OpenFog，是一種霧計算開放架構。文章剖析了這種架構的特點，及其適用的垂直市場領域，從而進一步闡述了霧計算在物聯網應用中所扮演的關鍵角色。
OpenFog架構的產生
正如IntelligentThings在“‘霧計算’：延伸‘云計算’概念，助力物聯網發展”（點此閱讀）一文中所述，物聯網（IOT）增長勢頭迅猛，聯網設備劇增，導致所需處理的數據量也十分龐大，對于數據速率、及時性、安全性要求也日益增加。為了解決這些問題，“霧計算”誕生了。
OpenFog架構，從傳統封閉式系統以及依賴云計算的模型，轉變為一種新計算模型。它基于工作負載和設備能力，使計算更加接近網絡邊緣，即IoT傳感器和制動器。霧計算并不是為了取代傳統云計算，而是作為補充和擴展。
OpenFog架構中霧和云的角色IoT系統部署，和客戶關鍵需求以及應用場景息息相關。因此，這些系統采用計算智能，通過管理系統的處理流程，讓信息物理處理 “cyber-physical process ”(CPP) 達到最佳狀態。CPP被分為三個參數集：期望狀態參數、觀測參數、影響流程狀態的參數。計算智能，可以通過OpenFog 以及后端云資源部署實現，和領域實現方案相關。
物聯網應用范例，至少有三大類計算層：法定控制、監督控制、決策支持。法定控制，讓處理更接近于期望狀態。監督控制，基于對目前和以前的狀態進行學習，從而保證期望狀態得到優化。決策支持，對所有裝置累積的數據進行操作，然后反饋給底層控制層，或者企業資源規劃（ERP）系統，進行戰略決策。所有法定控制和監督控制，都在相對于小的范圍內，通常在單個裝置上面進行。相反，決策支持，則基于分布式企業范圍。這也相對規定了霧和云所扮演的角色范圍。
OpenFo架構特征OpenFog架構，使用大量邊緣設備和計算終端，與傳統云服務一起，進行數據存儲、計算、網絡連接以及管理相關的任務。OpenFog架構和傳統架構相比，特征如下：
在用戶和商業部署附近，進行低延時存儲。靠近最終用戶進行運算，避免延時，網絡和帶寬損耗。低延時通信，而不是所有通信都要經過骨干網路由和同步。靠近最終節點實現管理元素，包括網絡測量，控制和配置。通過安全方式，將遙測和本地計算數據拷貝到云端，做進一步分析。云架構和霧架構，并不是二者只可選其一。什么樣的任務采用霧，什么樣任務采用云，取決于應用需求，也會動態地隨著網絡瞬時需求而改變。它基于網絡狀態，處理器負載，鏈接帶寬，存儲能力，故障事件，以及安全威脅。
OpenFog架構，定義了霧和云之間的接口，以及霧和霧之間的接口，優點在于：
認知：以客戶端為中心目標，具有自主性。效率：在最終用戶設備上，動態合并本地資源。敏捷：快速創新和基于通用構架快速拓展。延時：實時處理和物理信息系統控制。平臺即服務（PaaS）是指云計算服務提供平臺，讓用戶不需要構建和維護基礎架構，就可以開發，運行，管理網絡應用程序。而OpenFog架構，則構建了“霧即服務”（FaaS），來應對特定的業務挑戰，如下圖所示：
OpenFog Fabric：它由一些列行為模塊組成，構建同質計算基礎架構，使得有用的服務可發布到附近生態系統，例如設備、協議網關和其他霧節點。這種同質計算基礎架構，通常構建在由多個供應商提供的不同硬件和平臺上。
OpenFog Services：它構建在OpenFog Fabric基礎上，可包括：網絡加速、網絡功能虛擬化、自防御網絡、內容發布、設備管理、設備拓撲、復雜事件處理、視頻編碼、領域網關、協議橋接、流量卸載、加密、壓縮、分析平臺、分析算法庫等等。
Devices/Applications：它包括邊緣傳感器、制動器、已經獨立運行的應用程序，在霧部署中或者橫跨霧部署。它在OpenFog服務層處理。
Cloud Services：可利用云計算，處理更大規模數據，或者預處理邊緣數據建立策略。它應該在不妨礙自動性的情況下，起到一些作用。
Security：它是OpenFog部署的基礎。由于每一層的功能模塊具有自由訪問控制機制，所以OpenFog 部署和圍繞著的生態系統，必須在安全環境下運行。OpenFog架構，需要通過先進的信息安全處理，保證數據在不同端點間傳輸的安全性。
DevOps：它通過自動化驅動，通過框架和處理流程提高操作效率。OpenFog 中的DevOps支持驅動軟件敏捷升級，以及通過可控的持續集成流程打補丁。
OpenFog架構8支柱模型OpenFog部署呈8個支柱架構，每個支柱代表成功實現OpenFog的關鍵因素。如下圖所示：
