基于邊緣計(jì)算的物端系統(tǒng)挑戰(zhàn)與愿景

彭曉暉 徐志偉

摘要：針對(duì)物端計(jì)算系統(tǒng)面臨的“昆蟲綱悖論”和“數(shù)據(jù)過于集中”2大生態(tài)問題，從計(jì)算系統(tǒng)的角度，討論分析了其在系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用層協(xié)議、資源管理、開發(fā)與運(yùn)行時(shí)、計(jì)算負(fù)載調(diào)度5個(gè)方面面臨的挑戰(zhàn)。提出了物端控域計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)愿景，即將物端計(jì)算系統(tǒng)劃分為具有相同或兼容管理策略的控域，并將每個(gè)域看作一臺(tái)分布式計(jì)算機(jī)，為其設(shè)計(jì)物端信息總線架構(gòu)原型。

關(guān)鍵詞：邊緣計(jì)算;物端計(jì)算;物端控域計(jì)算機(jī);體系架構(gòu);應(yīng)用層協(xié)議

Abstract： To address the two ecosystem problems of things system： “Paradox of Classis Insecta” and “Centralized Data”， five challenges of things system in perspective of computing system are discussed in this paper. These challenges include system architecture， application protocol， resource management， application development and runtime environment， and computing payload scheduling. Then， the design vision of the physical-zone-of-control computer is put forward， which divides things system into multiple zones of control with same or compatible management policy. The physical information bus architecture prototype which regards every zone as the distributed computer is finally proposed.

Key words： edge computing; things computing; physical zone of control computer; system architecture; application protocol

1 物端系統(tǒng)的背景

1.1 萬物互聯(lián)與物端計(jì)算系統(tǒng)

信息技術(shù)正在進(jìn)入人機(jī)物三元計(jì)算的萬物互聯(lián)新時(shí)代，計(jì)算設(shè)備正在被賦予了各種具體的形態(tài)并融入到物理環(huán)境中[1]，我們稱這樣的設(shè)備為物端設(shè)備，例如溫濕度傳感器、攝像頭等。物端設(shè)備正以指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的方式連入互聯(lián)網(wǎng)，形成物端計(jì)算系統(tǒng)，是邊緣計(jì)算[2]的重要組成部分。物端系統(tǒng)不斷地從物理世界感知多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)叫畔⑹澜邕M(jìn)行計(jì)算，信息世界數(shù)據(jù)處理的結(jié)果也通過其反饋到物理世界，物端系統(tǒng)是感知和控制數(shù)據(jù)的出入口，是未來人機(jī)物三元計(jì)算空間的咽喉要塞。物端計(jì)算系統(tǒng)天生位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，具有天然的近數(shù)據(jù)源優(yōu)勢(shì)。將計(jì)算遷移至物端系統(tǒng)可以大幅減少網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗，縮短應(yīng)用響應(yīng)延遲和保護(hù)用戶數(shù)據(jù)安全和隱私。

物端計(jì)算機(jī)的顯著特征是需要與物理世界進(jìn)行交互，不斷地感知物理世界狀態(tài)，并通過反饋控制改變物理世界狀態(tài)。例如，空氣凈化器可以根據(jù)小于2.5 μm的細(xì)顆粒物（PM 2.5）傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)整凈化器的凈化強(qiáng)度，直至達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)。這是人機(jī)物三元空間中典型的感知-計(jì)算-控制循環(huán)，也是未來萬物互聯(lián)時(shí)代的基本計(jì)算模式之一。其中，控制環(huán)節(jié)可以是系統(tǒng)根據(jù)某種策略或算法自動(dòng)執(zhí)行，或由用戶根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇控制動(dòng)作。

在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，由于物端計(jì)算機(jī)的軟硬件平臺(tái)還未完全準(zhǔn)備好計(jì)算負(fù)載遷移至離環(huán)境和人更近的物端上，該循環(huán)的計(jì)算環(huán)節(jié)通常在云端進(jìn)行，造成應(yīng)用的響應(yīng)延遲和不確定性。人機(jī)物三元計(jì)算環(huán)境中，大量的應(yīng)用對(duì)實(shí)時(shí)性有較為苛刻的要求。我們?cè)诶脕嗰R遜的Alex語音控制打開臥室照明燈的實(shí)驗(yàn)中，每次開燈平均耗時(shí)3 s以上[3]。如圖1所示，智能音箱采集的語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诿绹?guó)的亞馬遜云計(jì)算服務(wù)中心進(jìn)行解析，識(shí)別出的開燈命令發(fā)送到位于新加坡的設(shè)備控制服務(wù)器，通過應(yīng)用程序編程接口（API）打開位于本地的照明設(shè)備。由于數(shù)據(jù)通路過長(zhǎng)，云計(jì)算模式顯著增加了開燈操作的時(shí)延和不確定性。

