作者：Ivan Yang
Cloud Native at the Edge:Intelligent IoT Gateways
A Project CassiniReference Implementation
执行摘要
在物联网，由于规模，基础架构成本，对更高效率的需求以及对实时应用程序的新要求，物联网部署正在将数据处理从云端转移到边缘端。原生云开发技术通过更轻松地在多样化，安全的生态系统中部署新的工作负载和服务来促进这种过渡。
Arm的Cassini项目为在边缘端实现原生云的开发提供了基础。通过实施Cassini项目，边缘开发人员将能够利用更广泛多样性的底层硬件平台，同时受益于DevOps，敏捷软件和原生云方法为数据中心带来的创新。
更智能，可扩展且更灵活的部署
传统的物联网部署模型一直是在边缘端使用各种连接的端点生成数据，其中成本，设备尺寸和功耗是关键；然后在云端中对该数据进行操作，其中对电源，计算处理，存储容量有足够的资源可用于制定决策和发起响应。但是，有多种原因导致这种将数据从边缘端发送到云端进行处理的方法变得不可持续。
- 将数据传输到云端会增加功耗，因为无线通信会消耗能量来发送和接收数据，
- 在使用按千位收费的蜂窝网络服务时，将数据传输到云端是很昂贵的。
- 随着部署规模和范围的扩大，需要传输的大量数据可能会使通信基础结构不堪重负。
不过，也许更重要的是，新兴的应用程序依赖边缘的实时服务，并利用机器学习和人工智能（ML / AI）进行实时决策。这些应用（例如航空电子，机器人技术，自治，物流，能源输送）通常涉及对安全至关重要的操作，如果执行得太慢，可能会对人员和财产造成伤害。这些应用程序根本无法忍受将数据来回发送到云上的远程服务器所带来的延迟。
为了在本地执行更多的数据处理和分析，物联网部署正在将更多的智慧带入物联网边缘网关。其结果是边缘端的提高的运营效率，实时操作的支持和更快的决策。
基于Arm的片上系统具有低功耗，紧凑的硬件配置和熟悉的软件工具链，非常适合用于智能物联网的边缘端网关。但是其在芯片级和板级上硬件实现的不同，以及固件和中间件的变化，造成了不一致的问题，使开发，部署和持续管理变得复杂。这些不一致（在许多方面都是创建这样一个充满活力且多样化的Arm生态系统以支持异常广泛的应用程序的必然结果）要求开发人员花时间在低层堆栈上解决问题，这可能会使其从其他重要的任务（例如添加新功能和产品差异化）上转移注意力。
我们所需要的是可依靠的一致的基础，因此开发人员可以专注于通过单一代码基所创建和部署新的工作负载和服务所带来的价值。一个稳定的基础架构也使得将运维开发和敏捷软件开发的优势更轻松地应用到边缘端。使用云原生技术，智能IoT边缘网关的开发人员可以从近年来改变数据中心的同类新方法中受益，从而使软件移植，重用代码，实现持续开发和部署变得更加容易。
支持云原生的网关促进了边缘的实时服务，并通过ML / AI增加了价值。
通过Cassini项目加速云原生的边缘计算
Arm创建了Cassini项目来满足这一需求。这是一项全面的行业计划，旨在将云原生体验带到边缘，以便开发人员可以在多样化且安全的边缘生态系统中更轻松地部署工作负载和服务。
通过在各种设备上实现规模性和安全性——这些设备被广泛的生态系统所支持，并为不同的物联网应用程序提供服务——Cassini项目将为行业带来一致性和可移植性，同时还可将云原生应用程序迁移到边缘。
例如，Cassini项目将使得在智能物联网边缘网关上部署软件更加容易，这是因为其硬件和固件将会使用标准——这些标准不但实现了安全且一致的操作，而且实现了不经修改的运行操作系统，应用程序和其他现成软件的能力。
Cassini项目还将使得物联网边缘网关的定义，测试和软件更新变得更加容易，这因为开发人员将使用云原生技术和可移植的商品软件组件，这些组件掩藏了潜在的复杂性。
这种基于标准的方法将提供一个基准，使操作系统和虚拟化供应商更容易支持多种硬件架构，并将解锁基于云本机原理的整个生态系统，该生态系统支持新的实时服务并利用机器学习/ 人工智能的工作负载。
