第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
目前，全球电信业正处在高速发展中，各大通信运营商的网络规模日益扩大，网络覆盖遍布偏远地区。人们日常生活对手机的依赖也越来越高，对各大移动运营商的移动网络服务质量提出了更高的要求。移动通讯网络的质量就是移动通讯企业的生命线，提高移动网络质量才能够提高企业的竞争力。而移动通讯网络的质量，依赖于稳定的动力设备和优良的机房环境，对日常基站维护工作，以及及时发现故障和快速定位故障的能力提出了更高的要求和标准[1]。不仅仅是移动通讯网络，越来越多的非移动通讯网络企业也开始架设自己的分布式服务器机房。并且他们的服务器的稳定运行，也同样攸关企业的产品和服务质量。对于机房内的稳定运行和动力供给也有着相当高的要求和标准。在此类需求的推动下下，传统动力环境监控系统（下简称动环监控系统）诞生了，动环监控系统的监控中心分为两级：区域监控中心（LSC，Local SupervisionCenter），集中监控中心（CSC，Center Supervision Center）[2]。集中监控中心（CSC）是为适应集中监控、集中管理及集中维护的需求而设立，使得各个基站之间的建设互不干涉，也能够根据维护需求成为综合网管的一个组成部分。动环监控系统可以在各级监控中心通过 D 接口完成与其他网管信息的交互，或纳入综合网管系统。区域监控中心（LSC）是下属集中监控中心的存在，为了依照地理位置划分管理大量散乱分布的基站而设立的，负责管理所属辖区内的各个监控单元（FSU，Field Supervision Unit）的运行状态和数据。对于固话网络，区域监控中心为一个县/区的概念，目前 SS 的建设逐步改为反牵终端的方式，其功能不断地弱化；而对于移动网络而言，由于其组网不同于固话本地网，在建设初期就弱化甚至取消了这一级。该二级架构下，CSC 仅与 LSC 进行通信，CSC 仅需要完成自身下属 FSU 的数据采集和运算，并将结果传输到 LSC[3]。CSC 与 CSC 之间不存在相互协作，而大数据时代下，资源相互协作占有相当重要的地位。例如，某设备的运行参数受环境温度影响变化，在不同的运行温度下其告警门限值不同。在专家系统中，采用的是由人进行分析计算出告警门限值的变化曲线，然后写入系统中，系统传入温度值计算出告警门限值。当出现新规格的设备时，很可能就需要由人工重新采集数据分析计算变化曲线，这不符合智能化的发展方向。在智能系统中，系统自身采集数据并根据当时系统的状况，利用线性回归等智能算法，计算出变化曲线，其余 CSC 则可以直接获取该变化曲线，该过程中几乎无需人力投入，但是需要大量的样本来进行计算，因此需要不同的 CSC 之间的样本和计算结果分享，相互协作获取尽可能精确的变化曲线。传统的 CSC 和 LSC 二级网络则将成为该类发展方向的瓶颈，而大数据云计算架构则可以完美地解决该问题。
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1.2 国内外研究现状
目前国外已经拥有许多动环监控类产品且较为成熟。如美国艾默生公司开发的 PSMS 环境监控系统[6]，它在整个国际市场中占据了大量份额，PSMS 环境监控系统具有一体化的集环境、供配电、视频管理系统、安保监控、是否产生烟雾、是否漏水等一系列环境纸币进行数据采集与分析。当发生紧急情况时，该系统能快速作出报警与应急处理，从而仅在必要时投入人力，从而达到最高效的利用率和最低成本。目前国内环境监测类的应用主要起源于通信行业，在上世纪 90 年代原邮电部设计院和广州市电信局合作研究实验成功的广州长途枢纽楼通信集中监控系统是我国国内的第一个通信电源集中监控系统，主要用于市区内的通讯建设，预期是完成集中监控，虽取得了较大的成果，但还有少量的缺陷存在[7]。由于现代化网络技术的快速发展，分布式机房设备越来越大，对此类分布式机房设备的安全管理要求也越来越高。到目前为止国内已有中兴通讯、北京中铁、义益钛迪、长沙业通讯等公司已研制出一些环境监控类产品，并取得了一定的应用[8]。但是，国内主要的动环监控设备并不相互兼容，系统维护和升级方面选择有限，对于用户的长期使用存在隐患。
