本文將區(qū)塊鏈技術、邊緣計算和工業(yè)互聯(lián)網平臺化技術相融合，重點講解工業(yè)互聯(lián)網中企業(yè)邊緣層數據共享，設備接入數據安全和生產線協(xié)同等問題，供大家一同參考和學習。

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引言

區(qū)塊鏈技術在工業(yè)互聯(lián)網領域的運用，最容易想到場景就是邊緣計算與區(qū)塊鏈的物理融合。這是因為，在工業(yè)互聯(lián)網平臺管理中，邊緣計算具有分布式管理特性，而區(qū)塊鏈技術的分布式一致性特性，本就是一種開放的分布式管理機制。

當然會有讀者質疑為什么不直接使用傳統(tǒng)數據庫、應用的分布式管理機制，而非要使用區(qū)塊鏈技術呢？本文將通過工業(yè)邊緣計算的特點，分析區(qū)塊鏈技術的應用優(yōu)勢，嘗試解答該問題。

背景

近年來我國工業(yè)互聯(lián)網平臺技術創(chuàng)新持續(xù)深化，技術體系從支撐 建平臺 走向支持 用平臺 。在這一過程中，基于 IT 技術的平臺架構與應用開發(fā)技術創(chuàng)新、以及通過工業(yè)模型沉淀和場景化二次開發(fā)所帶來的平臺服務功能提升。

一方面，容器、微服務與應用開發(fā)技術不斷提升平臺的資源利用效率，推動功能解耦與復用，加速應用開發(fā)與創(chuàng)新 ; 另一方面，各類工業(yè)模型的沉淀、面向工業(yè)特點的數據管理和分析、以及平臺功能向工業(yè)現(xiàn)場的不斷下沉，持續(xù)提升平臺工業(yè)服務能力。

圖 1 來源：工業(yè)互聯(lián)網平臺白皮書（2019）

具體到工業(yè)互聯(lián)網邊緣層的發(fā)展趨勢，呈現(xiàn)出明顯由簡單數據接入到智能分析和計算演進趨勢。邊緣數據分析功能也從簡單規(guī)則引擎的應用向人工智能等復雜分析延伸 ; 邊緣功能的變化的背后是通用 IT 軟硬件架構的下沉，給邊緣數據分析和應用運行帶來更好的支撐環(huán)境，使整體平臺架構更加統(tǒng)一， 降低平臺系統(tǒng)應用的綜合成本 。

大量生產制造運營數據通過邊緣層從原來獨立的設備、廠區(qū)轉移到平臺層和 IaaS 層，再通過 OpenAPI 提供給產業(yè)生態(tài)的其他合作伙伴調用，而開源社區(qū)和開發(fā)者平臺也大大提高了工業(yè)互聯(lián)網數據的利用率，但開放的數據架構，大量的設備接入，都增加了數據使用的安全風險。

大量的機理模型、數據模型、業(yè)務模型的加速沉淀和集成，在提升了工業(yè)互聯(lián)網平臺集中化工業(yè)要素和平臺資產管理水平的同時也增加了出現(xiàn)數據安全事故的風險。

在工業(yè)互聯(lián)網推廣實踐過程中，工業(yè)企業(yè)出于自身數據、生產線安全和商業(yè)機密考慮，還是將很多核心數據保留在本地服務器或者邊緣層，并未上傳到工業(yè)互聯(lián)網平臺層和 IaaS 層，從而限制了工業(yè)數據的共享和互通；大量企業(yè)分散的邊緣計算設備如：DCS/PLC、網關、I/O 模塊、邊緣服務器、微數據中心中能力并沒有得到有效的治理和優(yōu)化，也限制了工業(yè)互聯(lián)網在生產協(xié)同，機理模型構建，生產連續(xù)性保障，品控和故障告警方面的實時應用。

