边缘网关架构设计总览

工程铁律： 任何性能优化不得以牺牲稳定性为代价；任何架构优化不得增加系统恢复复杂度。

本文档从安装 → 初始化 → 南向配置 → 采集运行 → 边缘计算 → 北向推送完整梳理 EdgeX 边缘网关的系统生命周期，并对照 Kepware 级工业应用标准（高吞吐、防饿死、可预测调度）给出能力评估与分阶段优化规划。

战略文档（开发决策必读）：

开发原则与验收标准

分阶段路线图

版本发布门禁

相关文档：

运行时 DB 架构：docs/operations/edgex-db-runtime-architecture.md

影子设备设计：docs/edge/6. 影子设备设计.md

ScanEngine 重构：docs/TODO/ScanEngine重构方案.md

Q2 方案与审查：docs/[TODO]边缘计算南向采集优化方案2026第二季度.md

Q3 实施与验收：docs/[TODO]边缘计算南向采集优化方案2026第三季度.md

SLA 评估与达标：docs/TODO/SLA评估.md · docs/testing/sla_completion_report_2026Q3.md · docs/testing/deterministic_sla_report.md

Shadow 性能优化：docs/testing/shadow_optimization_report_2026Q3.md

SLA 运维手册：docs/deployment/sla_monitoring.md

1. 设计目标与对标基准

1.1 工业级目标（对标 Kepware / KEPServerEX）

维度	工业级期望	EdgeX 当前定位
高吞吐	单网关 1 万+ Tag，毫秒级批量 I/O，块读合并	ScanEngine + 协议驱动，Modbus 块读/OPC UA 订阅，规模待压测标定
防饿死	低优先级/慢设备不被高负载永久阻塞	优先级堆 + 300s 防饿死 + EDF miss 提权 + rescue 计数
可预测调度	采集周期稳定、抖动可控、可观测	事件驱动最小堆 + wake timer；EDF 出队 + hard jitter clamp；P95 lag ~7ms（10k tag mock）
统一数据面	Tag 数据库 → 单一运行时快照 → 北向/规则/历史一致	ShadowCore SoT；ShadowIngress 批量写入；ShadowBridge → DataPipeline 扇出
统计 SLA	可度量 lag/drift/miss、故障隔离、轻量化运维	Phase A–C ✅；B1–B5 ≥95%；diagnostics + `sla_warnings` + UI 通道监控
Store & Forward	断网缓存、恢复补发	北向 `NorthboundCache` 已有；南向历史依赖 pipeline
热配置	增删 Tag/通道不重启	API 写 DB + 内存热更新 + ScanEngine 重注册 ✓

1.2 核心架构原则

配置唯一源：data/config.db（bbolt，强一致写入），data/runtime.db 存储运行时数据。
运行时真源：ShadowCore 影子快照（纯内存），UI WebSocket 与 REST 优先读影子。
调度驱动采集：ScanEngine 作为内核调度器（事件驱动堆 + EDF + 断路器 + 自适应 throttle），经 ExecutionLayer 分发至 Driver 纯执行；形成 调度→执行→数据→状态 闭环。
扩展总线：DataPipeline 经 ShadowBridge 扇出，承载边缘规则、北向推送、历史落库。
统计 SLA 可观测：零外部依赖 — HTTP diagnostics、sla_warnings、结构化日志与 UI 轮询（见 SLA 运维手册）。

1.3 调度驱动架构（ScanEngine 内核）

自 2026-06 起，南向采集由 组件驱动 迁移为 调度驱动（ScanEngine 统一掌控时间、资源、执行与状态）。

ScanEngine 技术规范（组件职责、四阶段迁移、Driver 约束、背压参数）以 ScanEngine 重构方案为准；组件清单与数据流见 5. 实现架构。

EdgeX V2.0 架构 · ScanEngine引擎

EdgeX V2.0 架构 · ScanEngine 统一调度：12 种南向驱动经 ScanEngine 写入影子设备实时快照，再联通虚拟设备、边缘计算与北向接口。

ChannelManager 定位：通道/设备/点位 CRUD、驱动生命周期、ScanEngineAdapter 注册任务；不再持有 per-device deviceLoop。

1.4 SLA 调度架构（2026 Q3 已交付）

ScanEngine 定位为具备多协议采集、优先级调度、故障隔离、统计 SLA 可观测的边缘调度引擎，适合 ≤10k tag 中小规模生产（详见 SLA 评估）。

