近端計算，根治信息時代各種“心塞”

龐貝　毛艷玲

你是否有過這種經(jīng)歷：

為了一張春節(jié)回家的車票，眼睛一眨不眨地盯著電腦屏，然而就在出票的瞬間卡住了，等到一兩分鐘后再刷出網(wǎng)頁，已經(jīng)變成了“無票”……

為了一件心儀已久的寶貝凌晨數(shù)秒等“秒殺”，等到削尖腦袋擠進(jìn)去的時候?qū)氊愐呀?jīng)“被搶光”……

你想重新編輯一下你的相冊空間，打開一幅照片卻費了5分鐘……

你在差兩分三點之前忽然想要買點基金、證券，卻無論如何跳轉(zhuǎn)不到支付頁面……

2008年，我國移動互聯(lián)網(wǎng)用戶才1.1億。2016年年底，這個數(shù)字已經(jīng)超過9億。

——無論我們愿不愿意，移動互聯(lián)網(wǎng)時代都已經(jīng)不容置疑地降臨到這個世界，以潮水般的速度席卷生活的方方面面，給我們帶來新的生活方式的同時，也帶來了新的“心塞”。

類似上文列舉的種種“心塞”，根源就是移動互聯(lián)網(wǎng)用戶爆發(fā)帶來的計算和數(shù)據(jù)處理請求在數(shù)據(jù)中心得不到及時處理所致。

在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，計算和數(shù)據(jù)處理都是基于大型數(shù)據(jù)中心和云計算的集中式處理。然而最近幾年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)用戶的增多，出現(xiàn)了層出不窮的新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)展的相對落后，這種集中式處理方式開始顯現(xiàn)一些缺陷和不足。這促使人們開始思考和研究后云計算時代的網(wǎng)絡(luò)計算模式。為了滿足這一需求，清華大學(xué)周悅芝老師帶領(lǐng)他的團(tuán)隊，針對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)計算模式集中式計算和存儲的問題，提出了利用距離終端用戶較近服務(wù)器上的計算和存儲資源，甚至是與用戶終端對等的其他終端上的資源來完成用戶所需要的計算或存儲任務(wù)，從而加快終端任務(wù)的處理和響應(yīng)速度，提高用戶體驗。由于這些計算和存儲發(fā)生在距離終端用戶較近的服務(wù)器或者對等終端上，可以將這種計算模式稱為“近端計算”或“近端（云）計算”。與此相對應(yīng)，傳統(tǒng)意義上的云計算可以被稱為“遠(yuǎn)端云計算”。

周悅芝，清華大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系副研究員，近年來一直從事計算機(jī)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和成果推廣工作，在分布式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計算和云存儲方面進(jìn)行了創(chuàng)新性研究和實現(xiàn)，取得了多項創(chuàng)新性成果。

隨著計算機(jī)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算模式也在發(fā)生變革和演變。從大的維度來看，計算模式經(jīng)歷從大型主機(jī)到Pc機(jī)，再到上世紀(jì)七八十年代網(wǎng)絡(luò)流行后的網(wǎng)絡(luò)計算的演變過程。目前是以云計算為代表的網(wǎng)絡(luò)計算時代。大型主機(jī)是一種集中式的計算模式，計算和存儲均在主機(jī)上進(jìn)行，啞終端或者智能終端只執(zhí)行輸入和輸出的人機(jī)交互功能。Pc計算模式則是一種分散式的計算模式，計算和存儲分散在每臺個人計算機(jī)上進(jìn)行執(zhí)行，相互獨立。隨著網(wǎng)絡(luò)計算的發(fā)展，個人計算機(jī)開始相互連接并且和執(zhí)行專門功能的服務(wù)器連接起來，形成了以個人計算為主，其他計算機(jī)和服務(wù)器為輔的網(wǎng)絡(luò)計算模式。后Pc計算時代出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡(luò)計算模式，如網(wǎng)格計算、服務(wù)計算等，但是最終云計算在現(xiàn)階段獲得了最廣泛的認(rèn)可和巨大的商業(yè)成功。云計算最核心的特征就是計算和存儲集中在大型云計算或數(shù)據(jù)中心來執(zhí)行，盡管其表現(xiàn)形態(tài)和技術(shù)與大型主機(jī)似乎完全不同，但其實質(zhì)是大型主機(jī)集中式計算模式的歷史性、螺旋性回歸。

