【摘要】 隨著萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量呈爆炸式增長(zhǎng)，在傳統(tǒng)的云計(jì)算模型下，需要將終端設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆朴?jì)算中心服務(wù)器，而海量數(shù)據(jù)傳輸所帶來(lái)的時(shí)延無(wú)法滿足當(dāng)前多種實(shí)時(shí)性服務(wù)的時(shí)延要求。在此背景下，邊緣計(jì)算的出現(xiàn)開創(chuàng)了能夠在網(wǎng)絡(luò)邊緣處收集和處理數(shù)據(jù)的新型計(jì)算模式，為解決傳統(tǒng)云計(jì)算模式中的時(shí)延、帶寬和負(fù)載等問題帶來(lái)了極大便利。邊緣計(jì)算通過將部分云中心的功能拓展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，為終端設(shè)備提供有效的數(shù)據(jù)訪問、計(jì)算、處理、存儲(chǔ)、控制等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了從云到物之間無(wú)縫連接，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】萬(wàn)物互聯(lián)  云計(jì)算  邊緣計(jì)算

【中圖分類號(hào)】D51                     【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2020.09.003

許多早期的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備只能收集和發(fā)送數(shù)據(jù)去分析，然而，如今設(shè)備日益增長(zhǎng)的計(jì)算能力允許現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，這得益于單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展使得越來(lái)越多的商用設(shè)備擁有足夠的資源來(lái)運(yùn)行較為成熟的操作系統(tǒng)，使其成為智能終端。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)物與物之間數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享，實(shí)現(xiàn)具有智能化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集、傳遞、處理、執(zhí)行，使得物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）具有巨大的潛力。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和4G／5G通信技術(shù)的普及，終端設(shè)備能夠獲得環(huán)境感知與增強(qiáng)的處理能力，該趨勢(shì)使得人類社會(huì)正在走入萬(wàn)物互聯(lián)（Internet of Everything, IoE）的時(shí)代。[1]將人、物、數(shù)據(jù)融合在一起，會(huì)得到一個(gè)規(guī)模巨大的網(wǎng)絡(luò)，使數(shù)據(jù)共享和網(wǎng)絡(luò)連接比以往任何時(shí)候都更加相關(guān)聯(lián)和有價(jià)值，為個(gè)人、企業(yè)、國(guó)家、社會(huì)創(chuàng)造了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。以萬(wàn)物互聯(lián)為背景，大數(shù)據(jù)處理正在從以云計(jì)算為中心的集中式處理時(shí)代，跨入以萬(wàn)物互聯(lián)為核心的邊緣計(jì)算時(shí)代。

從云計(jì)算到邊緣計(jì)算

云計(jì)算在過去十幾年里是個(gè)非常熱門的研究領(lǐng)域，它具有高可靠性、成本低廉、按需分配信息等特點(diǎn)，為人們解決大規(guī)模計(jì)算、資源存儲(chǔ)等問題開辟了一條新路徑。云計(jì)算是一些由計(jì)算資源集合（網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)）組成的服務(wù)池，通過多租戶模式為多個(gè)消費(fèi)者提供服務(wù)，服務(wù)池中的資源可以通過接入網(wǎng)絡(luò)來(lái)獲取，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)提供服務(wù)并重新配置。云計(jì)算模式擁有不同的部署模型和服務(wù)模型，從給任何消費(fèi)者提供云計(jì)算服務(wù)的公有云模型到部署各自的私有云計(jì)算平臺(tái)，從提供基礎(chǔ)計(jì)算資源的基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure as a Service, IaaS）模型到應(yīng)用作為能力的軟件即服務(wù)（Software as a Service, SaaS）模型。云計(jì)算具有很多優(yōu)勢(shì)，如最小化管理代價(jià)、方便、彈性、按次收費(fèi)、普遍性，使其得到廣泛的應(yīng)用。[2]這種大規(guī)模的商業(yè)模式計(jì)算數(shù)據(jù)中心有足夠多的資源為巨量的用戶服務(wù)。

然而，這種資源的集中化表現(xiàn)出終端用戶設(shè)備和服務(wù)云之間巨大的平均距離，反過來(lái)增加了平均網(wǎng)絡(luò)延遲和抖動(dòng)。[3]除此之外，集中式云計(jì)算模型也已經(jīng)展現(xiàn)出許多其他內(nèi)在的問題。

