本文將區(qū)塊鏈技術(shù)、邊緣計算和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺化技術(shù)相融合，重點講解工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中企業(yè)邊緣層數(shù)據(jù)共享，設(shè)備接入數(shù)據(jù)安全和生產(chǎn)線協(xié)同等問題，供大家一同參考和學習。

引言

區(qū)塊鏈技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(wǎng)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(shù)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(zhì)疑為什么不直接使用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用的分布式管理機制，而非要使用區(qū)塊鏈技術(shù)呢？本文將通過工業(yè)邊緣計算的特點，分析區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)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(wǎng)平臺技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)深化，技術(shù)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(shù)的平臺架構(gòu)與應(yīng)用開發(fā)技術(shù)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(wù)功能提升。

一方面，容器、微服務(wù)與應(yīng)用開發(fā)技術(shù)不斷提升平臺的資源利用效率，推動功能解耦與復(fù)用，加速應(yīng)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(shù)據(jù)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(wù)能力。

圖1 來源：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺白皮書（2019）

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

大量生產(chǎn)制造運營數(shù)據(jù)通過邊緣層從原來獨立的設(shè)備、廠區(qū)轉(zhuǎn)移到平臺層和IaaS層，再通過OpenAPI提供給產(chǎn)業(yè)生態(tài)的其他合作伙伴調(diào)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(wǎng)數(shù)據(jù)的利用率，但開放的數(shù)據(jù)架構(gòu)，大量的設(shè)備接入，都增加了數(shù)據(jù)使用的安全風險。

大量的機理模型、數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)模型的加速沉淀和集成，在提升了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺集中化工業(yè)要素和平臺資產(chǎn)管理水平的同時也增加了出現(xiàn)數(shù)據(jù)安全事故的風險。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推廣實踐過程中，工業(yè)企業(yè)出于自身數(shù)據(jù)、生產(chǎn)線安全和商業(yè)機密考慮，還是將很多核心數(shù)據(jù)保留在本地服務(wù)器或者邊緣層，并未上傳到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺層和IaaS層，從而限制了工業(yè)數(shù)據(jù)的共享和互通；大量企業(yè)分散的邊緣計算設(shè)備如：DCS/PLC、網(wǎng)關(guān)、I/O模塊、邊緣服務(wù)器、微數(shù)據(jù)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(wǎng)在生產(chǎn)協(xié)同，機理模型構(gòu)建，生產(chǎn)連續(xù)性保障，品控和故障告警方面的實時應(yīng)用。

2019年，Gartner工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)平臺供應(yīng)商上榜，而國內(nèi)只有樹根互聯(lián)首次出現(xiàn)在榜單上，一些國內(nèi)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(wǎng)平臺建設(shè)在獨立采購、商業(yè)模式創(chuàng)新、IoT終端連接數(shù)、支持本地化部署、數(shù)據(jù)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(wǎng)平臺在實現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)互聯(lián)后，企業(yè)邊緣層的數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)主動分享機制問題。

區(qū)塊鏈技術(shù)與傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫或應(yīng)用的最大區(qū)別在于其開放性和分布式業(yè)務(wù)復(fù)雜性問題。傳統(tǒng)分布式管理技術(shù)是建立在中心化決策機制中，高可信的內(nèi)部數(shù)據(jù)和狀態(tài)的一致性基礎(chǔ)上的，強調(diào)數(shù)據(jù)、狀態(tài)的分布式一致性，而非協(xié)作的事務(wù)一致性。

而區(qū)塊鏈技術(shù)更多的是在開放的、不可信的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，實現(xiàn)異構(gòu)的平臺、業(yè)務(wù)、企業(yè)和產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜業(yè)務(wù)協(xié)作（比特幣的點對點資產(chǎn)交易，本質(zhì)上是一種雙方或多方協(xié)作機制），可以說數(shù)據(jù)共享只是區(qū)塊鏈技術(shù)的附屬產(chǎn)物，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用目的在于分布式的安全事務(wù)交易或協(xié)作。

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

通過采用區(qū)塊鏈技術(shù)在產(chǎn)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(chǎn)流程，使邊緣結(jié)算節(jié)點真正成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備、數(shù)據(jù)和模型的接入、計算和前置分析層，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供企業(yè)共商、共建、共享的可信基礎(chǔ)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(wǎng)邊緣層為平臺提供工業(yè)設(shè)備和其他制造資源的管理和接入，其標準化需求聚焦在設(shè)備接入、協(xié)議解析、邊緣數(shù)據(jù)處理等方面；同時邊緣層依托區(qū)塊鏈分布式計算協(xié)調(diào)，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(xùn)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(shù)字身份頒發(fā)和校驗體系可以為邊緣層設(shè)備和計算提供點對點數(shù)據(jù)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(chǎn)調(diào)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(shè)備、邊緣計算中心分布式數(shù)字身份認證和自助加密認證機制