Cassini项目基于三个基础组件：健壮的标准，通过认证程序验证的安全应用程序接口和微服务，以及使云原生堆栈成为边缘开发一部分的参考解决方案。
- 标准：Arm SystemReady
ArmSystemReady方案是基础认证方案，它定义硬件和固件的最小集。对于硬件，本方案定义了通用的基本系统架构（BSA）和一组特定于市场的补充。对于固件，基本启动要求（BBR）描述了基于标准的启动方法和实现。低层的固件和硬件功能之间的标准化使得现成的软件和社区的软件的发行版以及其他工作负载可以在各种Arm平台上无缝运行。
- 安全性: 平台安全架构（PSA）认证和安全平台抽象（PARSEC）
这两项举措共同确保了所有连接设备的安全性基线。平台安全架构（PSA）认证方案提供了一个安全框架和认证方案，可以对信任的设备根目录的实现质量进行客观评估，从而为建立信任的基础奠定基础。开源安全性平台抽象（PARSEC）方案以与平台和体系结构无关的方式为应用程序提供安全的信任根抽象和公共运行安全服务，以实现应用程序范围的安全性。
- 生态系统：云原声堆栈和参考实现
鉴于Cassini方案其他基础组件在硬件，固件和安全性方面的一致性，将通常在云端使用的现代软件开发和部署方法应用于边缘端变为可能。例如，Cassini方案使开发人员更容易使用云原生技术（例如面向服务的体系结构，容器调度以及持续集成和持续交付（CI/CD）流水线）来简化开发并加速部署。Cassini方案还使软件供应商更容易提供可移植的解决方案，这些解决方案易于集成到较大的系统中，并且无需在每台设备上进行修改即可运行。这在诸如智能城市之类的大规模部署中尤其重要，在该城市中，跨多个相差很大的设备，网关或微型服务器，一个中央实体管理其广泛的服务和应用程序。
作为Cassini方案的一部分，Arm积极与各种生态系统合作伙伴合作，以构建和交付参考平台。这些平台使用Cassini方案作为基础来解决边缘的特定用例。它们提供了概念证明，并且在许多情况下，还包括实际可用的开源代码或新产品样片。
这对物联网部署意味着什么
有了Cassini方案，设计，启动，管理，保护和扩展物联网部署将更加容易且更具成本效益。Cassini方案将为使用云原生和敏捷软件方法的开发人员提供同一种体验，同时保持Arm产品多样性和充满活力的生态系统的价值。
智能物联网边缘网关的制造商将可以使用更多特定于应用程序的标准产品（ASSPs），并且可以更轻松地将这些产品集成到他们的系统中，而不管他们选择了什么操作系统。减少硬件层面的摩擦，以及增加软件层面的可移植性，将使维护跨平台的产品变得更加容易，并具有更大的可扩展性，这是因为该方案减少了对特定于产品的在软件和微调整集成上的变化进行维护的需求。
同样，Cassini方案提供的一致性将使将传统上在x86架构上开发的云原生堆栈移植到基于Arm的设备上变得更加容易。反过来，这将扩展Arm边缘生态系统，就像数据中心空间中云原生的开发已经为Arm扩展了选项一样。
切实利益
这些各种优势将使边缘成为支持新的和新兴的实时服务所需的核心基础架构，并为边缘为中心的创新开辟新的机会。此外，通过能够跨边缘的多个产品和平台无缝切换，并能够以相同的一致性管理各种设备，开发人员将有更多时间专注于差异化，并且能够释放现代物联网部署的附加值：
- 提高运营效率
由于智能网关使处理和存储更接近边缘，因此可以更快地做出决策，并且可以更快地做出响应。能够在边缘而不是在云中进行决策，可以减少延迟并实现新应用程序（尤其是在工业领域）所需的实时响应。
- 支持多租户
将智能与数据更接近意味着可以使更多数据（尤其是通常不会转移到云中的数据）变得更加有用。智能物联网边缘网关可以处理此数据，以获得更多更好的见解，并支持多租户操作，其中相同的数据集可用于支持多个应用程序。这增加了服务选项并创造了新的收入来源。
- 灵活的可扩展性
无需花费更多的云周期来支持增长，开发人员可以使用更本地化和更精细的部署方法来快速，经济高效地扩展应用程序并扩大覆盖范围。同时，分布式计算意味着可以在整个边缘进行决策，而不仅仅是在单个基于云的位置进行决策。