┌──────────────── ScanEngine（内核调度器）────────────────────────────┐
│  PriorityQueue（最小堆）· EDF 出队 · hard jitter clamp              │
│  Event-driven wake timer + 10ms fallback tick                       │
│  Anti-starvation（300s rescue）· Adaptive throttle · GC backpressure│
│  Per-device Circuit Breaker · Per-protocol congestion token bucket  │
└────────────────────────────┬────────────────────────────────────────┘
                             │ dispatch
┌────────────────────────────▼────────────────────────────────────────┐
│  ExecutionLayer — Serial / Parallel / Limited                       │
│  Gap/MTU 块读分片 · channelMu 硬隔离 · BackpressureController       │
└────────────────────────────┬────────────────────────────────────────┘
                             │ ReadPoints
┌────────────────────────────▼────────────────────────────────────────┐
│  ShadowIngress（256 缓冲 / 8ms flush）→ ShadowCore（COW SoT）       │
│  → ShadowBridge → DataPipeline → ECM / NBM / 历史 / WebSocket       │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
                             ▲
                    GET /api/diagnostics/scan-engine
                    sla_warnings · CB state · serial_queue_depth

工业边界达标（B1–B5 ≥95%，2026-07）：

边界	能力	状态
B1 故障隔离	每设备 CB + 串行队列 + E2E 故障传播测试	✅
B2 调度稳定	lag P95 <100ms、drift <50ms、miss=0（mock gate）	✅
B3 压力反压	backpressure + per-device RTT throttle	✅
B4 10k tag 性能	zero-alloc 热路径、GC pause <20ms	✅
B5 协议验证	Modbus 仿真器 IT + soak 门控	✅
B6 确定性调度	EDF + hard jitter clamp；P99 lag <150ms（统计 SLA）	⚠️ 85%（板端 P99 待验）

P99 书面承诺（mock/x86，非硬实时 PLC）：见确定性 SLA 报告。

2. 系统分层总览

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  Web UI (Vue)          REST API              WebSocket (/api/ws/values)      │
│  Install / Login / 通道·设备·点位 / 边缘规则 / 北向 / 系统设置              │
└───────────────────────────────┬─────────────────────────────────────────────┘
                                │
┌───────────────────────────────┴─────────────────────────────────────────────┐
│  Server Layer (internal/server)                                              │
│  install_handler · server.go (CRUD + WS + metrics)       │
└───────────────────────────────┬─────────────────────────────────────────────┘
                                │
        ┌───────────────────────┼───────────────────────┐
        │                       │                       │
┌───────▼────────┐    ┌─────────▼─────────┐   ┌────────▼────────┐
│ ConfigManager  │    │  ChannelManager    │   │ NorthboundMgr   │
│ + ConfigStore  │    │  + ScanEngine      │   │ MQTT/HTTP/OPCUA │
│ → config.db    │    │  + StateManager    │   │ SparkplugB/edgeOS│
└────────────────┘    └─────────┬─────────┘   └────────┬────────┘
                                  │                       │
                    ┌─────────────▼─────────────┐         │
                    │      ShadowCore           │         │
                    │  ShadowIngress 批量写入   │         │
                    │  COW 快照 · Notify Pool   │         │
                    │  VirtualShadowEngine      │         │
                    │  DeviceCommunicationProfile│        │
                    └─────────────┬─────────────┘         │
                                  │ Subscribe             │
                    ┌─────────────▼─────────────┐   ┌─────▼─────┐
                    │  WebSocket 广播           │   │ DataPipeline│
                    │  (影子快照推送)           │   │ → ECM / NB  │
                    └───────────────────────────┘   └───────────┘
                                  ▲
                    ┌─────────────┴─────────────┐
                    │  ScanEngine（内核调度器）   │
                    │  EDF · CB · Anti-starvation │
                    │  Adaptive throttle · Metrics│
                    │  ExecutionLayer             │
                    │   SerialQueue · Parallel    │
                    │   Backpressure · WorkerPool │
                    └─────────────┬─────────────┘
                                  │ ReadPoints（Driver 纯执行）
                    ┌─────────────▼─────────────┐
                    │  Southbound Drivers       │
                    │  Modbus · OPC UA · BACnet │
                    │  S7 · EtherNet/IP · DLT645│
                    │  + ConnectionManager 重连  │
                    └───────────────────────────┘
                                  │
                    feedback ◄────┘ updateTaskState / finalizeScanCollect

3. 全生命周期梳理

阶段 0：环境准备

项	说明
运行目录	工作目录下 `data/`（安装时创建）
主数据库	`data/config.db`（配置，强一致）+ `data/runtime.db`（运行时，可清理/compact）
日志	`logs/gateway.edgex.log`
前端	Vite 构建 UI，生产环境由 Go Server 托管静态资源