（1）安全性OpenFog部署，從基礎架構角度來看，霧節點和霧層可以出現在FaaS中。通過FaaS，每層位置和節點部署，不需要遵從單一數據中心。但是，這樣并不意味著不需要安全性。因為分布式數據存儲和網絡拓撲，用戶和霧服務提供者都面臨安全性威脅。
安全基于“物”。這些物，必須在受信硬件基礎上。這種“可信根”，必須通過其上運行的軟件來證明。因為鄰近最終用戶以及邊緣位置，霧節點必須首先被進行訪問控制和加密，提供完整性和隔離，控制隱私敏感的數據。隨著更加復雜的拓撲結構產生，整個霧節點“鏈”都要受信，對于其他霧節點，云端，都要提供安全保證。因為，霧節點也會動態實例化，所以軟硬件資源必須可信賴。非法的組件不可以參與到霧節點中。
安全實現，可能有許多描述和屬性例如：隱私、匿名、完整性、信任性、證據、硬件可信根（ROT），驗證和測量。這些屬性對于OpenFog架構很關鍵。
（2）可擴展性可擴展性，對于驅動用戶進行霧節點部署，處理動態技術和業務需求很重要。霧網絡中的可擴展性，包括以下幾個方面：
性能可擴展，霧實例的性能可以增長，來滿足關鍵應用性能需求。容量可擴展，霧網絡隨著應用，節點，物和用戶增多而增長。信賴可擴展，在一定范圍的信賴性，可以隨著霧容量增加而擴展。安全可擴展，在一定范圍的安全性，可以隨著業務驅動而擴展。軟件可擴展，霧節點和網絡的軟件，也要可擴展。（3）開放性開放性，是霧計算生態系統，成功應用于物聯網平臺的關鍵因素。如果只為單個供應商所有，限制供應商多元化，那么對于生態系統的成本、質量和創新都會產生消極影響。
可組合性，表示應用程序和服務在實例化時，具有可移植性和易變性。互操作性，安全的進行計算、網絡和存儲，保證執行時的易變性和可移植性。開放通信，網絡能夠獲取附近邊緣網絡的資源，搜集閑置能量、存儲能力、感知能力和無線連接性，最大化滿足業務需求。位置透明，讓節點可以存在于層次中的任意位置。（4）自主性操作自主性，讓霧部署可以具有面對外部服務失敗的功能，同時也可以獲取跨越整個層次的支持。在邊緣網絡中的自主，意味“本地設備”產生的智能和“同伴”的數據，可以完全滿足業務需求。OpenFog靠近設備進行決策，不像云那樣集中化決策，支持一些列自主功能，例如：
自主發現，讓資源可以自主發現和注冊。自主編制和管理，自動處理在線服務，對整個生命周期進行管理。自主安全，支持安全功能例如AAA（鑒權，授權和核算）、InfoSec等等。它讓設備和服務可以在線進行安全鑒權。自主操作，本地化決策，可以保證IoT 系統滿足動態業務要求。（5）可編程性可編程，帶來高度自適應的部署，可以讓霧節點和層，完成新的任務，容納動態操作，完全自動化。OpenFog參考架構，有著不同部署方案，通過不同的標準，技術，框架和運行時容器來實現。可編程性，帶來以下好處：
自適應基礎構架，不同的 IoT 部署方案，支持變化的業務需求。資源高效部署，最大化利用資源。多租期，讓多個租期可以邏輯分離運行環境。經濟化操作，帶來高密度和自適應基礎架構。提高安全性，通過補丁來應對威脅。（6）可靠性/可用性/可服務性（RAS）RAS，處于整個OpenFog系統架構之中，硬件，軟件和網絡層次上，是RAS三個主要領域。
信賴性包括：
可預測OpenFog平臺硬件，軟件和相關霧網絡的健康，通常通過運行時間來測量。數據安全措施，和使用硬件，軟件和網絡設計的邊緣網關，提高性能和支持OpenFog部署。系統健康需要自主預測和適應，自我管理能力，軟硬件具有自我修復能力。可用性包括：
可以訪問霧架構的所有層，進行管理，控制，比如升級，診斷和安全的固件修改。可用性，在端到端的 IoT平臺上通知設備，服務或者數據存儲的冗余和重復。能夠控制硬件的所有方面，包括訪問傳感器，從BIOS到操作系統層面的遠程啟動能力。可服務性包括：
高度自動化的安裝，升級和修復，以便高效部署霧架構。潛在的軟硬件支持，可以自動修復。霧系統的部署易被維護。（7）自主性自主性，對于OpenFog 系統，實現快速機敏的業務操作決策來說很重要。IoT系統產生的數據，和人類單獨能夠理解的數據，知識和決策的模式不同。在OpenFog架構中，自主性可以確保IoT 產生有用數據，快速傳輸，并且自動快速決策，以及自動化處理。