從歷史上看，集中式和分散式計算模式，各有各的優(yōu)勢和缺點。由于技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求的變化，集中式和分散式計算模式在不同歷史時期取得了不同程度的主導(dǎo)式發(fā)展，呈現(xiàn)出歷史性的螺旋式發(fā)展規(guī)律。云計算發(fā)展到今天，雖然取得了巨大的成功，但是其固有的集中式特性，在滿足高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和大規(guī)模計算和存儲需求的同時，也日益暴露其根本性的缺陷和發(fā)展瓶頸。

首先是智能終端能力的發(fā)揮問題。由于摩爾定律繼續(xù)成立，手機(jī)、平板電腦等智能終端在體積越來越小的同時，其計算、存儲和通信等能力越來越強(qiáng)大，終端處理、存儲和通信等能力在一定程度上出現(xiàn)了相對過剩和閑置。但是另—方面，另外一些終端設(shè)備處理、存儲或通信能力由于技術(shù)和應(yīng)用需求而繼續(xù)維持在相對弱小的狀態(tài)，處理、存儲或通信能力則顯現(xiàn)明顯的不足。由于云計算是一種集中式計算模式，終端只是進(jìn)行輸入輸出的人機(jī)交化互功能，因此一方面，云計算使得強(qiáng)大的終端設(shè)備處理、存儲和通信能力不能得到充分發(fā)揮，造成計算、存儲和通信等資源的浪費。而另外一個方面，能力不足的終端設(shè)備不能在云計算模式下充分利用周圍其他終端設(shè)備過剩的計算、存儲和通信等能力在完成自身的計算、存儲和通信等任務(wù)。這在整體上造成了計算、存儲和通信資源的低利用率和低效率，也造成了.總體資源的閑置和浪費。

其次，由于泛在化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度得到大幅度提高，寬帶無線接入隨時隨處可得。但是云計算中用戶終端和大型云計算中心之間需要跨越網(wǎng)絡(luò)，一般往往是長距離的廣域網(wǎng)絡(luò)或異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)研究表明，長距網(wǎng)絡(luò)在帶寬不斷增長的同時，在擁塞、延遲、抖動和失效等方面的性能提高和性能保證卻十分有限。因為延遲、擁塞等問題，由于網(wǎng)絡(luò)路由、中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點包處理、跨網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商以及安全監(jiān)控等方面的原因，很難在近期甚至長期得到提高和改善。而無線網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量方面也難以得到保證和有效提高，無線廣播機(jī)制會導(dǎo)致高峰時期的用戶擁塞，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)丟包和網(wǎng)絡(luò)抖動現(xiàn)象的出現(xiàn)，這些都會降低交互式應(yīng)用和服務(wù)的服務(wù)用戶體驗。由于云計算需要在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中處理，再加上網(wǎng)絡(luò)固有的延遲和擁塞等，在交互式應(yīng)用中，云計算顯得力不從心。

