基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的邊緣計(jì)算研究

周紹景ZHOU Shao-jing；王毅WANG Yi；余雯YU Wen；孫土土SUN Tu-tu

（昆明冶金高等?？茖W(xué)校計(jì)算機(jī)信息學(xué)院，昆明650033）

0 引言

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展以及4/5G 網(wǎng)絡(luò)的普及，網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)量以及產(chǎn)生的應(yīng)用數(shù)據(jù)量都將飛速增長(zhǎng)。根據(jù)權(quán)威預(yù)測(cè)分析，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量有將近一半以上都將在網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行處理。在這樣的一種應(yīng)用場(chǎng)景之下，現(xiàn)有的分布式云計(jì)算模型為核心的集中式處理方式將不能快速、有效地處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。其主要的不足體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：①實(shí)時(shí)性問題。當(dāng)邊緣計(jì)算的實(shí)時(shí)性要求較高的時(shí)候，集中式處理方式將因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸延時(shí)而導(dǎo)致不能及時(shí)給出反饋，延誤了數(shù)據(jù)的處理時(shí)機(jī)。比較典型的例子為無人駕駛汽車等應(yīng)用。②帶寬不足問題。邊緣計(jì)算的海量級(jí)數(shù)據(jù)流量將給網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)載帶來極大的挑戰(zhàn)。③能耗問題。數(shù)據(jù)中心由于需要處理的用戶數(shù)據(jù)越來越多，能耗將會(huì)成為阻礙云計(jì)算中心化的發(fā)展的瓶頸。④安全性問題。由于物聯(lián)網(wǎng)與用戶生活的緊密關(guān)系，數(shù)據(jù)安全與隱私是不得不考慮的問題。與之相對(duì)的是，網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算模型有3 個(gè)較為突出的優(yōu)勢(shì)：①可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣處理臨時(shí)數(shù)據(jù)，而不必上傳到數(shù)據(jù)中心，這極大地減少了網(wǎng)絡(luò)寬負(fù)載和數(shù)據(jù)計(jì)算中心的能耗。②在靠近數(shù)據(jù)源處做數(shù)據(jù)處理與計(jì)算，極大地減少了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。③隱私數(shù)據(jù)可以不必上傳到數(shù)據(jù)中心，而是在邊緣設(shè)備上，較大地降低了數(shù)據(jù)泄露的安全風(fēng)險(xiǎn)。

物聯(lián)網(wǎng)作為熱門的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的方向，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與云計(jì)算密切相關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用終端負(fù)責(zé)原始數(shù)據(jù)采集與提交，相關(guān)信息的存儲(chǔ)和處理均由中心云平臺(tái)完成，然后響應(yīng)發(fā)送相關(guān)的動(dòng)作指令至物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端，完成應(yīng)用交互過程。但是這種應(yīng)用模式存在一些明顯的不足：①數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險(xiǎn)與威脅。數(shù)據(jù)在云端和設(shè)備之間往返傳輸，這直接導(dǎo)致隱私被泄漏的安全風(fēng)險(xiǎn)較高。②性能問題。物聯(lián)網(wǎng)的很多應(yīng)用領(lǐng)域依賴于實(shí)時(shí)響應(yīng)。但是基于中心化云計(jì)算平臺(tái)的應(yīng)用計(jì)算處理很大程度上依賴于設(shè)備本身與服務(wù)器之間的傳輸距離。③高企的運(yùn)營(yíng)成本。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用正不斷地產(chǎn)生大量應(yīng)用數(shù)據(jù)和不斷地?cái)U(kuò)大協(xié)同共享的規(guī)模，運(yùn)營(yíng)成本將進(jìn)一步提升，這對(duì)規(guī)?；\(yùn)營(yíng)增加極大的負(fù)擔(dān)。

