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边缘网络接入方式,特别像你上课传过的那张纸条

木马童年 2019-4-29 11:05 37 0

新年伊始、元旦前后,网络上各式“感叹岁月”的帖子层出不穷,好不热闹。有90后嫌自己老了;也有70后还装着嫩;还有00后玩起了自拍并自诩成熟。而我这个80后并不想表达什么,只是有一点怀念我的中学年代,那个还没手 ...

新年伊始、元旦前后,网络上各式“感叹岁月”的帖子层出不穷,好不热闹。有90后嫌自己老了;也有70后还装着嫩;还有00后玩起了自拍并自诩成熟。而我这个80后并不想表达什么,只是有一点怀念我的中学年代,那个还没手机和互联网的年代……

课间休息,下节课的任课老师提前出现在了教室门口,他携着教案和试卷,不紧不慢地走进教室,立定在讲台前一手放下教案,头也未回:”谁能擦下黑板”,老师洪亮的话音刚落,后排座位上一高个男生如离弦之箭,急速跑到黑板前抓起黑板擦,挥臂抹起来。

边缘网络接入方式,特别像你上课传过的那张纸条

就在高个儿男生擦着黑板的时候,老师拿着试卷走下讲台,这是上一堂随堂测验的卷子,他随意地将厚厚的一叠放在第一排某位同学的课桌上,说到:“帮忙发一下”。

那第一排坐着的同学拿起考卷,起身走到其它头排的课桌前,将该组(列)同学的卷子挑选出来放下,说到:“传”。第一排的同学从一叠卷子中抽出了自己的卷子,再将剩余的卷子传了到了第二排,第二排同学也同样抽出了自己的卷子,之后传给后排。

每一排的同学都这样操作,直到最后一排同学收到自己的卷子。很快,那第一位同学顺利完成了任务,将卷子分成8份(列)发完了。

边缘网络接入方式,特别像你上课传过的那张纸条

上课铃声响起,陆续有人出现在教室门口并鱼贯入内落了座,教室里也安静了许多,但还是有不少人在轻声交谈,聊着响铃前的话题。老师轻咳了两声,随即没了杂音,他向左一扭头:“门!”,坐在第一排近门的同学起身走了两步将教室前门轻轻合上。

前半节课,试卷分析,全班同学都面朝讲台,专注于老师在黑板上演绎的解题思路。整个教室除了老师洪亮的嗓音和老师有力的板书声外,别无异响。

而下半节课:自习,教室里的气氛则大为不同。

坐在后排的A和B聊起了电玩游戏(三国类游戏),它们盘点着每位“武将”的武力值,滔滔不绝。而坐在他们前排的C既不回头也不插嘴搭话,却听着津津有味。

坐在靠窗中间同桌的两个女生E和F,一起看着一本小说。这是一本青春校园题材的小说,学校图书馆刚引进就被她们借阅出来。如果轮流看,必然有人先、有人后,两人都有点等不及。所以,他们便乘着自修时间,“头碰着头”读起来。

同桌的M和N虽然表面上各自复习,但课桌下摆着象棋棋谱,一人落子前思考的时候,另一人勾选着练习册上的选择题。

校花O取出一张白纸,在上面写了不少字,然后仔仔细细地叠成了小方块,从课桌板下面递给了她的同桌Q,并凑着Q的耳朵嘱咐了几句。

Q接过小纸条,一手伸过走道,递给坐在斜后方的R,并说了一句:“当心被T拿走了”,虽然Q没说纸条给谁,但R似乎知道要给谁,他将纸条继续传了下去,并将Q嘱咐的话也传了下去。

原来,纸条是给学霸S的,而T是S的同桌,且又是男生中最八卦的一个,所以,纸条最终绕过了他直接到了学霸S的手里。

眼看着纸条到了学霸手里,而每一个传递者都有意绕开他,T很是不服,他嘟着个嘴对学霸说:“你快看看写了啥”。学霸捏紧了纸条塞进了裤兜:“要你管?!”。

最后一排两个大男生:靠窗的U和靠门的V,隔空商量起了打篮球的事儿。他们之间的距离“遥远”。

他们嫌说话不便,传纸条则太慢,所以各自将椅子往后挪了一挪,相向而对打起了手势、对起了口型。虽然这种“哑语”的交流方式容易出错,但他们还是很快地完成了课后分工:谁去给篮球充气,谁掏钱去买饮料。

边缘网络接入方式,特别像你上课传过的那张纸条

如果把教室看成一个物联网边缘的网络域,那么教室里的每个人都是一个智能节点,这些老师和同学即是承载应用的终端,也是信号转发的中间节点。和远距离的通信方式不同,当人和人(智能节点)面对面时,他们之间的交流(信息传递),并不完全遵循对称的网络架构。