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第二章 边缘云服务网络架构
传统动环监控系统监控中心的二级网络架构难以应用云计算、大数据搜索、分布式存储搜索等技术。此架构不利于发展动环监控系统的智能化无人化自动控制技术。针对此问题，本章将提出星型拓扑结构的边缘云架构设计。该架构充分利用星型拓扑结构和边缘云架构的优势劣势，能够使动环监控系统的二级监控中心能够拥有很好的数据交互能力，以应对动环监控系统的智能化无人化发展，且在系统扩展性上有一定的优势。
2.1 边缘云
云计算作为一门快速发展中的新技术，已经彻底改变了传统软件工程企业的产品及其研发模式。随着应用场景的增加，传统的“集中云”和“分布云”的缺点也逐渐暴露出来。“集中云”由于集中式架构，通讯量是所有云端服务器通讯量的总和，且主机或者网络一旦故障很可能导致全部主机无法正常工作。“分布云”则存在着子系统能力有限、子系统间相互协作困难、管理维护困难的缺点[16]。针对“集中云”和“分布云”存在的问题，边缘云计算体系结构被提了出来。当用户数量过大，带来庞大的数据流量，集中式云服务架构将无法很好地满足用户的需求。在此前提下，基于分布式系统的思想分布式云服务架构被提出。分布式云服务系统可分为遍布于多个地理位置的子级云服务系统，通过网络将各子系统连接，提供数据交互通道，各子系统用于属于各自的独立的计算中心和存储中心，各子系统相互协助传输资源，为用户提供服务[18]。
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2.2 星型拓扑结构
星型拓扑结构的网络属于集中控制型网络，而控制执行者为中央节点，必须经由中心节点的转发，各节点之间才能完成数据传输[24]。节点 A 发送数据时，必须将数据的报头中的接收方设为中央节点，由中心节点接收到数据后，根据目标节点重新封装报文，并将数据发向目标节点 B。虽然中央节点报文处理复杂，负载较高，但是可以大幅降低非中央节点通信处理的复杂度。星型拓扑网络中任意两个节点间的通信，必须经由中央节点才能完成。因此，中央节点必须拥有如下功能：接收到节点的通信请求后，判断中央节点是否拥有空闲的通路，接收方节点是否处在空闲空闲状态，从而判断能否建立双方的物理连接;为两个节点建立并维持其物理连接;当通信完成或者出现异常时，能够释放该物理连接[25]。
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第三章 基于聚类算法的边缘云数据集搜索.....24
3.1 聚类算法特征.......24
3.2 Canopy+K-means 算法.....25
3.3 聚类算法在“边缘云”中的应用........31
3.3.1 应用流程....31
3.3.2 延迟与数据命中率对比.............32
3.4 本章小结....33
第四章 基于边缘云的动环监控系统......34
4.1 基于边缘云的动环监控系统架构........34
4.2 动环监控各部分详细职能.........35
4.3 文件同步系统设计..........46
4.4 监控中心云服务系统实现.........56
4.6 本章小结....69
第五章 总结与展望............71
5.1 本文工作总结.......71
5.2 未来展望....72
第四章 基于边缘云的动环监控系统
本章将结合第二章提出的使用星型拓扑的边缘云架构方法，说明基于边缘云的动环监控系统各部分职能，并作出详尽的介绍和接口设计。同时，针对“边缘云”架构中占重要地位的文件存储和传输，本文设计了适用于“边缘云”架构的基于表的文件同步管理系统，能适用于一般文件与聚类统计文件。根据设计，对本文所提出的基于边缘云的动环监控系统的可行性进行实验验证。并在系统性能上与分布式云进行了对比实验。
4.1 基于边缘云的动环监控系统架构