阶段 1：安装（Install）

触发条件：data/config.db 不存在或为空 → 安装模式。

sequenceDiagram
    participant U as 用户浏览器
    participant UI as Install.vue
    participant API as install_handler
    participant DB as config.db
    participant Main as storageAttachHook

    U->>UI: 访问 /install
    UI->>API: GET /api/install/status
    API-->>UI: isInstalled=false
    U->>UI: 填写端口/管理员/网关名
    UI->>API: POST /api/install/start
    API->>DB: NewStorage + AttachDB
    API->>DB: Save Users + System + Server
    API->>Main: storageAttachHook
    Main->>Main: ShadowCore 延迟创建
    API-->>UI: 安装完成
    UI->>U: 跳转 Login

步骤	组件	关键文件
路由守卫	未安装跳转 `/install`	`ui/src/router/index.js`
安装页	端口、管理员、网关信息	`ui/src/views/Install.vue`
安装 API	校验、建库、写用户	`internal/server/install_handler.go`
安装判定	`Users` bucket 有数据即已安装	`ConfigStore.IsSystemInitialized()`
空配置启动	无 DB 时内存默认配置	`config.NewConfigManagerWithEmptyConfig`

安装后状态：

DB 含：Users、System、Server（端口/日志级别）
尚无 Channels / Devices / Northbound / EdgeRules（用户登录后配置）
ShadowCore 在 storageAttachHook 中按需创建并绑定 ScanEngine

已知限制：

存储路径 UI 固定为 data，不可选
安装流程不预置通道/设备/北向

阶段 2：系统初始化（Startup）

入口：cmd/main.go

flowchart TD
    A[解析 -conf] --> B{config.db 存在?}
    B -->|否| C[空配置 + Web 仅安装/登录]
    B -->|是| D[打开 Storage]
    D --> G[LoadConfigFromDB]
    G --> H[NewDataPipeline]
    H --> I[NewEdgeComputeManager + LoadRules]
    I --> J[NewChannelManager + ScanEngine]
    J --> K[NewShadowCore + SetShadowCore]
    K --> L[NewNorthboundManager]
    L --> M[NewServer + SetShadowCore 订阅 WS]
    M --> N[pipeline.Start]
    N --> O[异步 StartChannel × N]
    N --> P[异步 nbm.Start]

序号	组件	职责
1	`ConfigManager`	从 DB 加载 Channels / Devices / Northbound / EdgeRules / System / Users
2	`DataPipeline`	异步批处理：`values` 落库、边缘规则、北向推送、WS（pipeline 路径）
3	`EdgeComputeManager`	加载规则，注册 `pipeline.handleValue`
4	`ChannelManager`	通道/设备/点位 CRUD；内嵌 `ScanEngineAdapter` 注册调度任务
5	`ShadowCore`	影子快照（纯内存）；ScanEngine 写入；ShadowBridge → Pipeline；Subscribe → WebSocket
6	`NorthboundManager`	北向客户端启动；注册 `pipeline.handleValue`
7	`DeviceStorageManager`	按设备存储策略写历史
8	`Server`	HTTP/WS；`getDevicePoints` 优先读影子

配置持久化路径（所有 CRUD 统一）：

API → Manager 内存更新 → saveFunc → ConfigManager.SaveConfig
    → ConfigStore.SaveAllConfig → config.db

阶段 3：添加采集通道（Southbound Channel）

API：POST /api/channels → ChannelManager.AddChannel

步骤	动作
1	`EnsureChannelID`；OPC UA 配置归一化
2	设备级预处理（Modbus 自动点位范围等）
3	`drv.GetDriver(protocol)` 工厂创建驱动实例
4	`driver.Init({ChannelID, Config})`
5	注册通道 + 驱动 + 每通道互斥锁
6	`StateManager.RegisterNode`（通道与设备状态树）
7	`saveFunc` → DB

启动通道：StartChannel（Enable=true 时）

步骤	动作
1	`driver.Connect`
2	`registerProtocolToScanEngine` 注册执行策略
3	每个启用设备 `registerDeviceToScanEngine`
4	`scanEngineAdapter.Start()` → ScanEngine.Run