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進一步發(fā)展和演進，大量工業(yè)智能化設(shè)備和傳感器需要接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，如果采用傳統(tǒng)中心化數(shù)字安全認證體系，很難保障接入設(shè)備生產(chǎn)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(shù)和數(shù)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(shè)備接入的認證和安全校驗節(jié)點，而全網(wǎng)任一平臺和服務(wù)器可作為數(shù)字身份的注冊節(jié)點，可實現(xiàn)人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備、服務(wù)器之間的雙向身份驗證，大大降低邊緣層接口數(shù)據(jù)泄露和設(shè)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(wǎng)平臺層或者IaaS層工業(yè)數(shù)據(jù)加密存儲需求，可以依托數(shù)字身份管理的實現(xiàn)數(shù)據(jù)個性化、私有化的訪問機制。

個人、設(shè)備、服務(wù)器數(shù)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(shù)字證書頒發(fā)和驗證節(jié)點，可以參與數(shù)字身份的全局驗證。同時通過點對點自助數(shù)據(jù)加密體系可輕松實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣層IoT傳感器、DCS、PLC等設(shè)備的個性化非對稱加密，為數(shù)據(jù)通道和數(shù)據(jù)體實現(xiàn)加密傳輸和存儲服務(wù)，使在傳輸層和存儲層無法偷窺和篡改數(shù)據(jù)。

終端設(shè)備通過集成區(qū)塊鏈安全SDK，構(gòu)成區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的輕節(jié)點，可實現(xiàn)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)，發(fā)揮了IOT設(shè)備輕量化，數(shù)量多的特點，在不給區(qū)塊鏈共識網(wǎng)絡(luò)層增加共識負擔的情況下，為共識網(wǎng)絡(luò)提供真實有效的感知數(shù)據(jù)，同時通過共識網(wǎng)絡(luò)和智能合約的約束可實現(xiàn)對感知設(shè)備的自動、智能的控制。

還可建立數(shù)據(jù)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(wǎng)邊緣節(jié)點中數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)交易共享、數(shù)據(jù)存儲日志、消費日志、數(shù)據(jù)銷毀等的全日志記錄，可采用區(qū)塊鏈區(qū)塊結(jié)構(gòu)永久存儲日志信息，存儲日志防篡改。利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可追溯能力提供事后審計，事故回放機制，為工業(yè)數(shù)據(jù)安全提供多樣預(yù)防手段。

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

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺層的機理模型、數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)模型如：資產(chǎn)管理模型、產(chǎn)品研發(fā)設(shè)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(chǎn)線和大量生產(chǎn)設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)才能積累和沉淀。

但一方面出于企業(yè)核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(wǎng)平臺（單一企業(yè)私有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺除外）中大多數(shù)并不希望將核心數(shù)據(jù)上傳到平臺層；而另一方面大家也看到機理模型、數(shù)據(jù)模型、業(yè)務(wù)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(wǎng)架構(gòu)中需要一種可以實現(xiàn)分布式模型抽象計算和學習的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再以模型數(shù)據(jù)共享計費和激勵體系，鼓勵多方模型共同構(gòu)建者可以根據(jù)貢獻大小獲取相應(yīng)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(chǎn)機理模型邊緣計算節(jié)點，在企業(yè)本地完成核心敏感數(shù)據(jù)的樣本對齊和模型訓(xùn)練工作，各企業(yè)聯(lián)合訓(xùn)練的機理模型將上傳共享在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺層，供有需要的企業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)運營。

通過參與機理模型訓(xùn)練的度量，分布式賬本技術(shù)可輕松記錄參與各方企業(yè)對于一套機理模型聯(lián)合訓(xùn)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(wǎng)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(wǎng)中越來越多的實時計算和生產(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(nèi)部的多廠區(qū)或生產(chǎn)線的邊緣計算節(jié)點間構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)一致性高可用網(wǎng)絡(luò)，當一條生產(chǎn)線的邊緣計算節(jié)點宕機后可以使用其他生產(chǎn)線的邊緣計算節(jié)點支撐處理，保障企業(yè)生產(chǎn)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(wù)高可用解決方案。