（一）云計(jì)算線性增長(zhǎng)的計(jì)算能力不能滿足網(wǎng)絡(luò)邊緣海量的多源數(shù)據(jù)處理需求。[4]

（二）由于大規(guī)模的用戶接入，網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速度已經(jīng)達(dá)到瓶頸，同時(shí)，用戶和云中心之間長(zhǎng)距離的傳輸將會(huì)導(dǎo)致很高的服務(wù)延遲和計(jì)算資源的浪費(fèi)。

（三）網(wǎng)絡(luò)邊緣的大部分終端用戶一般是資源限制的移動(dòng)設(shè)備，只有較低的存儲(chǔ)、計(jì)算能力和有限的電池供應(yīng)周期，所以它需要給相對(duì)于云數(shù)據(jù)中心較短距離傳輸?shù)倪吘壭遁d一些計(jì)算任務(wù)。

（四）在外包處理中，邊緣設(shè)備的用戶隱私數(shù)據(jù)容易被泄露。例如，精確的用戶位置甚至移動(dòng)軌跡。

因此，傳統(tǒng)的云計(jì)算不能有效支持基于萬(wàn)物互聯(lián)的應(yīng)用服務(wù)。在過去幾年，許多新的模式已經(jīng)出現(xiàn)，如，霧計(jì)算、移動(dòng)邊緣計(jì)算和微云計(jì)算等，這些邊緣模式的共同特征是將計(jì)算資源部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣。2012年，思科提出了霧計(jì)算（Fog Computing）的概念，它起始的定義是“以云計(jì)算模式的拓展在終端設(shè)備和傳統(tǒng)云服務(wù)器之間提供計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”，是為遷移云計(jì)算中心任務(wù)到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備執(zhí)行的一種高度虛擬化計(jì)算平臺(tái)；2013年，移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing, MEC）的術(shù)語(yǔ)第一次被提出，用于描述網(wǎng)絡(luò)邊緣的服務(wù)執(zhí)行，指的是在接近移動(dòng)用戶的無(wú)線接入網(wǎng)范圍內(nèi)，提供信息技術(shù)服務(wù)和云計(jì)算能力的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；微云計(jì)算更加側(cè)重于“移動(dòng)”的概念，其處在移動(dòng)終端和云平臺(tái)之間，是被部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣、具有移動(dòng)性的小型數(shù)據(jù)中心。類似地，有許多計(jì)算模式的目標(biāo)是將云服務(wù)和資源帶到距用戶更近的地方，有效地處理邊緣大數(shù)據(jù)問題。研究者將這種把從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的任意計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源看作是一個(gè)“連續(xù)統(tǒng)”，[5]而邊緣，可以是這條路徑上的一個(gè)或多個(gè)資源節(jié)點(diǎn)的模式的計(jì)算統(tǒng)稱為“邊緣計(jì)算”。

在網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備由于其對(duì)大數(shù)據(jù)的處理能力從數(shù)據(jù)消費(fèi)者變?yōu)閿?shù)據(jù)生產(chǎn)者。例如，數(shù)據(jù)獲取、模式識(shí)別和數(shù)據(jù)挖掘。同時(shí)，這些終端設(shè)備提供豐富的服務(wù)接口，以邊緣計(jì)算模型為核心，結(jié)合云計(jì)算中心一起為用戶提供協(xié)作計(jì)算服務(wù)，二者相輔相成，應(yīng)用于云中心和邊緣端大數(shù)據(jù)處理，解決萬(wàn)物互聯(lián)下云計(jì)算服務(wù)不足的問題。顯而易見，邊緣計(jì)算與云計(jì)算相比，并不是為了取代云計(jì)算，而是對(duì)云計(jì)算的補(bǔ)充和延伸，為移動(dòng)計(jì)算、萬(wàn)物互聯(lián)等提供更好的平臺(tái)。邊緣計(jì)算模型需要云計(jì)算中心的強(qiáng)大計(jì)算能力和海量存儲(chǔ)的支持，而云計(jì)算也同樣需要邊緣計(jì)算中邊緣設(shè)備對(duì)于海量數(shù)據(jù)及隱私數(shù)據(jù)的處理，從而滿足實(shí)時(shí)性、隱私保護(hù)和降低功耗等需求。