协议 → ExecutionLayer 执行模式（registerProtocolToScanEngine）：

执行模式	协议	行为
Serial	modbus-*、dlt645、omron-fins、mitsubishi-slmp	`SerialQueueManager`：每 deviceKey / 共享 channel 一 worker，经 `channelMu` 硬隔离
Parallel	opc-ua、http、rest、mqtt	`ParallelExecutor` + `BackpressureController`（全局 512 / 单设备 8 / 1000 req/s）
Limited	s7、bacnet-ip、ethernet-ip	低并发（2）+ 串行读

涉及环境/存储：

配置：Channels bucket + 各 Devices/{id}
内存：cm.channels、cm.drivers、cm.driverMus
运行时：驱动连接、OPC UA Subscription（Connect 后 lazy 创建）

阶段 4：添加设备（Device）

API：POST /api/channels/:channelId/devices

步骤	动作
1	分配/校验 Device ID（BACnet 实例 ID 唯一性等）
2	协议 Bootstrap（Modbus 自动点位、OPC UA 合并 endpoint 等）
3	`sanitizeDeviceConfig`；初始化 `StopChan`
4	追加到通道设备列表；StateManager 注册
5	若通道已启用 → `registerDeviceToScanEngine`
6	`saveChannels` → DB

ScanEngine 任务注册（ScanEngineAdapter.RegisterDevice）：

RemoveTasksByDeviceKey → GroupPointsByScanClass（fast/normal/slow）
→ 每 Scan Class 一个 ScanTask（AddTaskWithScanClass）
→ params: points, driverConfig, channelMu, channelID

参数	来源	说明
`Interval`	Scan Class 或 `device.Interval`	fast=100ms / normal=设备默认 / slow=10s
`Priority`	默认 5	成功升优先级（上限 10）；防饿死提到 10
`Points`	按 Scan Class 分组的点位	驱动 ReadPoints 批量入参

设备通信状态（CommunicationManageTemplate）：

Online / Offline / Degraded
ScanEngine 采集完成后经 SetCollectFinalize → ChannelManager.finalizeScanCollect → FinalizeCollect（含链路级 vs 设备级错误隔离，见 channel_device_state.go）

阶段 5：添加点位（Points）

API：POST/PUT/DELETE .../devices/:deviceId/points

步骤	动作
1	`validatePoint`（按协议校验地址/类型）
2	更新设备 `Points` 列表
3	`restartDeviceLocked`：Unregister + Register ScanEngine 任务
4	OPC UA：`ensureSubscription` 检测 PointIDs 变化 → 重建 MonitoredItems
5	`saveChannels` → DB

采集 → 影子 → 扇出数据流（调度闭环主路径）：

sequenceDiagram
    participant SE as ScanEngine
    participant EL as ExecutionLayer
    participant DRV as Driver
    participant SC as ShadowCore
    participant SB as ShadowBridge
    participant PL as DataPipeline
    participant WS as WebSocket

    loop 每 ScanTask.NextRun
        SE->>SE: Tick(10ms) · processReadyTasks
        SE->>EL: Execute(task)
        alt Serial 协议
            EL->>EL: SerialQueueManager.Enqueue
        else Parallel 协议
            EL->>EL: BackpressureController.Allow
        end
        EL->>DRV: ReadPoints(points) [channelMu 串行链路]
        DRV-->>EL: map[pointID]Value
        EL-->>SE: ExecuteResult
        SE->>SC: ShadowIngress.IngestDirect / WriteShadowDevice
        SE->>SE: updateTaskState · reschedule · UpdateDeviceRTT
        SE->>SE: finalizeScanCollect → 设备状态
        SC->>SB: Subscribe 回调
        SB->>PL: PushBatch(values)
        SC->>WS: BroadcastShadowPoint
    end

影子点位时间语义：

字段	含义
`collected_at`	设备侧采集完成时间（驱动 ReadPoints 返回 TS）
`updated_at`	影子快照写入时间
`timestamp`	兼容字段，等同 `collected_at`

REST 读点：GetDevicePoints 优先 getDevicePointsFromShadow，无影子时回退驱动直读。

阶段 6：添加边缘计算规则（Edge Rules）

API：/api/edge/rules CRUD

项	说明
持久化	`EdgeRules` bucket
加载	启动时 `ecm.LoadRules(cfg.EdgeRules)`
触发	`DataPipeline` → `EdgeComputeManager.handleValue`
索引	O(1)：`channelID/deviceID/pointID`
规则类型	阈值、状态、表达式计算、滑动窗口
动作	写点（DeviceIO）、MQTT/HTTP 北向、告警状态（RuleState bucket）
worker	10 workers，队列 1000，满则丢弃

触发路径（cmd/main.go）：ScanEngine → ShadowCore → ShadowBridge → DataPipeline → EdgeComputeManager.handleValue。