數據，是信息系統的關鍵，OpenFog架構也一樣。由傳感器和系統生成的數據，是混亂且突發的，有時數據量很大。最重要的是，數據沒有上下文，上下文基于IoT系統內操作決策，上下文只有在數據被整理，聚合和分析的時候才用到。數據的分析可以在云層面進行，但是這樣增加了延時，和多層傳輸帶來的不確定性。所以，解決方法是將所有可操作的決策，在數據一旦被轉化為有意義的上下文時，就做出。這樣系統可以更快，更好的做決定。
（8）層次性OpenFog計算資源，可以按照IoT系統的功能需求，進行邏輯分層。霧網絡，需要支持分層結構，具有本地，鄰居，和區域級別，有效的劃分計算任務。
OpenFog架構應用
OpenFog架構，可以應用于許多垂直市場，例如智慧農業，智能交通，智慧城市，智慧建筑，智能醫療等等，提供低延時，網絡受限的IoT應用。
智能交通
OpenFog 可以滿足運輸行業的三個基本需求：低延時，維護用戶隱私，和不同層面的獲取資源。
例如，通過智能交通控制系統中的霧節點網絡，可以分享高峰時刻的交通信息、進行本地化事故處理、重新規劃交通路徑。同樣，人們也可以很容易從娛樂系統中獲取資源，因為每個公共交通用戶手機上具有霧計算應用，讓用戶可以共享相鄰用戶數據，相互提供可靠的網絡連接。
最后，對于公共交通中的無人駕駛汽車安全系統、道路監控系統、售票系統來說，可以搜集許多基于傳感器和視頻的數據。這些系統，理想地來說，只將一些匯總的數據上傳到云端，從而不侵犯用戶隱私，同時智能地保證用戶帶寬。云，可以提取有用的商業價值，例如如何在更長時間級別規劃路徑，而不是短期提供低延時保證。在邊緣，可以進行實時決策，策略控制。而在云端，可以進行大數據分析。
之前，IntelligentThings也在“‘霧計算’應用案例分析：無人機快遞”（點此閱讀）一文中描述過霧計算構架在無人機快遞服務中的應用實例。
智慧農業
OpenFog 架構，對于農業來說，作用體現在肉類和乳制品，水產品，水稻，蔬菜，玉米等的種植和生產。在許多地區，農業通過合作農場形式進行優化。這些農場，已經經過技術革命，應用適量除草劑和殺蟲劑，最大化利用水資源，保證產量。更進一步的說，小農場（小于2英畝），將在我們的糧食生產中扮演更重要的角色。這些小農場，也需要最大化資源使用效率。
但是，缺少可信賴或者節約的方法連接云端，無法實時高效的知道除草劑和殺蟲劑的效率，動物健康，環境因素，以及水和土壤情況等等，阻礙了生產率提高。另外，農民沒有專業IT知識，所以即使讓農民和云基礎架構連接，也不清楚他們可以如何利用這些資源。所以，本地化計算資源，對于農業來說，積極作用很大。
智慧城市
OpenFog架構，可以影響人到們在城市中的交互和生活方式，幫助提高基礎城市相關操作效率，例如延時，連接性，隱私，安全等等，提供高效和人性化服務。建立智慧城市一個主要障礙就是：帶寬和連接的可用性。當大多數現代城市小區網絡容量和峰值帶寬受限，只能滿足現有居民的需求。對于額外的服務，所預留的帶寬很少，OpenFog正是可以解決這個問題。
智慧城市挑戰還來自于安全，關鍵指標和高級分析。城市網絡，可能攜帶敏感數據以及生命攸關的系統，例如智能運輸避障應用，第一應答者通信等等，所以需要安全和信賴。視頻監控高級分析，也是保證快速有效定位城市犯罪的關鍵。所以，智慧城市部署需要本地化。因為OpenFog架構，最好的滿足了智慧城市的需求。霧基礎架構，具有安全性，數據加密和分布式分析，在智慧城市中扮演重要角色。
智慧建筑
建筑管理自動化，是邊緣智能和本地化處理的一個經典案例。商業建筑，會包含許多傳感器，測量不同建筑操作參數，包括溫度，濕度，門開關，出入證讀取，泊車位占有率，安全，電梯和空氣質量。這些傳感器不斷測量建筑內部數據，存儲在本地，然后驅動制動器，對于建筑內條件進行優化。從傳感器測得的數據后，需要進行實時的計算，從而決定暖通空調是否要運行慢點，當房間沒人時關燈，感知到火情時觸發火警，在起火時啟動消防裝置等等。OpenFog部署模型，可自主的進行本地控制功能操作。
另外，長期建筑遙測數據和控制動作，可以上傳到云端，進行關于電、水、燃氣消耗、操作效率、設備檢修時間、預防性活動和其他相關操作的更大范圍分析。基于這些存儲的操作歷史，可以訓練機器學習模型，在本地“霧”基礎架構中，使用“云”訓練優化操作策略。
參考資料
https://www.openfogconsortium.org/wp-content/uploads/OpenFog-Architecture-Overview-WP-2-2016.pdf
京公網安備 11010502049343號