- 优化的部署成本
使用可扩展的，基于标准的方法进行开发可以节省项目每个阶段的时间和精力，并可以进行更大的设计优化。反过来，这又降低了总体拥有成本，并节省了硬件，服务，通信，功耗，可靠性等。
- 强大的设备管理
物联网的增长通常由于缺乏统一性以及对微观组件（从操作系统，应用程序支持平台到设备本身）进行微管理的需求而受到阻碍。借助Cassini方案，可以以相同的方式管理所有设备，并使用相同的服务来实现无缝扩展。开发人员可以在整个Arm生态系统中利用单一代码库，从而增强其现有服务并扩展到新市场。
- 正常运行时间更长
分布式计算意味着任务在云和边缘之间共享。两者保持连接，但彼此独立，因此边缘的某一部分的故障不会关闭整个运行。远离一切都驻留在云中的集中式计算，这使边缘端的部署不易遭受停机的影响。
软件正常运行（JustWorks）
下图显示了Cassini方案如何实现无缝移植，因此软件“正常工作”。绿色框表示部署在不同设备类型上的同样的应用程序。通过Cassini方案为持续运行提供了基础，基于此基础，相同的应用程序，客户端或设备管理功能可以在任何设备上启动，而不管其CPU或OS虚拟机管理程序如何。
跨边缘运行云原生应用程序：
Cassini方案为物联网工作负载提供了一种云原生开发方法。
真实案例：采用研华的智慧农业
开发人员可以使用Arm生态系统合作伙伴提供的特定于行业的解决方案来构建Cassini方案，例如研华（Advantech），这是为物联网系统集成商提供嵌入式和自动化解决方案平台的领先供应商。该图显示了一个示例用例，其中包括一个物联网边缘网关，用于管理温室中的数据采集，分析和反应。
网关通过不同的I / O接口从多个不同的传感器获取数据，将数据转换为适当的协议以进行进一步的数据分析，然后采取必要的措施来控制生长环境。由于仅需要包括与云相关的数据，因此使得向云端的数据传输更加高效。
研华的方法简化了开发并节省了时间，因为许多前期工作已经完成。研华提供了一个带有用于连接传感器的I / O的ArmCortex-A“盒子”，以及一个具有预集成I / O和LTE蜂窝通信驱动程序的性能优化的BSP。
应用软件建立AIM-Linux上，这个基于Yocto的平台可为每个芯片合作伙伴创建优化的Linux内核以及外围设备。AIM-Linux还包括一个应用程序附加服务，使您可以轻松地利用诊断和设备管理等有用功能扩展应用程序。例如，研华的EdgeAI软件包支持其他AI功能，例如深度学习，计算机视觉，多媒体和影像，因此部署可以轻松添加AI驱动的功能，例如带有视频分析功能的安全摄像机，以识别人何时进入或退出温室。
整个研华解决方案都建立在Cassini方案的基础上，因此开发人员可以使用他们选择的任何Arm实现，快速地从原型过渡到生产。研华支持多种行业特定的应用，包括运输，医疗和自动化以及中间件选项，例如网络，安全性和视频加速。
众所周知的Cassini方案真正的价值在于可移植性，因为完整的软件堆栈可应用于整个研华产品组合。借助Cassini方案的设备，可以将相同的解决方案移植到研华的入门级低成本网关上，以支持少于十二个传感器；并移植到其高端产品线上，这些产品通过网状网络连接数百个传感器和其他网关。有了Cassini方案，小型的家庭农场可以使用与最大的农业机构相同的物联网技术。
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我们很自豪能够在Cassini项目的支持者中选拔一些最有影响力的技术领导者。至关重要的是我们合作伙伴的反馈。我们欢迎您的回应并寻求对我们提供的信息的评论。我们期待着在边缘收到想法和想法，以及如何最好地确保和利用它。
要与我们分享您的反馈，我们邀请您发送电子邮件至project-cassini@arm.com。
要了解有关Cassini项目及其与物联网边缘网关的关系的更多信息，请访问
www.arm.com/project-cassini
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