剩余差距：规则 Window / RuleState 与影子快照的强一致同步、复杂窗口规则在高压下的背压策略仍待 Phase 2 验收。

阶段 7：添加北向通道（Northbound）

API：北向配置 CRUD（经 NorthboundManager + saveFunc）

支持协议（internal/northbound/）：

类型	包路径	说明
MQTT	`mqtt/`	发布/订阅写点
HTTP	`http/`	REST 推送
OPC UA Server	`opcua/`	对外暴露 Tag
Sparkplug B	`sparkplugb/`	工业 MQTT 规范
edgeOS MQTT	`edgos_mqtt/`	EdgeOS 集成
edgeOS NATS	`edgos_nats/`	EdgeOS 集成

启动：NorthboundManager.Start → 各 enabled 配置 client.Start()

数据流（main.go 已挂载 ShadowBridge）：

ScanEngine → ShadowCore.WriteShadowDevice
    → ShadowBridge.Subscribe → DataPipeline.PushBatch
        → EdgeComputeManager / NorthboundManager / DeviceStorageManager
设备状态变更 → cm.SetStatusHandler → OnDeviceStatusChange → 北向生命周期通知
离线 → storage.NorthboundCache / DataCache

说明：北向 telemetry 与边缘规则依赖 Pipeline 扇出；OPC UA Server 读点仍可直接经 GetShadowPoint 读影子。

4. 核心运行时组件详解

ScanEngine / ExecutionLayer / Driver 约束与默认参数详见 ScanEngine 重构方案与 5. 实现架构。本节仅保留生命周期视角下的组件定位。

4.1 ScanEngine（内核调度器）

定位：Mini OS Scheduler — 统一掌控时间、资源、执行分发与 ScanTask 状态机。调度闭环：dispatch → Execute → ShadowIngress/WriteShadow → updateTaskState → 重新入堆。

Q3 SLA 能力（详见 SLA 评估）：

能力	实现
事件驱动调度	最小堆 + wake timer + 10ms fallback
EDF + hard jitter	`popReadyTaskEDF`、`enforceHardJitterClamp`、miss 提权
每设备断路器	5 timeout / 40% 失败率 Open；HalfOpen 30s
自适应降速	`adaptive_throttle.go` — RTT >2× 基线 interval ×1.5–×4
GC 反压	`gc_monitor.go` → backpressure rate ×0.5
Object pool	`scan_point_pool.go` — 热路径 0 allocs/op
协议拥塞控制	`protocol_congestion.go` — per-protocol token bucket
SLA 指标	lag P95、drift、miss_deadline、CB、serial_queue_depth

4.2 ExecutionLayer（执行层）

Serial（modbus/dlt645/fins）/ Parallel（opc-ua/http/mqtt）/ Limited（s7/bacnet/enip）三路分发；共享链路经 channelMu 与 ConnectionManager 互斥。

4.3 Driver 层与 ConnectionManager

Driver 为无状态执行函数（禁止内部 ticker/goroutine/retry）。链路级重连统一经 ConnectionManager（唯一 dial Owner）。OpcUa/ENIP 自定义重连待迁移（见 ScanEngine 重构方案 §5.3.5）。

4.4 ChannelManager

文件：internal/core/channel_manager.go

通道/设备/点位 CRUD、驱动工厂、StartChannel / StopChannel
ScanEngineAdapter：协议注册、设备任务注册、热更新 restartDeviceLocked
finalizeScanCollect：链路级 vs 设备级错误隔离 → StateManager.FinalizeCollect
已移除：deviceLoop、collectDevice、CollectionScheduler（ScanEngine 为唯一调度）

4.5 ShadowCore（影子设备）

文件：internal/core/shadow_core.go、shadow_ingress.go、shadow_cow.go、shadow_notify_pool.go

能力	状态
内存快照	`realShadows[shadow-{deviceID}]`；COW `atomic.Pointer` 读路径
采集写入	ShadowIngress（256 缓冲 / 8ms flush）→ `ApplyShadowWrites` 批量 apply
订阅扇出	固定 6 worker pool + hash 分区（有界 goroutine）
持久化	无；重启后由 ScanEngine 重新填充
通信画像	RTT / MTU / Gap；惰性刷新（Δ≥10ms 或 ≥5% 才更新）
订阅通知	`Subscribe` → WebSocket
VirtualShadow	公式依赖图（`VirtualShadowEngine`）

