邊緣計算的應用及未來挑戰(zhàn)

朱軍軍

昆船物流信息產業(yè)有限公司，中國·云南 昆明 650000

邊緣計算；應用；未來挑戰(zhàn)

1 引言

物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展使數(shù)據的增長速度大大增加，各種各樣的智能設備如智能眼鏡、智能手機等數(shù)量不斷增加，數(shù)據的增長速度已經超過了網絡帶寬的增速，這也對網絡計算和存儲能力提出了更高的要求。邊緣計算可以將網絡邊緣上的網絡存儲資源以及計算組成統(tǒng)一的平臺，為用戶提供可靠服務，有效處理數(shù)據庫，避免網絡帶寬和延遲的限制。在當前網絡建設過程中有著十分重要的應用前景，論文主要結合邊緣計算的應用以及未來挑戰(zhàn)進行闡述。

2 邊緣計算概述

2.1 邊緣計算定義

邊緣計算目前尚未有統(tǒng)一嚴格的定義，不同的研究者和科學家根據自身的角度來理解和闡述邊緣計算。美國某教授將邊緣計算描述為一種新的計算模式，可以將存儲、資源和計算部署在更貼近傳感器以及移動設備的網絡邊緣。還有的學者認為，邊緣計算指的是在網絡邊緣執(zhí)行計算的新型計算模式，上行數(shù)據表示萬物互聯(lián)服務，下行數(shù)據表示云服務，邊緣計算的邊緣指的是從數(shù)據源到云計算中心路徑之間的網絡資源以及任意計算?？偠灾嘘P邊緣計算的定義都強調避免計算是一種新型的計算模式，核心理念在于計算可以更貼近用戶，更靠近數(shù)據的源頭。邊緣計算中的貼近，首先可以表示網絡距離更近，可以有效避免網絡規(guī)模帶寬縮小、抖動以及延遲所造成的問題和故障。其次，也可以將這種貼近理解為空間距離更近，使用戶可以與邊緣計算的資源處在同一位置或者情景當中，為用戶提供個性化和針對性的服務[1]。

2.2 邊緣計算的產生背景

隨著信息時代的全面到來以及大數(shù)據技術的迅猛發(fā)展，云計算服務技術在當前各行各業(yè)中有著十分廣泛的應用價值。云計算服務作為一種集中式的服務，可以為人們提供更加準確和充足的數(shù)據支持。通過網絡可以將所有的數(shù)據傳輸?shù)皆朴嬎阒行倪M行處理，數(shù)據資源的高度整合以及集中使云計算具有較高的通用性。但是，隨著互聯(lián)網技術的進一步發(fā)展以及數(shù)據和物聯(lián)網的爆發(fā)式增長，基于云計算模型的聚合性服務，逐漸體現(xiàn)出在網絡制約實施性資源隱私保護方面的缺陷。

2.2.1 云計算過度依賴于網絡環(huán)境

雖然中國4G 網絡的覆蓋率已經高達九成以上，但是仍然存在一定的網絡盲區(qū)，無法保證網絡質量[2]。但是云計算數(shù)據的傳輸對于網絡的依賴較高，在這些缺乏網絡信號覆蓋的區(qū)域難以保證云計算服務的質量。

2.2.2 云計算實時性的要求難以得到保障

通過將全部數(shù)據上傳到云計算中心進行處理的方式為用戶提供服務，但是云計算的處理速度受中心計算能力、網絡帶寬以及總計算任務量等多種因素的影響，各個環(huán)節(jié)的時延累計以及請求至響應的鏈路較長，都可能會造成無法接受的處理時延[3]。

2.2.3 云計算對于資源量的要求較高

隨著數(shù)據量的不斷增加數(shù)據傳輸而造成的網絡流量開銷也不斷增大，這也對云計算中心的存儲功能和計算功能提出了較高的要求，造成了較大的能耗。同時，云計算系統(tǒng)也無法良好保證用戶的隱私，云計算數(shù)據的獲取可能會包含用戶隱私數(shù)據，例如，工廠內的生產數(shù)據以及家庭內的監(jiān)控攝像頭等，服務提供商對于數(shù)據的實際使用情況是不受法律約束和不透明的。例如，2017年8月華為技術有限公司被報道根據用戶的聊天內容自動加載天氣、地址等相關信息，嚴重侵犯了用戶的隱私權利。