邊緣計(jì)算特性

邊緣計(jì)算的架構(gòu)是如圖1中的“終端設(shè)備—邊緣—云中心”三層模型，三層都可以為應(yīng)用提供資源與服務(wù)。在這種架構(gòu)中，邊緣設(shè)備可以連接到邊緣服務(wù)器上，可以彼此相互連接，也可以直接連接到云。這樣的計(jì)算結(jié)構(gòu)表明了邊緣計(jì)算的執(zhí)行可以發(fā)生在不同的層，像在核心云、邊緣服務(wù)器和終端節(jié)點(diǎn)上。盡管邊緣計(jì)算的目的是執(zhí)行一個(gè)應(yīng)用中計(jì)算密集和延遲敏感的部分，邊緣服務(wù)器的一些應(yīng)用仍然需要和云中心通信來(lái)為全局應(yīng)用同步數(shù)據(jù)。值得注意的是，分層代表了邊緣計(jì)算中各組成部分的不同特征和計(jì)算能力。最低層為有較少計(jì)算能力的終端設(shè)備，主要訂閱邊緣服務(wù)。中間節(jié)點(diǎn)離終端用戶更近的提供邊緣計(jì)算服務(wù)。邊緣服務(wù)器有時(shí)接入離終端節(jié)點(diǎn)距離很遠(yuǎn)的云中心。

數(shù)據(jù)分層結(jié)構(gòu)利于云中心和邊緣的交互。在很多應(yīng)用場(chǎng)景中，邊緣節(jié)點(diǎn)收集傳感器和設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，做適當(dāng)處理，向執(zhí)行器發(fā)出控制命令。在過濾掉本地執(zhí)行所需的數(shù)據(jù)后，將剩下的數(shù)據(jù)抽象虛擬化發(fā)送到更高層，在云端進(jìn)行地理和時(shí)間范圍內(nèi)的全局化處理，這個(gè)過程的處理時(shí)間從秒級(jí)到分鐘甚至以天為計(jì)量單位。所以，邊緣計(jì)算必須支持許多類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從底層的短暫存儲(chǔ)到更高層的半永久或永久存儲(chǔ)。邊緣端可以通過隔離需要在邊緣存儲(chǔ)的用戶數(shù)據(jù)來(lái)延展云的功能，管理者可以直接在他的模型里定向分析、保護(hù)安全或者進(jìn)行其他個(gè)性化定制服務(wù)。

邊緣計(jì)算不能代替云計(jì)算，它是一個(gè)在終端設(shè)備和傳統(tǒng)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心之間提供計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的高度虛擬化平臺(tái)。[6]邊緣計(jì)算的很多特征決定了它是云計(jì)算重要的拓展。

（一）邊緣分布、位置感知、低延遲。邊緣計(jì)算由許多分布式的終端節(jié)點(diǎn)組成邊緣網(wǎng)絡(luò)。邊緣節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)邊緣為終端設(shè)備提供豐富的服務(wù)，因此，可以實(shí)現(xiàn)低延遲和環(huán)境感知的特性。

（二）分層組織結(jié)構(gòu)。分層代表了邊緣計(jì)算不同組成部分的不同特征和計(jì)算能力，云中心提供集中化海量資源，綜合情況作全局決策。邊緣節(jié)點(diǎn)使得數(shù)據(jù)的處理和服務(wù)更加靠近終端設(shè)備以降低時(shí)耗和功耗。

（三）地理分布密集。隨著萬(wàn)物互聯(lián)的進(jìn)一步發(fā)展，移動(dòng)終端設(shè)備的數(shù)量達(dá)到了前所未有的程度，邊緣的服務(wù)和應(yīng)用分布式部署以應(yīng)對(duì)地理密集的服務(wù)請(qǐng)求。

（四）實(shí)時(shí)交互。在邊緣計(jì)算很多應(yīng)用場(chǎng)景中，必須實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的反應(yīng)和交互，應(yīng)用批處理必不可少。比如，車聯(lián)網(wǎng)中的路邊單元監(jiān)控實(shí)時(shí)路況，必須做到多因素全方位檢測(cè)并與來(lái)往行人車輛及時(shí)交互。

（五）高異構(gòu)性。邊緣節(jié)點(diǎn)可能屬于不同地理位置上分離的服務(wù)提供商，形成大規(guī)模異構(gòu)的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)。邊緣節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的不同層中是高動(dòng)態(tài)且異構(gòu)的。