写入路径规范（Q3-A4）：

采集主路径：ScanEngine → ShadowIngress.IngestDirect → ring buffer → flush → ApplyShadowWrites
写点/REST 低延迟路径：直写 ShadowCore.WriteShadowDevice
读路径：REST/WS 优先 COW 快照；GetShadowDevice ~4.3× 快于深拷贝基线

详见 Shadow Q4 优化报告。

4.6 DataPipeline（数据总线）

文件：internal/core/pipeline.go

每点位最多缓冲 2 条，异步 drainAndProcess
Handler 链：Storage.SaveValue、EdgeCompute、Northbound、WebSocket（pipeline 形态）

与 Shadow 关系：ScanEngine → ShadowCore → ShadowBridge → DataPipeline 扇出（main.go wireShadowStack）。

4.7 存储布局（data/config.db + data/runtime.db）

类别	Bucket	用途
配置	ConfigVersion, Server, Channels, Devices, Northbound, EdgeRules, System, Users	安装后所有配置 CRUD
运行时	values, RuleState, Window, DataCache, NorthboundCache	历史值、规则态、北向缓存

4.8 SLA 可观测与运维（Phase C ✅）

原则：零外部依赖 — 无 Prometheus/Grafana 强制依赖（见开发原则）。

通路	机制	入口
读	REST diagnostics JSON	`GET /api/diagnostics/scan-engine`
判	内置 `sla_warnings[]`	阈值对齐 `scan_engine_metrics.go`
告	zap WARN 日志 + channel Event Log	CB Open/Reject、lag/drift 超限
看	UI 通道监控 SLA 区块	`ChannelMetricsPanel.vue`

核心 SLA 阈值（x86 mock）：

指标	字段	阈值
调度 lag P95	`scan_lag_p95_ms`	<100ms
漂移均值	`scan_drift_avg_ms`	<50ms
miss deadline	`scan_miss_deadline_total`	稳态 =0
GC pause max	`gc_pause_max_ms`	<20ms

运维巡检详见 SLA 轻量化运维手册；Phase A–C 完成报告见 sla_completion_report_2026Q3。

5. 端到端生命周期一览表

阶段	用户操作	API/入口	内存组件	持久化	采集/运行影响
安装	安装向导	`/api/install/*`	ConfigManager.AttachDB	Users, System, Server	无采集
登录	用户名密码	`/api/login`	Session	Users 读	—
加通道	通道列表新建	`POST /api/channels`	drivers map	Channels	需 StartChannel
启通道	启用开关	`StartChannel`	ScanEngine tasks	—	Connect + 注册任务
加设备	设备列表	`POST .../devices`	ScanTask	Devices/{id}	RegisterDevice
加点位	点位列表	`POST .../points`	ScanTask 刷新	Devices/{id}	restartDevice
边缘规则	规则页	`/api/edge/rules`	ECM index	EdgeRules	需 Pipeline 触发
北向	北向配置	Northbound API	NBM clients	Northbound	需 Pipeline 或 Shadow 订阅
运行	—	WS + REST	ShadowCore	values	ScanEngine 周期写影子

6. 能力差距评估（对标 Kepware 工业标准）

2026-07 更新： Q3 南向采集闭环与 SLA Phase A–D 核心已交付；本节反映当前状态，非 2026-06 初版差距。

6.1 已具备能力（Q3 交付）

能力	EdgeX 实现
多协议南向	Modbus / OPC UA / BACnet / S7 / EtherNet/IP / DLT645 / Omron / Mitsubishi / Profinet IO / KNX
统一 DB 配置	config.db + runtime.db 双源，热更新
调度驱动内核	事件驱动堆 + EDF + hard jitter clamp + 调度闭环
ExecutionLayer	Serial 硬隔离 + Parallel 三层背压 + Limited；Gap/MTU 块读分片
Driver 纯执行	禁止 Driver 内部 ticker/goroutine/retry
Scan Class	fast/normal/slow 多任务 per 设备；`degrade_on_failure` 工业模式
故障隔离	每设备 CB + 串行队列 + E2E 故障传播（B1 ✅）
统计 SLA	lag P95 ~7ms（10k mock）、diagnostics、`sla_warnings`、UI 监控（B2–B5 ✅）
防饿死	300s rescue + EDF miss 提权
背压与 throttle	BackpressureController + per-device RTT adaptive throttle
影子快照	ShadowIngress + COW + Worker Pool；~952k tags/sec 批量 apply
Pipeline 扇出	ShadowBridge → DataPipeline → ECM / NBM / 历史
点位降级	`point_degradation_manager.go` — 故障 Tag 不拖死同批读
通信画像闭环	Execute 后 `UpdateDeviceRTT`；Gap → Modbus 读分片；MTU → batchSize
北向多协议	MQTT / OPC UA Server / SparkplugB / edgeOS；统一 reconnect 模块
边缘规则引擎	阈值/表达式/窗口；经 Pipeline 触发
Store & Forward	`store_forward.go` + 北向 cache