2019 年，Gartner 工業(yè)互聯(lián)網平臺的魔力象限的評估過程中，40 多家國際工業(yè)互聯(lián)網平臺供應商上榜，而國內只有樹根互聯(lián)首次出現(xiàn)在榜單上，一些國內知名的企業(yè)，如：阿里云、華為等并未上榜，說明目前我國工業(yè)互聯(lián)網平臺建設在獨立采購、商業(yè)模式創(chuàng)新、IoT 終端連接數、支持本地化部署、數據互聯(lián)互通方面還有很大提升空間。

這些都需要我們更加重視工業(yè)互聯(lián)網平臺在實現(xiàn)數據基礎互聯(lián)后，企業(yè)邊緣層的數據安全和數據主動分享機制問題。

區(qū)塊鏈技術與傳統(tǒng)分布式數據庫或應用的區(qū)別在于其開放性和分布式業(yè)務復雜性問題。傳統(tǒng)分布式管理技術是建立在中心化決策機制中，高可信的內部數據和狀態(tài)的一致性基礎上的，強調數據、狀態(tài)的分布式一致性，而非協(xié)作的事務一致性。

而區(qū)塊鏈技術更多的是在開放的、不可信的網絡環(huán)境中，實現(xiàn)異構的平臺、業(yè)務、企業(yè)和產業(yè)的復雜業(yè)務協(xié)作（比特幣的點對點資產交易，本質上是一種雙方或多方協(xié)作機制），可以說數據共享只是區(qū)塊鏈技術的附屬產物，區(qū)塊鏈技術應用目的在于分布式的安全事務交易或協(xié)作。

所以利用區(qū)塊鏈分布式數字身份認證和開放的數據安全管理技術，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網在邊緣計算下的數據共享和數據安全保護問題；利用分布式安全交易協(xié)作機制，結合多方安全計算和信息共享模型等技術，提供工業(yè)企業(yè)共商、共建、共享的可信生產協(xié)作基礎環(huán)境。

通過采用區(qū)塊鏈技術在產業(yè)鏈和企業(yè)治理方面的能力，整合企業(yè)邊緣計算資源，協(xié)同生產流程，使邊緣結算節(jié)點真正成為工業(yè)互聯(lián)網的設備、數據和模型的接入、計算和前置分析層，為工業(yè)互聯(lián)網提供企業(yè)共商、共建、共享的可信基礎環(huán)境。

圖 2 邊緣計算與區(qū)塊鏈融合

區(qū)塊鏈 + 工業(yè)邊緣計算場景

工業(yè)互聯(lián)網邊緣層為平臺提供工業(yè)設備和其他制造資源的管理和接入，其標準化需求聚焦在設備接入、協(xié)議解析、邊緣數據處理等方面；同時邊緣層依托區(qū)塊鏈分布式計算協(xié)調，多方安全計算和聯(lián)邦學習能力能提供給機理模型聯(lián)合訓練機制，并通過貢獻度量提供模型激勵體系；

還有利用區(qū)塊鏈分布式數字身份頒發(fā)和校驗體系可以為邊緣層設備和計算提供點對點數據加解密功能；此外通過區(qū)塊鏈節(jié)點協(xié)同和狀態(tài)一致性同步能力可以低成本實現(xiàn)邊緣計算的高可用和生產調度協(xié)同功能。

圖 3 區(qū)塊鏈 + 工業(yè)邊緣計算場景

1. 建立個人、設備、邊緣計算中心分布式數字身份認證和自助加密認證機制

隨著工業(yè)互聯(lián)網進一步發(fā)展和演進，大量工業(yè)智能化設備和傳感器需要接入工業(yè)互聯(lián)網平臺，如果采用傳統(tǒng)中心化數字安全認證體系，很難保障接入設備生產的連續(xù)性和安全需求差異性的要求。

采用區(qū)塊鏈分布式一致性技術和數字身份認證體系，將邊緣計算中心作為工業(yè)企業(yè)人和設備接入的認證和安全校驗節(jié)點，而全網任一平臺和服務器可作為數字身份的注冊節(jié)點，可實現(xiàn)人與設備、設備與設備、服務器之間的雙向身份驗證，大大降低邊緣層接口數據泄露和設備控制的安全隱患，同時還可以實現(xiàn)基于工業(yè)互聯(lián)網平臺層或者 IaaS 層工業(yè)數據加密存儲需求，可以依托數字身份管理的實現(xiàn)數據個性化、私有化的訪問機制。