（六）安全性。通過減少信息需要傳輸?shù)木嚯x，竊聽的幾率會(huì)大幅度降低。利用基于鄰近距離的認(rèn)證技術(shù)，身份驗(yàn)證會(huì)得到增強(qiáng)。邊緣計(jì)算的其他特性天然地增強(qiáng)了其安全性。

邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)力量得益于不同類型的技術(shù)。蓬勃發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)延遲敏感型應(yīng)用的基礎(chǔ)，例如4G／5G、[7]認(rèn)知無(wú)線電。邊緣計(jì)算中的這些通信技術(shù)被用于設(shè)備到設(shè)備之間和設(shè)備到邊緣服務(wù)器之間；擁有友好應(yīng)用編程接口的軟件開發(fā)工具箱輔助開發(fā)和集成新的可兼容性應(yīng)用，并支持個(gè)性定制化的應(yīng)用和服務(wù)；云計(jì)算利用集中化的強(qiáng)大的服務(wù)器處理計(jì)算密集的數(shù)據(jù)，邊緣計(jì)算將云部分的能力帶到邊緣終端設(shè)備附近來(lái)最小化延遲，所以服務(wù)器也可以幫助小的資源受限的移動(dòng)設(shè)備卸載計(jì)算任務(wù)。

為了處理邊緣計(jì)算生態(tài)中邊緣節(jié)點(diǎn)的高異構(gòu)屬性，需要一個(gè)通用編排平臺(tái)來(lái)提供互操作性、軟件可編程性和虛擬化。[8]互操作性允許異構(gòu)邊緣節(jié)點(diǎn)在相同架構(gòu)下運(yùn)作；軟件可編程性使得應(yīng)用開發(fā)者可以基于通用虛擬化硬件編程，邊緣節(jié)點(diǎn)的底層硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)被屏蔽；虛擬化技術(shù)將邊緣節(jié)點(diǎn)的資源劃分為資源單元，如基于內(nèi)核的虛擬機(jī)（Virtual Machines, VMs）和容器，允許用相同的物理資源產(chǎn)生邏輯上分離的資源，可以使得多個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)應(yīng)用在不互相干擾的情況下共享資源。[9]

邊緣計(jì)算的應(yīng)用

目前許多方面的服務(wù)已經(jīng)應(yīng)用到了邊緣計(jì)算，如視頻分析、智慧交通、智能家居、電子醫(yī)療、智能電網(wǎng)等。

視頻分析。視頻監(jiān)控和分析在過去的幾年里已經(jīng)得到了大范圍的應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的將視頻數(shù)據(jù)上傳至云，邊緣視頻分析指的是在邊緣設(shè)備上執(zhí)行部分或全部的視頻分析負(fù)載，比如實(shí)時(shí)性要求高的不同的人工智能檢測(cè)算法，其在公共安全和反恐方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)：一是低數(shù)據(jù)傳輸開銷，二是低響應(yīng)延遲，三是實(shí)現(xiàn)各種前所未有的應(yīng)用程序。[10]由此，可以提取視頻中有價(jià)值的信息傳輸?shù)皆谱黾刑幚砗蜎Q策。錄像機(jī)和視頻傳感器獲取并共享不同的視頻內(nèi)容，這些視頻可以存儲(chǔ)且有效管理以便之后使用。不同的安全應(yīng)用可以自動(dòng)從視頻內(nèi)容存檔中提取所需數(shù)據(jù)。

智慧交通。隨著萬(wàn)物互聯(lián)中軟件、硬件和通信技術(shù)的快速發(fā)展，車輛配備了如傳感器和車載計(jì)算機(jī)等設(shè)備。這些設(shè)備具有冗余的存儲(chǔ)和計(jì)算資源，允許車輛交換信息并且以分布式方法與周圍車輛和路邊基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同執(zhí)行一些復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。通過車連車，車連邊緣接入點(diǎn)、邊緣接入點(diǎn)連邊緣接入點(diǎn)的聯(lián)通性和交互性，車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景得到極大的豐富。邊緣的移動(dòng)性、低延遲、支持實(shí)時(shí)交互成為一個(gè)實(shí)現(xiàn)智慧交通的理想化平臺(tái)。如，智慧交通燈邊緣節(jié)點(diǎn)可以與傳感器本地交互，基于傳感器探測(cè)的信息，智能燈給靠近的車輛發(fā)送警告信號(hào)來(lái)阻止交通事故。