6.2 剩余差距（P0 — 影响全面工业承诺）

#	不足	影响	现状
G1	部分 Driver 重连未统一	OpcUa / ENIP 仍独立 `go reconnect()`	Modbus/DLT645 等已走 ConnectionManager
G2	Phase 2 工业验证未完成	各协议 24h/72h 联机报告未全覆盖	Modbus 仿真器 IT ✅；diagslave/现场待验
G3	ARMv7 板端 P99 未验	边缘硬件 SLA 书面承诺待复测	`scripts/bench_armv7.sh` 脚本就绪
G4	Scan Class UI 产品化	代码已支持，UI 未全面暴露 fast/slow	`model/scan_class.go` 已落地

6.3 中等不足（P1 — 规模与运维）

#	不足	说明
G5	无 Tag 数据库抽象	无别名、分层、缩放因子集中管理
G6	Sync 联机已禁用	无热备/配置同步（libp2p 预研中）
G7	真实驱动 10k 压测	当前 mock 基线 ~11.6k points/s；Modbus/OPC UA 真机待测
G8	72h 长跑验收	soak 框架 + CI short gate ✅；目标硬件 72h 可选
G9	OPC UA / S7 长时会话 soak	D-04 框架就绪，联机待 Phase 2

6.4 长期不足（P2 — 对标 Kepware 高级特性）

#	不足
G10	无冗余通道 Failover
G11	无驱动级自动 Tag 发现持久化流水线
G12	北向 Publish Rate 独立限频（采集全写 Shadow，北向 batch 合并待 Q4）
G13	虚拟 Tag / 跨通道聚合 Tag 产品化（进行中）
G14	硬实时 PLC cycle 保证（统计 SLA 已承诺 P99，非 Kepware 确定性模式）

7. 优化规划（Roadmap）

与分阶段路线图及 Q3 采集优化方案 §11 对齐。

Phase 1 — 统一数据面（✅ 已完成）

任务	状态	说明
Shadow→Pipeline 桥接	✅	`shadow_bridge.go` + `main.go`
ScanEngine 状态回写	✅	`finalizeScanCollect`
死代码清理	✅	`deviceLoop` / `collectDevice` 已移除
ShadowIngress 写入规范	✅	采集经 Ingress；写点直写 ShadowCore
集成测试	✅	`shadow_pipeline_integration_test.go`

Phase 2 — 可预测调度 + SLA（✅ Q3 核心已完成）

任务	状态	说明
Scan Class 多任务	✅	fast/normal/slow per 设备
Event-driven 调度	✅	wake timer + 10ms fallback
调度 SLA 指标	✅	lag P95/drift/miss + diagnostics API
每设备断路器	✅	Phase A — `circuit_breaker.go`
EDF + hard jitter	✅	Phase D — 确定性统计 SLA
点位降级	✅	`point_degradation_manager.go`
soak / 10k benchmark	✅	`soak_test.go`、`q3_10k_tag_benchmark_test.go`

剩余：Scan Class UI 全面暴露；复杂边缘规则 Window 强一致。

Phase 3 — 高吞吐 I/O（✅ Q3-B/C 已完成，Q4 扩展）

任务	状态	说明
Modbus Gap 块读	✅	ExecutionLayer → ModbusExecutor 分片
OPC UA 分批 Read	✅	chunk 100 nodes
RTT/MTU 画像闭环	✅	Execute 后 UpdateDeviceRTT
Shadow COW + Worker Pool	✅	读路径 ~4.3×；有界 goroutine
1w Tag 压测基线	✅	P95 lag 7.37ms；报告已归档
真实驱动 10k / 100k points/s	⏳ Q4	mock 基线 ~11.6k points/s

Phase 4 — 工业运维与 Tag 模型（进行中 / Q4）

任务	状态	说明
Diagnostics UI	✅	ChannelMetricsPanel SLA 区块
SLA 运维手册	✅	`deployment/sla_monitoring.md`
Phase 2 工业验证	🔄	各协议联机 24h/72h 报告
ARMv7 板端验收	🔄	2h/72h + SLA 复验
Tag 数据库层	⏳ Q4	别名、EU、缩放
冗余通道 Failover	⏳ Q4	主备驱动切换
libp2p 多节点同步	🔄 预研	配置同步 + 租约