(注释:“对称”的网络架构,是指信号的发送方和接收方,采用相同的、层次化的网络模型。比如两台电脑建立一个“TCP/IP”的连接,这基于双方具有相同的网络协议栈。对称的通信模式,要求发送方在数据包中携带路由等相关的网络属性,所以也称之为“面向发送者”的通信模式。)

一、“面向接受者”的“非对称”通信

面对面时,人们通过口语、表情、肢体来表达想法,这往往都不是对称的通信模式。而只有远距离的书信来往,才可以看成是“对称”的通信。在“不对称”的信号收发模式中,发送者可以在发送的消息中不标识出接收者,也不携带路由信息,任由第一位信息的接收者自行处置。

例如:任课老师不是班主任,她并不知道谁是值日生,但她只需要发出班务需求,值日生就会主动履行其职责(擦黑板)。老师采用了典型的“面向接受者”的“非对称”通信模式,他(老师)其实并不知道究竟谁是接收者(值日生),所以他以广播的形式发送信息,只是提出了需求,却不指名道姓指定执行者。

在边缘网络中,哑终端特别需要利用这种“非対称”模式连线上网。带有传感器的哑终端如果采用电池供电,那就必须采用低功耗的运行模式。所以,设计者会简化终端的通信复杂度,并减少上传消息的字节数。

消息中的网络开销字节被尽量缩减,甚至完全舍弃,再通过智能设备进行读取,来灵活、有效地处理它们提供的信息。

在非対称的通信模式中,始发消息就好像人的口语一样,内容十分简洁,且不会刻意注明接受者的相关信息。

简短的口语能够确保人们思想交流的效率。在物联网领域,这种低网络开销、内容极短的消息被称为“啁啾”(鸟鸣的象声词,源自“Francis daCosta”的《重构物联网的未来》),也有一些边缘网络协议的开发者称之为“吼叫”(具有广播特性),而我则称呼其为“口信”。

二、边缘网络需要“非对称”通信

1、微型终端的通信需求

在边缘网络中,终端对通信的需求(实时性、数据量、周期性、完整性等)有很大差异。一些终端(例如单一的传感器等微型终端)并没有大量的数据上传需求,对实时性和完整性的要求也不高,它们一次通信只需要发送微量数据,并且要求周期性地与临近终端进行信息交互。

在大量部署微型终端的区域中,任何一个微型终端短暂的“失联”,通常都不会影响应用中数据计算的结果。

在边缘应用中,这种“低信息量、较高频率、允许丢包和延时”的通信要求,通常都适用于于“监测和分析”相关的应用。

2、对称通信模式的局限性

如果按照对称通信的模式,终端设备需要将小量的信息(传感器读数可能只有几个字节)进行层层封装,并携带相对大量的网络开销字节(比如IP报文:IPv4报头长度固定为20B,即160bit;IPv6报头长度固定为40B,即320bit),然后发送给网络。

边缘网络中的转发节点,收到海量的“小信息量”数据后,需要不断地拆帧解包、路由查询,再将数据封装后送往目标终端。在收到数据包后,应用数据的终端同样需要对数据解包、校验后,才能用上这可能只有几个字节的内容信息。

而实际上目标终端可能就在十米开外的地方,确有画蛇添足、多此一举之嫌。

由于数据包中的有效负载的比例太小,频繁的小信息量的数据交互,使得网络资源被严重浪费。数据的“过度包装”,不仅对信息的发送者和接收者是一种负担,对位于网络中间的路由、转发者更是严峻的考验。

在数据包中网络开销占据的比例过高,对通信网络来说并不经济。对于整个物联网边缘网络,无线接入资源(频谱资源)和有线网络带宽原本就不富裕,有效载荷过低只会造成更为严重的资源稀缺。

所以,需要另一种颠覆性的通信模式,即非对称的通信模式,来满足边缘网络的特别需要。

3、非对称通信模式的特性

在边缘网络中,由于终端的地理位置相对靠近,局部的组网结构并不需要太复杂,端到端的网络连接“跳数”可以被控制在一定范围内。在数据包的网络开销相对简化,甚至省略的情况下,连接的质量依然可控。

对于单一功能(感知、执行)的终端,其个体之间交互的消息量普遍较小。对于此类设备,采用低开销的小数据包(“口信”)更为合适。

一方面,可以减少网络资源的占用,提高利用率。例如,因为数据的信息量小、字节少,所以用于“分片”的开销字段(以IPv4为例):标识(identification)、标志(flags)、段位移(Fragment Offset),便没有了存在的必要。此外,“非対称”模式中适当放宽差错效验、抗干扰等通信质量要求,仍可以满足边缘应用的需求特性(“低信息量、较高频率、允许丢包和延时”)。