個人、設備、服務器數字身份在區(qū)塊鏈中分布式存儲管理，每個邊緣計算節(jié)點成為分布式數字證書頒發(fā)和驗證節(jié)點，可以參與數字身份的全局驗證。同時通過點對點自助數據加密體系可輕松實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網邊緣層 IoT 傳感器、DCS、PLC 等設備的個性化非對稱加密，為數據通道和數據體實現(xiàn)加密傳輸和存儲服務，使在傳輸層和存儲層無法偷窺和篡改數據。

終端設備通過集成區(qū)塊鏈安全 SDK，構成區(qū)塊鏈網絡的輕節(jié)點，可實現(xiàn)設備采集數據，交易記錄和本地化存儲。通過非對稱加密算法和私鑰簽名能有效保障終端采集數據的真實可靠，通過多終端的協(xié)作實現(xiàn)區(qū)塊鏈交易流的推進和數據交換。

基于輕量級感知節(jié)點和企業(yè)邊緣計算節(jié)點組成的 IOT 區(qū)塊鏈雙層網絡，發(fā)揮了 IOT 設備輕量化，數量多的特點，在不給區(qū)塊鏈共識網絡層增加共識負擔的情況下，為共識網絡提供真實有效的感知數據，同時通過共識網絡和智能合約的約束可實現(xiàn)對感知設備的自動、智能的控制。

還可建立數據訪問日志的全周期、可審計和防篡改的區(qū)塊存儲。針對工業(yè)互聯(lián)網邊緣節(jié)點中數據請求、數據交易共享、數據存儲日志、消費日志、數據銷毀等的全日志記錄，可采用區(qū)塊鏈區(qū)塊結構永久存儲日志信息，存儲日志防篡改。利用區(qū)塊鏈數據可追溯能力提供事后審計，事故回放機制，為工業(yè)數據安全提供多樣預防手段。

2. 建立基于邊緣層的機理模型聯(lián)合訓練、模型共享、計費和激勵體系

工業(yè)互聯(lián)網平臺層的機理模型、數據模型、業(yè)務模型如：資產管理模型、產品研發(fā)設計模型、過程管控模型、運營模型、工藝模型、資源配置模型等的建立需要大范圍采集多家企業(yè)、多個生產線和大量生產設備基礎數據才能積累和沉淀。

但一方面出于企業(yè)核心生產數據上傳平臺的安全性，商業(yè)機密敏感性和現(xiàn)實需求必要性等多方面考慮，目前在通用工業(yè)互聯(lián)網平臺（單一企業(yè)私有工業(yè)互聯(lián)網平臺除外）中大多數并不希望將核心數據上傳到平臺層；而另一方面大家也看到機理模型、數據模型、業(yè)務模型的沉淀和運用對優(yōu)化工業(yè)制造、物流、工藝改進、資源配置、品控等方面有極大優(yōu)勢和必要性。

這就要求工業(yè)互聯(lián)網架構中需要一種可以實現(xiàn)分布式模型抽象計算和學習的網絡結構，再以模型數據共享計費和激勵體系，鼓勵多方模型共同構建者可以根據貢獻大小獲取相應回報。

而利用區(qū)塊鏈的分布式記賬和激勵模型，多方安全計算模型和聯(lián)邦學習模型在邊緣計算中心組合成生產機理模型邊緣計算節(jié)點，在企業(yè)本地完成核心敏感數據的樣本對齊和模型訓練工作，各企業(yè)聯(lián)合訓練的機理模型將上傳共享在工業(yè)互聯(lián)網平臺層，供有需要的企業(yè)優(yōu)化生產運營。

通過參與機理模型訓練的度量，分布式賬本技術可輕松記錄參與各方企業(yè)對于一套機理模型聯(lián)合訓練的貢獻程度，從而可建立一套模型共享的激勵體系，這將在很大程度上提高工業(yè)互聯(lián)網模型積累和運用的效率。