8. 推荐目标架构（Target State — 2026 Q3 已达成主体）

                    ┌─────────────────────────────────┐
                    │    Tag 配置 (scan_class, interval) │
                    │         config.db               │
                    └───────────────┬─────────────────┘
                                    │
                    ┌───────────────▼─────────────────┐
                    │   ScanEngine（内核调度器）        │
                    │  EDF · CB · ScanClass · Metrics  │
                    │  Adaptive throttle · GC monitor  │
                    │  ExecutionLayer（Gap/MTU 块读）   │
                    └───────────────┬─────────────────┘
                                    │ ShadowIngress
                    ┌───────────────▼─────────────────┐
                    │   ShadowCore (SoT) — COW 快照    │
                    │  collected_at / updated_at       │
                    └───────────────┬─────────────────┘
                                    │ ShadowBridge 扇出
              ┌─────────────────────┼─────────────────────┐
              │                     │                     │
      ┌───────▼──────┐    ┌────────▼────────┐   ┌───────▼──────┐
      │  WebSocket   │    │  DataPipeline    │   │ VirtualShadow│
      │  + Diagnostics│   │  ECM · NBM · Hist│   │  公式 Tag    │
      └──────────────┘    └─────────────────┘   └──────────────┘

设计约束（不变）：

单一调度点：ScanEngine 掌控全部南向采集 timing；Driver 禁止内部调度。
单一写入点：ScanEngine（南向读）与 WritePoint（北向写）均经 ShadowCore / ShadowIngress。
单一读出点（UI）：REST/WS 读 Shadow COW 快照；驱动直读仅 Diagnostics API。
Pipeline 只做扇出，不做真源。
统计 SLA 可观测：diagnostics + 日志 + UI，零外部 TSDB 依赖。

9. 关键源码索引

Concern	Path
启动入口	`cmd/main.go`
调度引擎 + SLA	`internal/core/scan_engine.go`, `scan_engine_metrics.go`, `circuit_breaker.go`
EDF / jitter	`scan_engine.go` — `popReadyTaskEDF`, `enforceHardJitterClamp`
执行层	`internal/core/execution_layer.go`, `serial_queue_manager.go`, `backpressure_controller.go`
自适应 / GC	`adaptive_throttle.go`, `gc_monitor.go`, `protocol_congestion.go`
Object pool	`scan_point_pool.go`
影子 / 扇出	`shadow_core.go`, `shadow_ingress.go`, `shadow_cow.go`, `shadow_notify_pool.go`, `shadow_bridge.go`
画像	`rtt_manager.go`, `mtu_manager.go`, `gap_optimizer.go`
点位降级	`point_degradation_manager.go`
诊断 API	`internal/server/diagnostics_handler.go`
Q3 benchmark	`q3_10k_tag_benchmark_test.go`, `integration/soak_test.go`
SLA 文档	`docs/TODO/SLA评估.md`, `docs/deployment/sla_monitoring.md`

10. 总结

结构化状态见 ROADMAP.md；SLA 达标矩阵见 SLA评估。

EdgeX 已于 2026 Q3 完成工业边缘网关主体架构闭环：

ScanEngine（EDF + CB + SLA metrics）
  → ExecutionLayer（块读 + 隔离 + 背压）
  → ShadowIngress → ShadowCore（COW SoT）
  → ShadowBridge → DataPipeline → ECM / NBM / 历史 / WebSocket

工业定位：具备 统计 SLA 的 Production-Ready 候选调度器（B1–B5 ≥95%），适合 ≤10k tag 中小规模生产；diagnostics 三通路（读/判/告/看）完整。

距 Kepware 级仍存差距：

硬实时 cycle 保证 — 已承诺 P99 统计 SLA，非 PLC 级确定性；
OpcUa/ENIP 重连统一 — ConnectionManager single-flight 待迁移；
Phase 2 工业验证 — 各协议 24h/72h 联机报告与 ARMv7 板端 P99 复验；
万 Tag 真实驱动压测 — mock 基线已建立，真机 10k 待 Q4。

下一步优先级：Phase 2 工业验证队列 → ARMv7 板端 SLA 复验 → OpcUa 重连统一 → Q4 真实驱动 10k 压测。

文档维护：架构变更时请同步更新 §1.4 SLA 架构、§6 差距表与 §7 Roadmap；ScanEngine 细节以 docs/TODO/ScanEngine重构方案.md 为准；SLA 以 docs/TODO/SLA评估.md 为准。