智能家居。智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。[11]智能家居配備了大量涌現(xiàn)的萬(wàn)物互聯(lián)無(wú)線設(shè)備去探測(cè)溫度、濕度、天然氣等的剩余水平。[12]建筑中所有的傳感器之間可以互相交換信息，聯(lián)合它們的讀數(shù)可組成有效測(cè)量數(shù)據(jù)。傳感器將使用邊緣設(shè)備的分布式?jīng)Q策和激活狀態(tài)來(lái)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)作出反饋和響應(yīng)。系統(tǒng)組件會(huì)協(xié)同工作來(lái)降低室內(nèi)溫度、注入新鮮空氣或打開窗戶?？照{(diào)可以除濕或者增加空氣中的濕度。傳感器也可以根據(jù)人的活動(dòng)做出相應(yīng)反應(yīng)（如，在人進(jìn)入或者離開時(shí)打開或關(guān)閉燈）?？梢栽诮ㄖ拿繉硬渴鸬讓舆吘壴O(shè)備，在執(zhí)行的更高層協(xié)作處理。在這個(gè)場(chǎng)景下的邊緣計(jì)算，智能家居可以感知其組織構(gòu)造、內(nèi)外部環(huán)境來(lái)節(jié)約能源、水和其他資源。

電子醫(yī)療。邊緣計(jì)算在這幾年里已經(jīng)成功應(yīng)用到各個(gè)方面，也被經(jīng)常用于醫(yī)療。在萬(wàn)物互聯(lián)中，電子醫(yī)療服務(wù)往往是延遲敏感的應(yīng)用，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和極短的事務(wù)反應(yīng)時(shí)間在醫(yī)療看護(hù)中是至關(guān)重要的，邊緣計(jì)算使得終端用戶和醫(yī)護(hù)人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從不同傳感器產(chǎn)生的與健康相關(guān)的數(shù)據(jù)，如體溫、心率、血壓、脈搏等，如果病人出現(xiàn)緊急情況，可以即刻實(shí)施相關(guān)治療措施或通知附近的醫(yī)護(hù)人員，這大大地提高了有效搶救時(shí)間的利用率，增加了病人康復(fù)的可能性，降低了造成不可逆損傷的概率，甚至是挽救緊急病人的生命。起初，云計(jì)算也被用于電子醫(yī)療應(yīng)用，但因?yàn)檠舆t的問題并沒有獲得巨大的成功，邊緣計(jì)算模式的出現(xiàn)為解決這個(gè)問題帶來(lái)了新的希望。例如，可以利用邊緣計(jì)算來(lái)探測(cè)、預(yù)測(cè)、防止中風(fēng)病人摔倒，跌倒探測(cè)算法可以動(dòng)態(tài)地部署在邊緣設(shè)備和云資源中，文獻(xiàn)[13]中的實(shí)驗(yàn)可以得出邊緣—云中心系統(tǒng)比起單獨(dú)使用云計(jì)算方法有更短的反應(yīng)時(shí)間并消耗更少能源的結(jié)論。邊緣節(jié)點(diǎn)可能收集到病人很多隱私的信息，可以在不傳到云中心或通知醫(yī)生的情況下，自主產(chǎn)生輔助治療的決策?？偟膩?lái)說(shuō)，基于邊緣計(jì)算的電子醫(yī)療系統(tǒng)帶來(lái)更低的時(shí)間延遲、移動(dòng)支持和位置感知并可從一定程度上解決病人隱私擔(dān)憂方面的問題。

智能電網(wǎng)：智能電網(wǎng)就是電網(wǎng)的智能化（智電電力），也被稱為“電網(wǎng)2.0”，它是建立在集成的、高速雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過先進(jìn)的傳感和測(cè)量技術(shù)、先進(jìn)的設(shè)備技術(shù)、先進(jìn)的控制方法以及先進(jìn)的決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。[14]作為萬(wàn)物互聯(lián)邊緣計(jì)算的一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景，智能電表和微電網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上作為能源負(fù)載均衡應(yīng)用?；诳捎眯院湍茉匆?，設(shè)備可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換成可代替的能源，比如，太陽(yáng)能和風(fēng)能。邊緣節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)觀察能源消耗和分布模式。在大范圍能源網(wǎng)絡(luò)部署的情況下，云計(jì)算中心可作為集中策略的工具處理巨量數(shù)據(jù)使得應(yīng)用健壯且動(dòng)態(tài)，邊緣和云中心的協(xié)作可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全等目標(biāo)。

