5G对工业物联网(IIoT)应用的支持——移动云端、区块链及人工智能（十一）

摘要：工业物联网(IIoT)具有特殊的通信需求，包括高可靠性、低延迟、灵活性和安全性。5G移动技术本能地提供了这些功能，使其成为支持工业物联网(IIoT)场景的成功候选。本文的目的是基于这两个领域的初始需求和承诺，识别当前与5G工业物联网相关的研究挑战和解决方案。本文的研究方法遵循以下步骤:调查研究现状，比较结果以确定进一步的挑战，并为每个研究领域的经验教训作出结论。这些领域包括IIoT应用及其需求;移动云端;后端性能调优;网络虚拟化;还有安全，IIoT的区块链，5G的人工智能支持，以及私有园区网络。除了调查当前的挑战和解决方案外，本文还旨在对这些领域(与5g支持的IIoT相关)进行有意义的比较，从而得出当前研究的不足之处。

接上文：5G对工业物联网(IIoT)应用的支持——移动云端、区块链及人工智能（十）

5.5 经验教训

在表3中，我们总结了第5节中提出的新的5G服务和用例所提出的需求。这些给定的值来自于相关的研究工作，我们选择最小延迟和最大带宽要求作为参考值。

表3 5G在边缘计算中的用例需求

大多数用例关注于减少服务的延迟;此外，一些应用程序的目标是降低广域网(WAN)中的带宽消耗。尽管用例对网络功能有广泛的需求，但是很容易看出延迟需求是严格的，因为每个应用程序的延迟必须小于100毫秒。

在我们的比较中还提出了进一步的功能:用户移动性和能耗，这表明所提出的解决方案是否考虑了用户的移动性，或试图将设备的能耗最小化。可以看出，这些新的5G服务需要非常多样化的功能，这意味着边缘计算支持广泛的新5G应用。

5.6 确定研究空白

正如我们所看到的，研究社区还没有确定5G和边缘计算的“杀手级应用”。因此，许多服务需求仍然隐藏在低延迟之外。我们认为，目前的解决方案需要使用尚未实现的先进技术来满足这些新需求。此外，一个关键的挑战来自于最近的文章设想了不同的拓扑场景，甚至对于相同的应用程序或系统也是如此。边缘云或5G层次结构的实现和标准化将有利于研究工作。

6. 数据中心后端网络解决方案，满足5G性能要求

5G性能的提升需要后端数据中心提供更高的QoS保证。这对云数据中心的联网部分影响尤其大，因此需要应用不同的网络加速技术。根据受支持的物联网应用，这些挑战可能适用于核心、边缘云和5G的云基础设施。

6.1 内核旁路网络解决方案

传统的内核网络栈的性能已经不能满足5G不断增长的需求。有几篇论文表明，参考文献63等人提出的内核旁路网络(见图6)显著优于传统的基于内核的解决方案。在参考文献64中，作者指出远程直接内存访问(RDMA)和Intel的数据平面开发工具包(DPDK)显示了内核网络解决方案的巨大性能提升。然而，为了达到最佳性能，RDMA和DPDK应该在轮询模式中使用，这必然会导致较高的CPU利用率。然而，DPDK在事件模式下使用时，在处理数百万个包之后的操作会显得不够稳定。另一方面，RDMA需要特殊的硬件;因此，实现异构基础设施可能不那么方便。

图6 内核网络与内核旁路

6.2 将应用程序转移到NIC

为了减轻低延迟网络解决方案不堪重负的CPU使用量，一些功能已经被转移到网络硬件上。最初，FPGAs被用于这些任务;然而，大多数开发人员并不熟悉硬件描述语言(HDLs)。因此，在参考文献65中，引入了一种解决方案，该解决方案通过使用类似C的语言来实现网络功能，这些语言被编译为FPGAs的低级HDLs。

另一方面,参考文献66介绍了微软Azure的加速网络,在FPGA上的NIC达成一致的< 15μs VM-to-VM TCP延迟和32 Gbps的吞吐量。使用FPGAs只能实现无状态的实用程序;然而，在网络硬件上支持有状态应用程序的解决方案的需求已经增加了。因此，智能NIC的使用变得越来越重要。智能NIC没有足够的计算资源来运行大型单机应用程序;然而，根据趋势，在云环境中运行的虚拟化技术变得越来越细粒度。因此，开发人员可以实现小组件的高度分布式服务。利用这种智能NIC可以处理更高级别服务的特定构建块。

（待续）

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我是您身边的区块链研究员，如果您有志于区块链或者交易技术的学习，欢迎和我交流。微信：chanhai13。更多文章请添加微信公众号：链学园。原文名称： 5G support for Industrial IoT Applications— Challenges, Solutions, and Research gaps

作者：Pal Varga, Jozsef Peto

原创翻译：区块链研究员（区块链Robin）

英文源自Budapest University，译文有编辑及删减，如有侵权，请联系译者删除。

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编译者/作者：区块链研究员

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