4. 實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度的邊緣計算協(xié)同能力

目前對于工業(yè)自動化生產(chǎn)線來說，可以通過生產(chǎn)線和廠區(qū)的邊緣計算中心實現(xiàn)生產(chǎn)線內(nèi)的設(shè)備協(xié)同，但在生產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)。

我們通過在區(qū)塊鏈應(yīng)用層構(gòu)建供應(yīng)鏈、生產(chǎn)線、運維等業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)模型，利用邊緣計算中心作為區(qū)塊鏈任務(wù)協(xié)同節(jié)點，將業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)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(wù)流程的狀態(tài)和進度，從而實現(xiàn)跨生產(chǎn)線、廠區(qū)、上下游企業(yè)的產(chǎn)業(yè)協(xié)同。

基于區(qū)塊鏈的生產(chǎn)協(xié)同，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈應(yīng)用層構(gòu)建生產(chǎn)運維模型，通過生產(chǎn)運維流程的發(fā)布、維護、跟蹤來實現(xiàn)分布式的P2P產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)直接同步和跟蹤協(xié)同狀態(tài)，可實時自動化完成生產(chǎn)協(xié)同工作。

5. 生產(chǎn)線品控選舉、生產(chǎn)效率優(yōu)化和故障實時同步能力。

工業(yè)企業(yè)對于生產(chǎn)效率優(yōu)化、產(chǎn)品品控控制和降低故障率等方面一直都缺少數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ饶芰?，只能基于當前生產(chǎn)線的歷史數(shù)據(jù)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?yún)^(qū)塊鏈分布式計算能力可不用在對生產(chǎn)數(shù)據(jù)直接全量傳輸?shù)那闆r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(shù)據(jù)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(chǎn)生，選舉產(chǎn)生的leader節(jié)點代表當前最優(yōu)生產(chǎn)實踐，可按需在其他邊緣中心廣播，為多生產(chǎn)線、多廠區(qū)和企業(yè)的最優(yōu)生產(chǎn)調(diào)整提供實時，動態(tài)數(shù)據(jù)支撐。

同時由于邊緣中心嵌入?yún)^(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(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)平臺，可實現(xiàn)事故無隱瞞，故障透明化，信息防篡改的生產(chǎn)安全告警和上報機制。

一條生產(chǎn)線的故障數(shù)據(jù)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(chǎn)線廣播告警?；趨^(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(chǎn)安全運維網(wǎng)絡(luò)。

部署模式

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算+區(qū)塊鏈的有多種部署方案，可在邊緣本地服務(wù)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體方式如下：

1. 多邊緣服務(wù)器+單一工業(yè)云平臺

圖4 多邊緣服務(wù)器+單一工業(yè)云平臺模式

該部署方案可以整合當前生產(chǎn)線、廠區(qū)、企業(yè)的本地邊緣服務(wù)器或微數(shù)據(jù)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(wù)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(shù)據(jù)一致性同步。該方案重點實現(xiàn)邊緣層數(shù)據(jù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)平臺形成依托邊緣云計算能力，實現(xiàn)跨工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)一致性同步。該方案重點實現(xiàn)了不同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺之間的數(shù)據(jù)共享和一致性。

3. 多邊緣服務(wù)器之間

圖6 多邊緣服務(wù)器模式

該部署方案直接整合當前生產(chǎn)線、廠區(qū)、企業(yè)的本地邊緣服務(wù)器，實現(xiàn)生產(chǎn)線或廠區(qū)的互聯(lián)互通。項目在每個邊緣服務(wù)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(shù)據(jù)一致性同步。該方案重點實現(xiàn)生產(chǎn)線、廠區(qū)、企業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)的共享和一致性。

小結(jié)

目前區(qū)塊鏈技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還正處于探索階段，包括邊緣計算在內(nèi)的很多工業(yè)場景，還未被商業(yè)實踐證明是最佳應(yīng)用場景。不過區(qū)塊鏈+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)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(shù)納入新基建范疇，如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)勢，整合目前分散的工業(yè)資源，促進體系化和產(chǎn)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(chǎn)品經(jīng)理專欄作家。高級系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計師、資深產(chǎn)品經(jīng)理、多家大型互聯(lián)網(wǎng)公司顧問，金融機構(gòu)、高?？妥芯繂T。主要關(guān)注新零售、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、金融科技和區(qū)塊鏈行業(yè)應(yīng)用版塊，擅長產(chǎn)品或系統(tǒng)整體性設(shè)計和規(guī)劃。

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