另一方面,可以降低耗电,增加终端电池的使用寿命。同时,由于简化或省略了网络协议栈,终端的控制和通信芯片也可以随之简化,进一步降低了电路设计和制造的成本。

4、非对称通信模式的局限性

“口信”是一种非常简洁的消息,但具有一定的局限性。一方面由于消息的数据包中没有路由信息、效验码等网络层的通信保障信息,所以难以保证数据传送的实时性。

另一方面,在数据包缺少网络开销字节情况下,如果通信需要实现可靠的端到端连接,就只能由两端的应用层来掌控数据报文的效验和重传,这样不仅会增加数据传送的时延,也会消耗更多的链路资源。

所以,非対称的通信模式,通常并不适用于远距离的信号传输,以及对实时性和完整性要求较高的通信连接。人们使用的智能终端通常以“对称”通信为主,因为人的信息消费需求是时延越低越好,可靠性越高越好。

整体来看,非对称的通信模式具有:信息简短、交互频繁、网络开销简化、可容忍少量丢包等特性,适合“面对面(face to face)”的现场交互,而不适合于长距离、高可靠性的连接。对称和非对称这两种通信模式,会在边缘网络中作为互补而共生。

三、面向接受者和边缘计算

显然,发送者的“口信”是缺少某些“信息”的:应用场景信息、路由信息、时间戳、位置信息等等。要补全这些信息,就需要口信的接收者和转发者有一点“智力”,来弥补“信息的不完整”并做出处理的决策。所以,非对称的通信模式是“面向接收者”的信息连接,并且需要边缘计算、边缘智能的部署,来实现数据的准确传达和使用。

在边缘网络中“面向接收者”的通信模式中,接收者主要是指转发节点、智能网关、边缘服务器和智能终端。

转发节点

消息简化的一个重要前提,就是消息的采集/转发者具备较高的计算分析能力(智能)。边缘网络中,采集/转发者的工作通常由转发节点承担。通过发挥转发节点的计算能力,补全各类“口信”的场景、路由信息,实现各类通信协议的转换(包括终端接入边缘网络、边缘网络接入云端),以及扮演智能网关的角色。

1、使得网络节点能够自行根据应用场景,补全“口信”中的上下文内容(时间戳、位置戳、应用类型、网络中其它兴趣节点),并决定如何处理收到的信息内容:将消息丢弃、封装、转发、应用。

2、在网络边缘,各种类的终端会采用不同的方式接入网络:有线连接(网线、电话线、电力线)或无线接入(无线电、微波)、数字信号或模拟信号(光波、音频),各类通信协议需要转发节点进行“翻译”并转发给目标终端。由于转发节点不仅具备信号中继的功能,还要承担多协议的“翻译”职责,所以其需要一定的计算和存储能力、配置各类通信协议栈,以实现数据流的协议转换,提高边缘网络的兼容性。

智能网关

边缘网络中需要节点承担网关角色,负责和云端通信。

一方面,网关节点和转发节点的角色类似,实现边缘领域内、外的通信协议转换:能够将边缘网络中的多源异构数据“翻译”成云端的通信数据报文,也能够将云端的数据报文解析后重新封装,使得边缘网络中的各类终端能够识别。

通常情况下,云端网络采用IPv4或IPv6的对称通信协议,而边缘网络中则为多种协议共存,包括以太网协议、蓝牙、RFID、工业总线、Zigbee等等。

另一方面,网关设备还需要具备防火墙功能,以及对上下行数据进行分拣、过滤、剪裁和压缩,实现路由功能。此外,根据业务需求,网关可能还要具备数据流缓存、预处理等应用层面的功能。

边缘“网关”需要负责海量数据的上传下行工作,并能够灵活调整路由、数据预处理的策略。边缘网络对网关计算、智能的要求,会随着应用场景的发展不断提高。(帮助老师发考卷的那位学生,便是通过“二传手”(所有坐第一排的同学)进行考卷的分发,提高了效率。)

边缘服务器和智能终端

除转发节点以外,同样对于数据的应用者,也需要智能来理解“口信”,解析出“语义”,并予以应用。事实上,物联网的大量消息只在边缘有价值,并且只在边缘网络中消费,所以使用数据的终端和服务器需要足够的计算和存储能力,来实现复杂的业务功能。

(注释:我曾经介绍过物联网的两个信息环路:预测分析的云端信息环和操作执行的边缘信息环,在这里就是指现场操作的应用,应用中的数据具有明显的时效性和地域性)