邊緣計(jì)算的挑戰(zhàn)與機(jī)遇

邊緣計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)涉及很廣的范圍，從異構(gòu)和資源受限節(jié)點(diǎn)的計(jì)算任務(wù)分解到云—邊緣接口的定義；從分布計(jì)算的狀態(tài)一致性到易失性介質(zhì)的彈性存儲(chǔ)；從經(jīng)濟(jì)激勵(lì)的價(jià)格到可擴(kuò)展的安全對(duì)策。這些問題的基礎(chǔ)是在“本地”和“全局”之間尋找內(nèi)在平衡，我們?cè)谠坪瓦吘壷g權(quán)衡，來(lái)決策何處分配功能以及如何將它們重新組合。例如，邊緣計(jì)算在異構(gòu)節(jié)點(diǎn)（終端用戶、網(wǎng)關(guān)、本地服務(wù)器或者數(shù)據(jù)中心）和一系列基礎(chǔ)軟件上執(zhí)行一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用，這個(gè)應(yīng)用的編排絕對(duì)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，要考慮高動(dòng)態(tài)環(huán)境的復(fù)雜性、終端用戶設(shè)備安裝的不同邊緣應(yīng)用和支持不同管理域的必要性來(lái)適應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施的極度異構(gòu)性和復(fù)雜的外部環(huán)境。

萬(wàn)物互聯(lián)場(chǎng)景下，由于邊緣計(jì)算的特性，在不同的服務(wù)級(jí)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)中，展現(xiàn)出特定方面的需求和挑戰(zhàn)。

（一）延遲最小化。高延遲已經(jīng)成為基于萬(wàn)物互聯(lián)智能應(yīng)用亟待解決的一個(gè)嚴(yán)重問題。邊緣計(jì)算使得數(shù)據(jù)分析在網(wǎng)絡(luò)的邊緣進(jìn)行，可以支持時(shí)間敏感的功能。這是很多商業(yè)應(yīng)用所必須要求的，比如，擁有毫秒級(jí)反應(yīng)時(shí)間的嵌入式人工智能（Artificial Intelligence, AI）應(yīng)用。作為一個(gè)解決方案平臺(tái)，邊緣計(jì)算必須保證滿足服務(wù)質(zhì)量且及時(shí)地交付任務(wù)，以達(dá)到延遲敏感應(yīng)用的需求。

（二）動(dòng)態(tài)和自治。由于萬(wàn)物互聯(lián)應(yīng)用的啟動(dòng)-關(guān)閉轉(zhuǎn)換和邊緣節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，邊緣網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)是動(dòng)態(tài)改變的，同時(shí)，會(huì)有一些不可靠邊緣節(jié)點(diǎn)接入到網(wǎng)絡(luò)，邊緣計(jì)算要能夠自治地處理這些動(dòng)態(tài)情況，支持邊緣計(jì)算的架構(gòu)需要是動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展的，而且要能夠考慮到個(gè)人喜好，滿足定制需求。

（三）服務(wù)質(zhì)量。萬(wàn)物互聯(lián)應(yīng)用能指定其服務(wù)質(zhì)量（Quality-of-Service, QoS）需求，如，延遲時(shí)間、吞吐量和數(shù)據(jù)位置，來(lái)滿足關(guān)系感知的卸載處理。邊緣計(jì)算需要可以決定在一個(gè)共享的邊緣網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)部署多少個(gè)應(yīng)用，并達(dá)到用戶要求的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。

（四）網(wǎng)絡(luò)管理。萬(wàn)物互聯(lián)場(chǎng)景下，由于海量設(shè)備的接入，產(chǎn)生許多常見網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)象。[15]例如，不恰當(dāng)?shù)奶摂M化支持、缺乏無(wú)縫連接和低效的擁塞控制，降低了整體的網(wǎng)絡(luò)性能。在邊緣計(jì)算中有效使用網(wǎng)絡(luò)資源對(duì)萬(wàn)物互聯(lián)來(lái)說(shuō)是最基本的。