1 邊緣計(jì)算發(fā)展歷程

邊緣計(jì)算最早在2003年的時(shí)候，就被AKMAAI 與IBM 的一份內(nèi)部報(bào)告《開發(fā)邊緣計(jì)算應(yīng)用》中提出。將經(jīng)歷了十余年的蟄伏之后，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展成熟，邊緣數(shù)據(jù)爆發(fā)式的幾何倍率增長(zhǎng)，為了解決數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算和存儲(chǔ)過程中，網(wǎng)絡(luò)帶寬負(fù)載和計(jì)算負(fù)載問題，研究人員開始考慮在數(shù)據(jù)源頭增加數(shù)據(jù)處理的能力。具有代表性的有移動(dòng)邊緣計(jì)算、霧計(jì)算和海云計(jì)算。移動(dòng)邊緣計(jì)算主要帶來了較低延時(shí)、高速網(wǎng)絡(luò)帶寬來提高對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和用戶端的體驗(yàn)度。思科公司提出的霧計(jì)算則為了緩解帶寬負(fù)載和能耗，減少了中心與用戶間的交互次數(shù)。其主要關(guān)注點(diǎn)在于分布式資源共享。海云計(jì)算則是由中國(guó)科學(xué)院提出，利用云計(jì)算系與海計(jì)算系統(tǒng)的協(xié)同與集成，提升傳統(tǒng)云計(jì)算的計(jì)算能力。從2015年之后，由于物聯(lián)網(wǎng)的逐步成熟，邊緣計(jì)算進(jìn)入了快速增長(zhǎng)期。各種基于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的邊緣計(jì)算研究廣泛開展。首部邊緣計(jì)算的書籍《邊緣計(jì)算出版》，在上海舉辦了以“邊緣計(jì)算，智能未來”為主題的邊緣智能主題論壇。以“由云到端的智能架構(gòu)”為主題的全國(guó)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)召開。CNCF 和Eclipse 基金會(huì)展開的合作，將超大規(guī)模的云計(jì)算模型引進(jìn)到邊緣計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景中。這些大事無一不昭示著邊緣計(jì)算的重要程度。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)問題

針對(duì)5G 海量通信、高可靠、低時(shí)延的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)云計(jì)算難以達(dá)到5G 的應(yīng)用要求。需融合云計(jì)算與邊緣計(jì)算的移動(dòng)邊緣計(jì)算架構(gòu)，在用戶終端提供計(jì)算服務(wù)和存儲(chǔ)服務(wù)。與云計(jì)算比，邊緣計(jì)算和云計(jì)算融合的“邊云協(xié)同”架構(gòu)降低時(shí)延和緩解擁塞等問題，實(shí)時(shí)性也更增強(qiáng)。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)還存在以下問題：①信息中心網(wǎng)絡(luò)（ICN）和MEC用于實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)終端設(shè)備附近進(jìn)行緩存與計(jì)算，但引出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和資源的部署難以實(shí)現(xiàn)的問題。所以解決大規(guī)模信息交換和移動(dòng)終端設(shè)備的要求，設(shè)計(jì)融合云計(jì)算與邊緣計(jì)算的MEC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以及在該架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)以內(nèi)容為中心的ICN 和MEC 相互促進(jìn)與結(jié)合，以便提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能急需要解決的問題之一。②為了更好地研制邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，詳細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化MEC 系統(tǒng)模塊和接口，規(guī)范接口的功能與定義，保證每一個(gè)模塊之間的信息交互方便地借助每一個(gè)各接口完成傳輸。

3 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、隔離技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)、邊緣操作系統(tǒng)、算法執(zhí)行框架、數(shù)據(jù)處理平臺(tái)以及安全和隱私等。邊緣計(jì)算對(duì)網(wǎng)絡(luò)有其特殊要求。首先，由于終端動(dòng)態(tài)性，請(qǐng)求者如何發(fā)現(xiàn)周邊服務(wù)是一個(gè)關(guān)鍵問題。其次，由于終端用戶的注冊(cè)、注銷、遷移等，會(huì)產(chǎn)生突然的大量數(shù)據(jù)。解決支持設(shè)備的快速配置比較突出。最后，邊緣計(jì)算對(duì)應(yīng)大量的服務(wù)，平衡各個(gè)服務(wù)器之間的負(fù)載，是核心問題。為解決該問題引入邊緣網(wǎng)絡(luò)，邊緣計(jì)算通過可靠的隔離技術(shù)來保證服務(wù)的可靠性和質(zhì)量。在云計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景下使用VM 和Docker 容器等技術(shù)進(jìn)行資源隔離。在體系結(jié)構(gòu)上采取通用計(jì)算和異構(gòu)計(jì)算硬件并存的模式，因此邊緣計(jì)算需要解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的問題。現(xiàn)有解決方案多以特定場(chǎng)景設(shè)計(jì)：邊緣操作系統(tǒng)方面，需對(duì)上處理大量異構(gòu)數(shù)據(jù)，對(duì)下管理異構(gòu)的計(jì)算資源，能在邊緣計(jì)算的計(jì)算任務(wù)部署、調(diào)度、遷移等?，F(xiàn)有機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS 及基于其實(shí)現(xiàn)的操作系統(tǒng)在目前的情境下，是邊緣計(jì)算場(chǎng)景中典型的操作系統(tǒng)。算法執(zhí)行框架方面，機(jī)器學(xué)習(xí)為代表的智能任務(wù)是實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算智能化的必要條件，而高效的算法執(zhí)行框架是實(shí)現(xiàn)的重要方法。執(zhí)行框架方面，從延遲、內(nèi)存占用量和能效等分析，現(xiàn)有的框架都沒有很好表現(xiàn)。因此執(zhí)行框架的提升空間較大。數(shù)據(jù)處理平臺(tái)方面，由于邊緣數(shù)據(jù)類型駁雜，海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行管理、分析和共享十分重要。在安全和隱私方面，雖邊緣計(jì)算將計(jì)算推近至用戶，降低了數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)，但在用戶端或用戶區(qū)域，仍有被攻擊風(fēng)險(xiǎn)。邊緣計(jì)算可采用已成熟的安全解決方案實(shí)施防護(hù)，包括非對(duì)稱密鑰、訪問控制策略等。此外采用硬件協(xié)助的安全方式。