3. 實現(xiàn)邊緣計算節(jié)點的分布式高可用能力

由于工業(yè)互聯(lián)網中越來越多的實時計算和生產分析能力下沉到邊緣計算節(jié)點中，這為邊緣計算節(jié)點的高可用提出了較高要求，如果為保障生產連續(xù)性，讓企業(yè)對每個邊緣計算節(jié)點都配置多機主備冗余策略，勢必會增加建設成本和維護費用；

采用區(qū)塊鏈分布式一致性共識算法和 P2P 通信機制可在企業(yè)內部的多廠區(qū)或生產線的邊緣計算節(jié)點間構建基于區(qū)塊鏈的分布式數據一致性高可用網絡，當一條生產線的邊緣計算節(jié)點宕機后可以使用其他生產線的邊緣計算節(jié)點支撐處理，保障企業(yè)生產的連續(xù)性。

采用優(yōu)化拜占庭容錯算法或 Raft 協(xié)議可以充分保障各邊緣計算節(jié)點具備 3F+1 或 2F+1 的容錯能力，可保障在邊緣計算節(jié)點中低成本實現(xiàn)服務高可用解決方案。

4. 實現(xiàn)生產調度的邊緣計算協(xié)同能力

目前對于工業(yè)自動化生產線來說，可以通過生產線和廠區(qū)的邊緣計算中心實現(xiàn)生產線內的設備協(xié)同，但在生產線之間、廠區(qū)之間、上下游企業(yè)之間的實時協(xié)同就需要更靈活和低成本的協(xié)同網絡。

我們通過在區(qū)塊鏈應用層構建供應鏈、生產線、運維等業(yè)務流程和數據模型，利用邊緣計算中心作為區(qū)塊鏈任務協(xié)同節(jié)點，將業(yè)務流程和數據模型通過區(qū)塊鏈節(jié)點狀態(tài)一致性同步機制，實時共享業(yè)務流程的狀態(tài)和進度，從而實現(xiàn)跨生產線、廠區(qū)、上下游企業(yè)的產業(yè)協(xié)同。

基于區(qū)塊鏈的生產協(xié)同，在工業(yè)互聯(lián)網的區(qū)塊鏈應用層構建生產運維模型，通過生產運維流程的發(fā)布、維護、跟蹤來實現(xiàn)分布式的 P2P 產業(yè)協(xié)同鏈。區(qū)塊鏈協(xié)同節(jié)點可以直接部署在邊緣計算中心，各邊緣計算中心通過 P2P 網絡直接同步和跟蹤協(xié)同狀態(tài)，可實時自動化完成生產協(xié)同工作。

5. 生產線品控選舉、生產效率優(yōu)化和故障實時同步能力。

工業(yè)企業(yè)對于生產效率優(yōu)化、產品品控控制和降低故障率等方面一直都缺少數據的橫向對比能力，只能基于當前生產線的歷史數據進行優(yōu)化評估，這限制了品控和效率優(yōu)化的參照性。

我們在邊緣計算中心嵌入區(qū)塊鏈分布式計算能力可不用在對生產數據直接全量傳輸的情況下，實現(xiàn)各項運維，品控指標的分布式競選功能。

多個邊緣中心對自身數據的最優(yōu)競選通過區(qū)塊鏈節(jié)點動態(tài)選舉機制實時產生，選舉產生的 leader 節(jié)點代表當前最優(yōu)生產實踐，可按需在其他邊緣中心廣播，為多生產線、多廠區(qū)和企業(yè)的最優(yōu)生產調整提供實時，動態(tài)數據支撐。

同時由于邊緣中心嵌入區(qū)塊鏈分布式一致性共識節(jié)點，為邊緣中心自動化實時同步故障和事故數據提供了基礎平臺，可實現(xiàn)事故無隱瞞，故障透明化，信息防篡改的生產安全告警和上報機制。