邊緣計算的概念是為了彌補集中式云計算的不足而產生的，邊緣計算更靠近數(shù)據的源頭，融合了計算分析網絡應用存儲等核心能力，是一種分布式的開放平臺，可以為人們提供邊緣智能服務。邊緣計算傳輸鏈路相對較短，可以在數(shù)據產生測高效快捷的響應客戶和業(yè)務的需求，提升隱私保護程度。同時，邊緣計算能有效減少數(shù)據傳輸過程中和服務提供期間對網絡的依賴程度，在離線狀態(tài)下也能為人們提供基礎性的業(yè)務服務[4]。

3 邊緣計算的應用

隨著數(shù)據量的逐年增長，網絡傳輸?shù)拇罅康臄?shù)據會給網絡資源帶來極大的負擔。在此背景下，基于數(shù)據源頭以及附近進行數(shù)據的處理，并將有價值的數(shù)據通過網絡發(fā)送到遠程數(shù)據中心更有效率和意義，在很多應用場景下都取得了良好的效果，部分場景已經在歐洲電信標準化協(xié)會白皮書中進行了討論。同時，邊緣計算近期廣泛應用于醫(yī)療保健、車輛互聯(lián)、海洋監(jiān)測、智能建筑控制以及無線傳感器和執(zhí)行器網絡與邊緣計算結合的場景[5]。

3.1 為醫(yī)療保障提供輔助幫助

在醫(yī)療保健領域，邊緣計算的應用可以為醫(yī)療保障提供輔助幫助。例如，在具體中風患者案例當中，可以針對患者的實際情況進行輔助的醫(yī)療保健，通過智能醫(yī)療基礎設施的構建采取邊緣計算技術，利用智能手機和智能傳感器實時感應患者的運動檢測，同時也可以幫助健康顧問協(xié)助病人進行醫(yī)療干預，不會受到時間和空間的限制。邊緣計算也可以使智能手機從患者的智能傳感器收集具體的生理信息，將之發(fā)送到云服務器進行存儲、共享以及同步，使醫(yī)護人員能及時發(fā)現(xiàn)患者病情的變化，并為患者提供針對性的治療方案，減少醫(yī)療事故的發(fā)生，提高治療效果和治療質量。

3.2 為車輛提供便利

邊緣計算在車輛互聯(lián)中的應用主要是通過信息網絡為車輛提供便利，使車輛可以與道路上的其他車輛智能連接。如果將車輛收集到的數(shù)據全部上傳到終端處理，會造成互聯(lián)網負擔過大而影響傳輸效果，因此，邊緣設備的應用可以有效解決這個問題。通過邊緣設備本身具有的音頻視頻以及信號處理能力，提高信號傳輸?shù)馁|量和效率，電源設備可以為車輛互聯(lián)服務提供相應的服務支持、架構支持，解決互聯(lián)終端之間的數(shù)據延遲問題，使數(shù)據可以更好地被處理和分析，有效避免信號處理不及時而造成的車禍事故。一輛車可以通過車輛互聯(lián)系統(tǒng)與其他接近的車輛進行通信，并告知可能存在的交通擁堵現(xiàn)象以及風險問題，使行車更加安全和可靠。