四、混合通信

在边缘网络中,采用“口信”方式发送信息有一个显而易见的好处,就是对通信资源的占用会很低,特别是针对稀缺的无线频谱资源。同时,终端也可以通过配置通信周期,采用退避算法、信道监听等等措施,彼此腾出时间间隙,进行数据发送。

但如果有一些设备要长期占用无线网络带宽呢:比如在家里的公共活动区域(阳台、客厅、餐厅、厨房、门庭等)安装无线摄像头,并实时向安保服务器上传视频数据。

而问题就在于:除了摄像头外,家里还有冰箱、(几台)电视、(每人一部)手机、插座、空调、音响、微波炉、咖啡机、体重秤、照明灯、热水器、吸尘器、平板电脑、智能门锁、便携式电脑、烟雾报警器、空气净化器等等一堆的电器需要联网。

仔细想一想,要满足长期占用带宽的需求,还是拉一根网线最为合理。

人会使用各种方式进行信息采集和交流,这使得人具有很强的环境适应性。正如教室中的自习时刻,同学们根据对通信质量的需求(完整性、紧急性、数据量、安全性等),结合环境因素、收发双方的沟通能力(契合度)、信息传递的成本,以及个人喜好,采用各自的方式进行沟通。

正所谓“随心所欲不逾矩”,“智能+混合通信”的模式,体现了边缘网络中“市场化”的连接组网方式,对通信效率的提升不言而喻。

智能终端也可以这样联络彼此。因为他们可以装备多种类的“感知器官”,并拥有分析预测的“智能”。

配置了各种通信模块和传感器,它们就可以采用混合通信的方式与外界交流;对不同类型的信息进行关联性分析,从而更深刻地理解现实世界和其它设备。

由于在边缘网络,终端、节点等设备相互之间的距离不远,所以他们完全有条件选择合适的通信方式进行连接:通过无线电波空传数据(微波通信、移动通信);通过线缆(光纤、电缆)传导数据流;还可以通过各类传感器、输入输出设备通过模拟信号(声音、图像、红外线等)进行交流。

此外,根据应用的需要,机械化的信息传递方式(齿轮传动等)和快递“存储介质”的方式(使用即插即用的存储设备),只要允许,也是可行的。

在边缘网络中,由于终端们可以在现实中“面对面”,所以他们交流的方式可以扩展到几乎所有的自然界的信息传递方式上。我们的智能手机其实已经具备了这种能力:

通过蓝牙连接智能手环和蓝牙耳机,通过Wi-fi接入家庭路由器上网(近距无线通信);

通过4G技术连接到运营商网络拨打电话(远距无线通信);

通过触摸屏和“主人”互动(图像输出、机械输入);

通过振动和铃音提示未接电话(机械式输出、声音输出);

通过摄像头对使用者进行身份识别,对二维码进行扫描识别(图像输入);

具备语音唤醒和交互功能(声音输入)。

五、通信百态是边缘网络的未来

对于通信而言,无线信道拥挤、有线带宽匮乏的瓶颈一直存在,在物联网时代恐怕尤为明显。边缘网络的通信连接方式,将依据各类行业应用的需要、终端的(感知、计算、通信)能力和数量、通信资源的状况,呈现“八仙过海”的局面。这种通信的生态,将助力物联网不断向前发展,实现智能的泛在部署。

非对称的通信模式(“口信”),并不会完全替代对称的通信模式,但是它会是边缘网络中不可或缺的关键组成。

结语

自习时,学渣X本就无心做作业,看到前排的校花传纸条,更是有些心神不宁。他从课桌台板下抽出一张空白的草稿纸,侧过头看了看远处正在认真复习的女神Y。

他可不想通过别人中转把纸条传递过去。爱打篮球的他,丢纸条的准确率虽然不低,但还是难免担心被别人“抢了篮板”。他斟酌了好久,在纸上落笔书写了一首藏头诗。

他边看着女神边把创作叠了起来,将纸张折成了“块”。随后,他望了一眼四周,确定没什么危险,先一手近腮托举起纸块,再上伸前臂并通过手腕带动手掌前推,一个连贯又迅速的动作将小纸块抛向目标。

小纸块在教室上方划出了一个漂亮的弧线,在这个领域,它与其它纸团相撞的概率几乎为零,当然也太可能有“冒失鬼”窜起来盖帽……

投掷的一刹那,X不免担心:藏头诗虽不容易被旁人读懂,但谁也不能保证女神就一定看得明白。不过,他又转念一想,只要被女神拾到了,即便打开的是一张白纸,那也足够了。有时候,这有些事儿不就是尽在“不言中”么?!

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