一條生產線的故障數據可通過邊緣計算節(jié)點自動化，防篡改的向監(jiān)管節(jié)點實時同步，同時可按照需求向其他生產線廣播告警。基于區(qū)塊鏈的事故告警機制，可實現(xiàn)低延遲，自動化，低成本和防篡改生產安全運維網絡。

部署模式

工業(yè)互聯(lián)網邊緣計算 + 區(qū)塊鏈的有多種部署方案，可在邊緣本地服務器或者云化環(huán)境上開展部署。具有跨平臺，跨操作系統(tǒng)的部署能力，各方節(jié)點各自部署完成后，可以相互自動連接和激活，實現(xiàn)分布式的，高可用的網絡結構。具體方式如下：

1. 多邊緣服務器 + 單一工業(yè)云平臺

圖 4 多邊緣服務器 + 單一工業(yè)云平臺模式

該部署方案可以整合當前生產線、廠區(qū)、企業(yè)的本地邊緣服務器或微數據中心和工業(yè)云平臺的實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)互通。項目在每個邊緣服務器和工業(yè)云平臺部署區(qū)塊鏈共識節(jié)點和計算節(jié)點，通過分布式計算節(jié)點實現(xiàn)多方安全計算，采用共識節(jié)點保障實現(xiàn)跨廠區(qū)或企業(yè)的數據一致性同步。該方案重點實現(xiàn)邊緣層數據和工業(yè)互聯(lián)網平臺的共享和一致性。

2. 多邊緣云 + 多云平臺

圖 5 多邊緣云 + 多云平臺模式

該部署方案整合不同的工業(yè)互聯(lián)網平臺形成依托邊緣云計算能力，實現(xiàn)跨工業(yè)互聯(lián)網平臺的互聯(lián)互通。項目在每個工業(yè)云平臺的邊緣云層部署區(qū)塊鏈共識節(jié)點和計算節(jié)點，通過分布式計算節(jié)點實現(xiàn)多方安全計算，采用共識節(jié)點保障實現(xiàn)跨工業(yè)云平臺的數據一致性同步。該方案重點實現(xiàn)了不同的工業(yè)互聯(lián)網平臺之間的數據共享和一致性。

3. 多邊緣服務器之間

圖 6 多邊緣服務器模式

該部署方案直接整合當前生產線、廠區(qū)、企業(yè)的本地邊緣服務器，實現(xiàn)生產線或廠區(qū)的互聯(lián)互通。項目在每個邊緣服務器中部署區(qū)塊鏈共識節(jié)點和計算節(jié)點，通過分布式計算節(jié)點實現(xiàn)多方安全計算，采用共識節(jié)點保障實現(xiàn)跨廠區(qū)或企業(yè)的數據一致性同步。該方案重點實現(xiàn)生產線、廠區(qū)、企業(yè)的工業(yè)數據的共享和一致性。

小結

目前區(qū)塊鏈技術在工業(yè)領域的應用還正處于探索階段，包括邊緣計算在內的很多工業(yè)場景，還未被商業(yè)實踐證明是應用場景。不過區(qū)塊鏈 + 工業(yè)互聯(lián)網的應用探討，在未來一段時間必將成為討論熱點。

特別是 2020 年 4 月 20 日國家發(fā)改委也正式將區(qū)塊鏈技術納入新基建范疇，如何利用區(qū)塊鏈技術優(yōu)勢，整合目前分散的工業(yè)資源，促進體系化和產業(yè)化的工業(yè)制造業(yè)升級將是未來的焦點話題。

# 專欄作家 #

黃銳，人人都是產品經理專欄作家。高級系統(tǒng)架構設計師、資深產品經理、多家大型互聯(lián)網公司顧問，金融機構、高?？妥芯繂T。主要關注新零售、工業(yè)互聯(lián)網、金融科技和區(qū)塊鏈行業(yè)應用版塊，擅長產品或系統(tǒng)整體性設計和規(guī)劃。

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題圖來自 Unsplash，基于 CC0 協(xié)議

新聞名稱：為什么區(qū)塊鏈非要傍上工業(yè)邊緣計算？
瀏覽路徑：http://www.rwnh.cn/article26/cpgsjg.html

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