1.2 物端計(jì)算系統(tǒng)的生態(tài)問題

物端計(jì)算系統(tǒng)面臨的第一個(gè)生態(tài)問題是數(shù)據(jù)過于集中。隨著聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備不斷增加，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也是呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）預(yù)測(cè)，到2025年，全球數(shù)據(jù)年產(chǎn)量將達(dá)160 ZB，其中75%以上是產(chǎn)生于網(wǎng)絡(luò)邊緣和物端設(shè)備[4]。近年來人工智能和大數(shù)據(jù)的發(fā)展顯示了用戶數(shù)據(jù)在下一代信息系統(tǒng)中的重要作用，以至于被譽(yù)為信息時(shí)代的“新石油”。然而各大設(shè)備廠商均將物端設(shè)備感知到的用戶數(shù)據(jù)收集到私有或公有的云計(jì)算中心存儲(chǔ)和分析。邊緣計(jì)算、霧計(jì)算和物端計(jì)算等新的計(jì)算模式均旨在將云計(jì)算中心的負(fù)載向下遷移，這種遷移目的之一也是為了解決數(shù)據(jù)過于集中的問題。萬維網(wǎng)（Web）發(fā)明者Tim Breners-Lee在2018年提出了去中心化平臺(tái)Solid，以解決數(shù)據(jù)過于集中帶來的一系列問題。

物端計(jì)算系統(tǒng)面臨的另外一大生態(tài)問題是昆蟲綱悖論[1]，即物端設(shè)備的種類像昆蟲一樣繁多，其本質(zhì)描述的是系統(tǒng)的多樣性和無序性。多樣性體現(xiàn)在應(yīng)用場(chǎng)景、芯片架構(gòu)、硬件接口、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、編程模式、通信協(xié)議等多個(gè)方面。這造成了物端計(jì)算機(jī)應(yīng)用開發(fā)、部署和運(yùn)維十分困難，程序員通常需要熟練掌握從硬件選型、軟件開發(fā)到通信協(xié)議選擇的全棧知識(shí)，才能研發(fā)出高效、可靠的新產(chǎn)品。無序性表現(xiàn)在系統(tǒng)的架構(gòu)、設(shè)計(jì)方法、編程模式等方面。由于缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計(jì)和編程方法，物端應(yīng)用變得十分碎片化，設(shè)備之間難以協(xié)同計(jì)算，從而對(duì)人機(jī)物三元空間人的行為做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

[8] BORMANN C， CASTELLANI A P， SHELBY Z. CoAP： An Application Protocol for Billions of Tiny Internet Nodes [J]. IEEE Internet Computing， 2012， 16（2）： 62-67. DOI：10.1109/mic.2012.29

[9] XU Z， CHAO L， PENG X. T-REST： An Open-Enabled Architectural Style for the Internet of Things [J]. IEEE Internet of Things Journal.2019. DOI： 10.1109/JIOT.2018.2875912

[10] HUNKELER U， TRUONG H L， STANFORD-CLARK A. MQTT-S — A Publish/Subscribe Protocol for Wireless Sensor Networks[C]// 2008 3rd International Conference on Communication Systems Software and Middleware and Workshops （COMSWARE '08）. India： IEEE， 2008. DOI： 10.1109/COMSWA.2008.4554519

[11] SHELLY Z， BORMANN C. 6LoWPAN： The Wireless Embedded Internet [M]. USA： Wiley， 2009

作者簡(jiǎn)介

彭曉暉，日本東京大學(xué)博士畢業(yè)，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所副研究員、碩導(dǎo);現(xiàn)主要從事物端計(jì)算系統(tǒng)的編程方法、應(yīng)用協(xié)議與系統(tǒng)架構(gòu)研究，研究方向?yàn)榉植际较到y(tǒng)、邊緣計(jì)算等;主持和參與了數(shù)項(xiàng)國(guó)家、部委級(jí)研究課題;發(fā)表論文近20篇。

徐志偉，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研究員、博士生導(dǎo)師、學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授，CCF會(huì)士，曾擔(dān)任國(guó)家自然科學(xué)基金委信息科學(xué)部專家咨詢委員會(huì)委員，《IEEE TC》《IEEE TSC》等多個(gè)國(guó)際著名期刊的編委等;主要研究領(lǐng)域?yàn)楦咝阅苡?jì)算機(jī)、分布式計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算與系統(tǒng)軟件，近年來主要從事邊緣計(jì)算、海云計(jì)算系統(tǒng)的研究，并提出了物端計(jì)算方向;曾獲國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、國(guó)家科學(xué)進(jìn)步二等獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院優(yōu)秀青年科學(xué)家獎(jiǎng)、中國(guó)科學(xué)院百人計(jì)劃資助、中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)等，2007年獲中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)“王選獎(jiǎng)”;發(fā)表論文100余篇、專著3部。