4 邊緣計(jì)算問題及關(guān)鍵技術(shù)

邊緣計(jì)算仍存在亟需解決的問題。首先，動(dòng)態(tài)調(diào)度問題。云計(jì)算中心與邊緣設(shè)備之間、邊緣設(shè)備之間，如何能夠按需進(jìn)行調(diào)度，在節(jié)約帶寬、計(jì)算性能的同時(shí)獲取最大化的資源利用。其次，與垂直行業(yè)之間的結(jié)合問題。在邊緣計(jì)算模型下更貼近數(shù)據(jù)源，與垂直行業(yè)更加緊密。這要求要對(duì)垂直行業(yè)有較高了解，如何設(shè)計(jì)出下沉可用的系統(tǒng)，邊緣節(jié)點(diǎn)落地的問題。

由于物聯(lián)網(wǎng)是由多種信息技術(shù)相互融合從而產(chǎn)生的萬物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用技術(shù)，融合產(chǎn)生的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)產(chǎn)生大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)，異構(gòu)特征是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的顯現(xiàn)特征，這種異構(gòu)特征決定了在對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的過程中，需要對(duì)各種關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效地融合，才能在各種終端設(shè)備收集到的異質(zhì)數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一化或整合，最終帶來實(shí)際應(yīng)用價(jià)值?！耙苿?dòng)邊緣計(jì)算”將Internet 計(jì)算和存儲(chǔ)能力從過去的以云為中心的延展到了更加“偏遠(yuǎn)”的用戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)終端。雖然MEC 不在較多的優(yōu)勢(shì)，但是MEC要滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低時(shí)延、高能效、高可靠的應(yīng)用需求，終端邊緣計(jì)算將計(jì)算和存儲(chǔ)能力延伸到更加靠近用戶端的架構(gòu)。雖MEC 優(yōu)勢(shì)較多，但MEC 滿足萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，仍面臨挑戰(zhàn)：1）利用邊緣計(jì)算并結(jié)合終端計(jì)算作業(yè)任務(wù)的屬性設(shè)計(jì)出的流量卸載或計(jì)算卸載工作機(jī)制，在計(jì)算卸載時(shí)確定是否需要中心云計(jì)算平臺(tái)完成計(jì)算以及挑選出需要中心云計(jì)算的任務(wù)是解決的關(guān)鍵問題。2）用戶請(qǐng)求具有集中性問題且相似度高的內(nèi)容會(huì)在不同時(shí)間段內(nèi)被重復(fù)請(qǐng)求。因此，利用緩存方法將相似度高的請(qǐng)求處理緩沖存儲(chǔ)至基站以便減少內(nèi)容下載的響應(yīng)時(shí)延，是降低網(wǎng)絡(luò)回傳負(fù)載的主要措施。所以設(shè)計(jì)出有效的緩存策略及存儲(chǔ)處理工作機(jī)制并提升緩存命中率也是研發(fā)重點(diǎn)。

5 結(jié)語

邊緣計(jì)算通過幾年的發(fā)展，已經(jīng)取得了一些成果，得到了業(yè)界廣泛重視和認(rèn)可。未來，在各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展必將使得邊緣計(jì)算更好的開花結(jié)果。自其提出以來，短短數(shù)年時(shí)間就已經(jīng)獲得了如此成就，相信未來它能夠產(chǎn)生更大的作用，為各個(gè)行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。邊緣計(jì)算在各領(lǐng)域的發(fā)展必將使得邊緣計(jì)算進(jìn)一步發(fā)展，未來它為各個(gè)行業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。另外，基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的測(cè)試床研發(fā)時(shí)應(yīng)考慮：網(wǎng)絡(luò)控制器的架構(gòu)與設(shè)計(jì)、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)與設(shè)計(jì)、安全防御解決方案、通用性和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)評(píng)問題等需要進(jìn)一步研究。