最后，復(fù)雜新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景需求不斷更新和變化。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)以及普適化終端的發(fā)展，新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、服務(wù)以及新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景不斷涌現(xiàn)，令人目不暇接。復(fù)雜多樣化的新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)，其在終端類型和能力、網(wǎng)絡(luò)類型和能力，應(yīng)用和服務(wù)需求等方面各不相同，這給云計算的普遍適用造成帶來了極大的挑戰(zhàn)。以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景為例進(jìn)行分析，集中式的云計算難以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在無線接入和低延遲訪問、移動支持和位置及環(huán)境感知等方面的應(yīng)用需求。在未來的5G應(yīng)用場景，雖然網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲性能進(jìn)一步提高，但是由于用戶數(shù)量和應(yīng)用數(shù)量急劇增長帶來的巨大需求，使得云計算在內(nèi)容高效分發(fā)、移動大數(shù)據(jù)分析、智能交通/政務(wù)/醫(yī)療、端端協(xié)作與實時應(yīng)用等方面還是難以滿足需求。因此，云計算難以滿足未來互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)或內(nèi)容分發(fā)以及實時或近實時應(yīng)用的需求，嚴(yán)重阻礙了新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展，人們尋求云計算的替代模式已經(jīng)成為必然。

而近端計算就好比是《西游記》中彌勒佛的法寶“后天袋”，可根據(jù)需要任意縮放，使計算或者存儲的處理和運行快速高效，最大限度降低云計算集中式處理帶來的延遲。

近端計算的基本原理就是“讓云離地面更近”，實質(zhì)上就是將云計算從集中式的大型數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展到離用戶距離較近的網(wǎng)絡(luò)邊緣，從而克服集中式處理的網(wǎng)絡(luò)瓶頸，提高終端用戶服務(wù)請求的處理速度和用戶體驗。在技術(shù)途徑上，可以在距離用戶較近的網(wǎng)絡(luò)邊緣部署專門服務(wù)器和設(shè)備或者小型的數(shù)據(jù)中心，也可以利用周邊空閑的服務(wù)器或者其他用戶終端上空閑的資源來進(jìn)行分散式的計算和存儲。很顯然，近端計算是云計算由集中走向分散式集中的一種自然擴(kuò)展，是Pc分散式計算模式的一種歷史性回歸。

云計算是由終端和云計算處理中心組成的二層架構(gòu)，而近端計算在中間增加了一層或多層計算，將原來的二層架構(gòu)擴(kuò)展到了三層或多層。一些計算和數(shù)據(jù)處理就近進(jìn)行處理，然后再發(fā)送到遠(yuǎn)端的云計算中心進(jìn)行進(jìn)一步處理。近端計算可以集中附近服務(wù)器或者終端節(jié)點的計算和存儲能力，因此可以認(rèn)為是一種小型的集中式處理。從執(zhí)行時序上看，云計算中所有計算和處理均在數(shù)據(jù)中心上進(jìn)行，終端必須等待云計算中心返回的處理結(jié)果才能進(jìn)行下一步的處理。而在近端計算中，由于兩級或者多級中心的存在，計算和存儲可以在多個中心上進(jìn)行并行處理。此外，計算、存儲或聯(lián)網(wǎng)等任務(wù)除了可以在服務(wù)器或微型數(shù)據(jù)中心上執(zhí)行外，還可以在終端本身或者周圍鄰近終端上進(jìn)行；終端與終端之間還可以組成對等和分散的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，合作完成某項計算、存儲或聯(lián)網(wǎng)等不同任務(wù)。近端計算并非簡單的將云計算擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，而是在體系結(jié)構(gòu)、計算和存儲執(zhí)行模式、服務(wù)控制、可用性等諸多方面與云計算存在根本性的區(qū)別，是云計算集中式處理技術(shù)的全面提升和進(jìn)化。

人口規(guī)模的巨大優(yōu)勢和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使我國具備無可匹敵的移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模，由此帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)也是艱巨而緊迫的。

面向市場需求解決實際問題，才能讓用戶滿意、讓企業(yè)滿意、讓國家產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展，讓各種“心塞”得到根治，這是周悅芝和其團(tuán)隊一直奉行的理念。

推動產(chǎn)業(yè)繼續(xù)前行，周悅芝團(tuán)隊仍在研究不輟。期待他們在“近端計算”領(lǐng)域，能夠帶來新的突破。endprint