3.3 對視頻流進行分析

邊緣計算在視頻流分析中的應用主要體現(xiàn)在車牌識別、家庭安全監(jiān)測控制以及人臉識別等領域。視頻流操作主要包括目標檢測以及目標分類，視頻分析算法通常計算精度和計算復雜度較高，因此可以從視頻捕獲設備如攝像機中移除分析工作以簡化設備的工作量，減少設備的運營成本。如果在云計算終端計算這些復雜度較高的任務，會造成視頻流分到核心網絡當中而消耗大量的網絡帶寬，將視頻流分析移到靠近邊緣設備的地方，有效解決系統(tǒng)延遲問題，而且可以避免大量視頻流上傳而造成的網絡擁塞現(xiàn)象。結合邊緣計算的視頻流分析系統(tǒng)，要求邊緣服務器具有視頻分析以及視頻管理的能力，將有價值的視頻片段或者截圖備份到云數(shù)據中心中，便可以完成視頻分析和存儲的任務，使視頻監(jiān)控數(shù)據的處理和優(yōu)化更加簡便、快捷。

4 邊緣計算的未來挑戰(zhàn)

邊緣計算應用的一個顯著優(yōu)勢是加快了網絡行動時間，并將響應速度大幅度的縮短，節(jié)省網絡資源，但是邊緣計算并不能全面取代云計算技術，邊緣計算可能會面臨著重大的配置挑戰(zhàn)、許可挑戰(zhàn)以及安全挑戰(zhàn)。

4.1 從配置挑戰(zhàn)的角度來看

從配置挑戰(zhàn)的角度來看，除非設備管理是可靠、集中和科學的，否則管理人員可能會無意中造成安全漏洞。如果未能更改每個邊緣設備上的默認密碼或者以一致的方式更新固件，會造成配置漂移問題而帶來安全問題，影響數(shù)據的可靠性和隱私度。

4.2 從挑戰(zhàn)的角度來看

從挑戰(zhàn)的角度來看，智能客戶端可能會有著隱藏的許可成本，雖然邊緣客戶端的基本版本最初價格較低，但是附加的功能可能會分開許可并增加價格。

4.3 從安全挑戰(zhàn)的角度來看

從安全挑戰(zhàn)的角度來看，邊緣計算的分布式架構增加了攻擊向量的次數(shù)，隨著邊緣客戶端越來越智能化，邊緣客戶端受到惡意軟件感染以及安全漏洞攻擊的概率也大大增加。

第一，在邊緣計算實際應用的過程中，需要重點解決計算面臨的安全性問題、互操作性問題、邊緣計算性能問題以及智能邊緣操作管理服務問題等。在邊緣計算架構的過程中不同層次的邊緣服務器計算能力也是各不相同的，負載分配將會成為一個嚴重的問題。在決定負載分配策略時，需要綜合考慮用戶需求、帶寬延遲成本以及能耗等相關指標，針對不同的工作負載設置指標的優(yōu)先級以及權重，使系統(tǒng)可以選擇最佳的分配策略。在運行過程中也需要做好成本分析工作，明確負載分發(fā)和完成過程中的干擾和資源使用情況。

第二，在邊緣計算的過程中，還需要加強對邊緣設備之間互操作性功能的完善和重視，這也是邊緣計算架構能大規(guī)模落地的群體，不同的設備商和供應商之間需要通過制定一致的標準規(guī)范和通用的協(xié)議，實現(xiàn)系統(tǒng)與異構邊緣設備之間的互操作性。

第三，還需要針對智能邊緣操作管理服務進行優(yōu)化，在通信不可靠以及傳感器數(shù)據不真實的情況下，系統(tǒng)需要綜合考慮歷史數(shù)據記錄，利用多維參考數(shù)據源提供可靠的服務。

5 結語

綜上所述，隨著物聯(lián)網已經成為新一代科技發(fā)展的制高點，邊緣計算可以為物聯(lián)網領域的實施服務響應以及海量數(shù)據傳輸?shù)忍魬?zhàn)工作提供新的解決方案，受到了中國外政府和科學界的一致重視和認可。論文通過對邊緣計算的產生背景、定義、架構以及應用和挑戰(zhàn)進行分析，指出邊緣計算的實際應用方法以及未來發(fā)展過程中需要注意的問題和事項，并針對邊緣計算在安防監(jiān)控領域以及預測性維護領域的應用和進展進行深入研究，希望能為邊緣計算項目的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供一定的參考，促進智能化社會的構建。