任意位置分發計算、存儲、控制和聯網資源及服務的系統級橫向架構。”
圖 2：融入霧計算的 IoT IIoT 架構
本質上，霧將云類資源推近了事物和 NoT 所在的邊緣，使之能以更小的網絡延遲使用更高級的計算資源。采用該架構就可以實現智慧工廠，甚至是負責控制系統運行的智慧工廠都能實現。
上面圖 2 顯示了 “霧計算層” 包含聯網系統的位置，這些聯網系統位于邊緣與云間，可被用作霧計算資源。靠近邊緣的交換機與路由器、現場計算中心，甚至與 NoT 同處邊緣的專用霧計算節點，都屬于此類資源。
益處與解決的問題
霧計算能助力 IIoT 和智慧工廠帶來種種益處，包括生產力、產品質量和安全性的提升。IIoT 可為清潔綠色制造提供技術路線。由此，制造業將達成前所未有的客戶級協作，實現批量定制與大規模個性化定制。充分利用智慧工廠各方面優勢的潛在機會是無窮的。
面臨的挑戰
盡管 IIoT 和智慧工廠可帶來諸多益處，但也存在明顯的挑戰與困難。網絡安全就是實現 IIoT 美好前景過程中需跨越的最大障礙。隨著越來越多的高級 IIoT 系統上線，系統復雜性與無數新型網絡攻擊方法也將水漲船高。
美麗新世界需要所有參與方做出某種程度上的變革，包括那些打造 IIoT 技術、使用 IIoT 技術和保護 IIoT 技術的人。IIoT 網絡安全需要相關各方之間強有力的跨領域協作。換句話說，網絡安全不能再各自為戰，每個人都需要參與進來，發揮自己的作用。
另外，我們還需直擊問題的核心——教育。在網絡安全方面，我們的教育生態系統堪稱荒蕪。理科學生的課程中應納入網絡安全基礎教育，以便他們可以在日后的工作中將網絡安全融入新技術。
結語
本文討論了智慧工廠技術和物聯網、工業物聯網及工業 4.0 等其他范式所需的技術基礎。以云計算和霧計算這樣的技術為例，闡述了此類思想和技術間的相關關聯。霧計算是不斷進化中的新型技術，將成為完全發揮 IIoT 和智慧工廠潛力的關鍵組件。
IIoT 和智慧工廠的主要障礙之一是網絡安全。跨領域協作、培育內嵌安全的思維理念和將網絡安全納入理科課程，是實現未來萬物智慧互聯美好愿景所必需的的。
思科 IoE：
https://www.cisco.com/c/dam/en_us/about/business-insights/docs/ioe-economy-faq.pdf
默克爾發言：
http://www.europarl.europa.eu/RegData/etudes/BRIE/2015/568337/EPRS_BRI(2015)568337_EN.pdf
《福布斯》和 Schaefer 對工業 4.0 的描述：
https://purehost.bath.ac.uk/ws/portalfiles/portal/155084182/1_s2.0_S2212827117301257_main_SPD.pdf
OpenFog Consortium 對霧計算的描述：
https://www.w3.org/2017/05/wot-f2f/slides/OpenFog-Overview-W3C-Open-Day-in-May-2017.pdf