（五）成本優(yōu)化。應(yīng)用一個(gè)合適的平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算必要的可擴(kuò)展基礎(chǔ)設(shè)施的部署，牽扯到前期大量的投資和操作花費(fèi)。[16]這些花費(fèi)的大部分與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的布局有關(guān)，所以，為了最小化整體成本，邊緣節(jié)點(diǎn)的布置需要精心規(guī)劃和優(yōu)化。在合適的位置部署最優(yōu)化的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以大幅降低資金花銷，邊緣節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)化布局可以最小化運(yùn)營(yíng)成本。

（六）能耗管理。邊緣計(jì)算需要分配終端和云之間的計(jì)算、存儲(chǔ)和控制功能，使得這個(gè)“連續(xù)統(tǒng)”的可用資源得到充分的利用，從而優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的效率和性能。能耗管理是一個(gè)基于萬(wàn)物互聯(lián)場(chǎng)景的重要目標(biāo)，邊緣計(jì)算需要能源有效的萬(wàn)物互聯(lián)設(shè)備和應(yīng)用。數(shù)以億計(jì)的萬(wàn)物互聯(lián)節(jié)點(diǎn)需要一個(gè)智能感知平臺(tái)獲取能源以確?？蓴U(kuò)展性、減少成本且避免頻繁的電池替換來(lái)支持不同應(yīng)用。

（七）資源管理。在應(yīng)用級(jí)服務(wù)實(shí)現(xiàn)時(shí)，最優(yōu)的資源管理也是關(guān)鍵的。適當(dāng)?shù)馁Y源管理包括資源協(xié)調(diào)、可用資源估計(jì)和適當(dāng)?shù)呢?fù)載分配。[17]

（八）數(shù)據(jù)管理。目前，海量的萬(wàn)物互聯(lián)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生巨量的數(shù)據(jù)需要以實(shí)時(shí)方式管理。在邊緣計(jì)算中，需要有效的數(shù)據(jù)管理機(jī)制。萬(wàn)物互聯(lián)設(shè)備產(chǎn)生數(shù)據(jù)的集合和傳輸也是數(shù)據(jù)管理中的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

（九）安全與隱私。萬(wàn)物互聯(lián)場(chǎng)景下的安全不同于其他環(huán)境，主要是因?yàn)槿f(wàn)物互聯(lián)設(shè)備受限的資源屬性。邊緣計(jì)算由于其分層結(jié)構(gòu)特性可以天然地為資源受限的設(shè)備提供一定的安全保證，也因?yàn)槿绱颂匦裕沟眠吘売?jì)算收集的數(shù)據(jù)更加靠近用戶端，可能牽扯到隱私問題。這種情況下，萬(wàn)物互聯(lián)的安全泄露更加具有毀滅性，而邊緣節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)和操縱物理設(shè)備的能力是有可能威脅生命的。解決安全與隱私的問題，是實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)與邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)。

邊緣計(jì)算將會(huì)帶來(lái)許多新的商業(yè)機(jī)會(huì)，賦能云至今都不能有效解決的問題。[18]例如，作為云中心的代理為許多不能直接有效連接到云的終端設(shè)備提供云服務(wù)?；谶吘壍姆?wù)范圍正在逐漸擴(kuò)大，云和邊緣將會(huì)融合成統(tǒng)一的端到端的平臺(tái)并且提供集成服務(wù)和應(yīng)用，為突破現(xiàn)有的云計(jì)算商業(yè)模式創(chuàng)造機(jī)會(huì)，邊緣計(jì)算的商業(yè)模型涉及到多方參與者，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商擁有邊緣服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，終端設(shè)備和用戶可能既是客戶端又是服務(wù)端。為了構(gòu)造一個(gè)完全的商業(yè)模型，需要決定如何計(jì)算和監(jiān)控資源，對(duì)于眾多邊緣參與者，如何根據(jù)冗余的資源獲取激勵(lì)報(bào)酬也是邊緣計(jì)算商業(yè)化進(jìn)程中亟待解決的重要問題。

注釋

[1]馬立川、裴慶祺：《萬(wàn)物互聯(lián)背景下的邊緣安全需求與挑戰(zhàn)》，《中興通訊技術(shù)》，2019年第25卷第3期，第37～42頁(yè)。

[2]Pedro Garcia Lopez et al., "Edge-centric Computing: Vison and Challenges ", ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2015, pp. 37-39.

[3]RouZhou Yu, "The Fog of Things Paradigm: Road toward On-Demand Internet", IEEE Communication Magazine, 2018, pp. 48-54.