针对动环监控系统的特殊性，基于边缘云服务架构的思路，本文提出了“基于边缘云的动环监控系统架构”。由核心云、边缘云、FSU、终端四个部分构成，各自的职能如下：核心云：即集中监控中心。与一般边缘云服务架构的核心云一样，负责监控边缘云的运行状态，为边缘云之间的通讯提供数据转发，为边缘云之间的数据调度提供协助，为计算资源不足的边缘云从其余空闲边缘云提供计算资源，为核心云管理员的 OMC 提供登陆服务。边缘云：即区域监控中心。与 FSU 和 OMC 直接连接的云服务器，其主要功能为定期采集 FSU 当前数据并记录到数据库，实时监听 FSU 上报告警并及时通知维护人员，监控下属 FSU 的运行状态并进行管理，为一般用户的 OMC 提供登陆服务并提供 OMC 到 FSU 之间的数据连接桥梁，利用核心云从其他边缘云获取所需数据和计算资源。FSU：现场监控单元（Field Supervision Unit），连接现场设备与监控中心，是系统内数据处理的最前线，其主要功能是采集现场传感器、动力设备等的原始数据，并将处理结果发送至“边缘云”内的监控进程和数据存储单元（如温湿度、蓄电池电压、蓄电池电压过低告警、通信故障告警等），同时接受业务台的控制命令对端局设备进行控制（如根据当前温度调整空调功率、根据蓄电池电压对蓄电池进行充放电）。终端（OMC）：操作维护中心(OMC，Operation and Maintenance Center)：操作维护系统中的各功能实体。其本质相当于用户终端，其功能为读取查看 FSU获取到的采集数据以及记录在数据库的历史数据，查看 FSU 上报的各类告警，并远程对 FSU 和机房内的各类设备进行管理、遥控和设置。
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总结
本文通过对云计算架构、分布式存储等技术的学习和在动环监控系统 OMC及服务器、数据库研发中的经验总结，结合动环监控系统的发展趋势，提出了边缘云在动环监控系统监控中心的应用方法。解决现有动环监控系统中，区域监控中心间数据调度能力差，无法进行协助运算，集中监控中心负担大等问题。该方法充分利用星型拓扑结构、边缘云架构、监控中心二级架构的特征，将星型拓扑结构的中心节点、边缘云架构的“核心云”、监控中心的集中监控中心结合，负责数据中转、管理各“边缘云”的计算和存储资源、集中监控各区域监控中心及其下属 FSU 内的关键数据和告警；将星型拓扑结构的终端节点、边缘云架构的“边缘云”、监控中心的区域监控中心结合，利用中心节点收发数据，负责监控其下属 FSU、采集 FSU 内的数据和告警、为其余“边缘云”提供数据转发和协助计算。充分利用各“边缘云”的资源，缓解“核心云”的负担，同时拥有远小于分布式云架构的复杂度。在此基础上，提出多种优化方法。结全文内容，有以下结论：（1）对比传统的集中式云架构和分布式云架构，基于星型拓扑结构的边缘云架构，能充分结合两者的优势，降低避免劣势的成本，降低边缘云架构的架设成本，增强系统安全性。（2）针对星型拓扑结构下的边缘云架构，提出的 OMC 与 FSU 之间的连接选择方法，可选择低延迟链路，降低 OMC 使用延迟，提升用户体验。（3）针对云计算中的分布式搜索问题，使用 Canopy+K-means 算法，具有一定的可行性和较高的数据命中率，且系统资源消耗有限。并结合动环监控系统和边缘云的特征，提出了的 Canopy+K-means 算法中的阈值T1 和T2值生成方法，能为聚类操作提供关键参数。（4）应用于“边缘云”架构的基于字典表的文件同步方法，在充分保证数据一致性的前提下，相比于基于网络延迟的文件同步方法，系统消耗较低。（5）本文整体方案具有一定的可行性，实验证明，相对于分布式云，“边缘云”架构下的动环监控系统在系统扩张方面，系统资源消耗较低，拥有较好的扩展能力。
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参考文献（略）
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