[4]Nanxi Chen, "Fog as a Service Technology", IEEE Communication Magazine, 2018, pp. 1-7.

[5]施巍松：《邊緣計(jì)算》，北京：科學(xué)出版社，2018年。

[6]Syed Noorulhassan Shirazi et al., "The Extended Cloud: Review and Analysis of Mobile Edge Computing and Fog From a Security and Resilience Perspective", IEEE Journal On Selected Areas In Communications, Vol. 35, No. 11, 2017, pp. 2586-2595.

[7]成靜靜、潘桂新：《某電信運(yùn)營(yíng)商5G MEC邊緣云規(guī)劃建設(shè)實(shí)踐》，《數(shù)據(jù)通信》，2019年。

[8]路亞：《基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的邊緣控制部署機(jī)制》，《計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究》，2019年第37卷第11期，第1～6頁(yè)。

[9]Yuxuan Jiang et al., "Challenge and Solutions in Fog Computing Orchestration", IEEE Network, 2018, pp. 120-129.

[10]Zhang et al., "Edge Video Analytics for Public Safety: A Review", Proceedings of The IEEE, 2019, Vol. 107, No. 8, pp. 1675-1676.

[11]百度百科，https://baike.baidu.com/item/%E6%99%BA%E8%83%BD%E5%AE%B6%E5%B1%85。

[12]Najmul Hassan et al., "The Role of Edge Computing in Internet of Things", IEEE Communications Magazine, 2018, pp. 110-115.

[13]Y.Cao et al., "FAST: A Fog Computing Assisted Distributed Analytics System to Monitor Fall for Stroke Mitigation", Proc. 10th IEEE Int'l Conf. Networking, Architecture and Storage (NAS 15), 2015, pp. 2-11.

[14]百度百科，https://baike.baidu.com/item/%E6%99%BA%E8%83%BD%E7%94%B5%E7%BD%91/1884275?fr=aladdin。

[15]Ejaz Ahmed et al., Bringing Computation Closer toward the User Network: Is Edge Computing the Solution?, 2017, pp. 138-144.

[16]高志鵬、堯聰聰、肖楷樂：《移動(dòng)邊緣計(jì)算：架構(gòu)、應(yīng)用和挑戰(zhàn)》，《中興通訊技術(shù)》，2019年第25卷第3期，第23～30頁(yè)。 

[17]黃冬艷、付中衛(wèi)、王波：《計(jì)算資源受限的移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器收益優(yōu)化策略》，《計(jì)算機(jī)應(yīng)用》，2019年，第1～6頁(yè)。

[18]Mung Chiang et al., "Clarifying Fog Computing And Networking: 10 Questions And Answers", IEEE Communications Magazine, 2017, Vol. 55, No. 4, pp. 18-20.

責(zé) 編／周于琬

The Era of Edge Computing with a Focus on the Internet of Everything

Pei Qingqi

Abstract: With the upcoming era of the Internet of Everything (IoE), the number of IoE devices is growing explosively. Under the traditional cloud computing model, the massive data generated by the terminal equipment needs to be transmitted to the server of the cloud computing center, and the delay caused by the massive data transmission cannot meet the delay requirements of current multiple real-time services. In this context, the emerging edge computing creates a new computing mode that can collect and process data at the edge of the network, which brings great convenience to solve the problems of delay, bandwidth and load in the traditional cloud computing mode. By extending the functions of some cloud centers to the edge of the network, edge computing provides effective data access, computing, processing, storage, control and other services for terminal devices, and realizes the seamless connection between cloud and objects, which is considered as the basis for IoE.

Keywords: Internet of Everything, cloud computing, edge computing

裴慶祺，西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院教授、博導(dǎo)，西安市移動(dòng)邊緣計(jì)算及安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，陜西省區(qū)塊鏈與安全計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任，2011年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃。研究方向?yàn)檎J(rèn)知網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全、區(qū)塊鏈、邊緣計(jì)算及安全。主要著作有《邊緣計(jì)算》、《邊緣計(jì)算與區(qū)塊鏈融合系統(tǒng)的最優(yōu)計(jì)算卸載策略研究》（論文）、《毫米波中繼系統(tǒng)的物理層安全研究》（論文）、《基于邊緣計(jì)算的信任管理機(jī)制隱私保護(hù)技術(shù)》（論文）等。