邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究與分析

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，更為頻繁的人機(jī)交互、指數(shù)式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量、持續(xù)增加的終端種類和不斷涌現(xiàn)的服務(wù)場(chǎng)景，對(duì)傳輸帶寬、時(shí)效性、異構(gòu)接入等提出了更高要求。邊緣計(jì)算在靠近物或數(shù)據(jù)源的一側(cè)，就近提供近端網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)一般是“端、網(wǎng)、云”三層架構(gòu)：端，包括感知設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備和通信控制網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制；網(wǎng)，包括2/3/4G、Wi-Fi、NB-IoT、光寬等技術(shù)的泛在連接網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸；云，包括云主機(jī)、負(fù)載、云服務(wù)等，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理，提供應(yīng)用服務(wù)。因此，很有必要在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的不同層次引入邊緣計(jì)算，以滿足海量異構(gòu)設(shè)備快速接入，服務(wù)迅速響應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)效能提高等新需求。

目前國(guó)內(nèi)不少學(xué)者開(kāi)展邊緣計(jì)算研究，文獻(xiàn)[1-4]介紹邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、開(kāi)源項(xiàng)目和應(yīng)用展望等，文獻(xiàn)[5-6]介紹移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）的標(biāo)準(zhǔn)情況、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用場(chǎng)景。但是缺乏整體介紹引入邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、不同層次邊緣計(jì)算的技術(shù)方案，以及邊緣計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題。本文基于此，開(kāi)展進(jìn)一步的介紹、分析和總結(jié)。

2 引入邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)

如圖1所示，在物聯(lián)網(wǎng)的端、網(wǎng)、云三層引入邊緣計(jì)算，形成端邊緣、網(wǎng)邊緣和云邊緣三類物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算：

（1）端邊緣，在端層引入邊緣計(jì)算，提供數(shù)據(jù)本地解析、分析、決策和設(shè)備聯(lián)動(dòng)等服務(wù)。

（2）網(wǎng)邊緣，在網(wǎng)層引入邊緣計(jì)算，提供數(shù)據(jù)分流、IaaS、PaaS和SaaS級(jí)的數(shù)據(jù)或應(yīng)用服務(wù)。

（3）云邊緣，云層引入邊緣計(jì)算，負(fù)責(zé)云服務(wù)間的數(shù)據(jù)協(xié)同、解析和交互等公共服務(wù)。

通常情況下，端邊緣由物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商提供，網(wǎng)邊緣由電信運(yùn)營(yíng)商提供，云邊緣則由云計(jì)算服務(wù)商提供。

圖1 引入邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)變化

2.1 端邊緣

物聯(lián)網(wǎng)的端邊緣技術(shù)方案如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（攝像頭、門禁、空氣監(jiān)測(cè)儀、水質(zhì)監(jiān)測(cè)器等）通過(guò)藍(lán)牙、NFC、ZigBee、Wi-Fi和有線等方式接入邊緣網(wǎng)關(guān)，邊緣網(wǎng)關(guān)提供網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制以及邊緣服務(wù)，云端提供邊緣網(wǎng)關(guān)管理（邊緣網(wǎng)關(guān)的升級(jí)優(yōu)化、參數(shù)配置、資源分配和服務(wù)部署等）、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)。邊緣網(wǎng)關(guān)提供的邊緣服務(wù)包括但不限于：

（1）本地暫存，數(shù)據(jù)緩存在本地，通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)再次上報(bào)，防止數(shù)據(jù)丟失。

（2）本地聯(lián)動(dòng)，基于規(guī)則實(shí)現(xiàn)快速控制本地設(shè)備（比如，氨氣濃度過(guò)高，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)通風(fēng)），以及本地設(shè)備間的快速聯(lián)動(dòng)（比如，開(kāi)門和開(kāi)燈聯(lián)動(dòng)），防止斷網(wǎng)時(shí)設(shè)備云端控制、云端聯(lián)動(dòng)無(wú)法執(zhí)行。

（3）數(shù)據(jù)分析，使用數(shù)據(jù)過(guò)濾、聚合計(jì)算、異常檢測(cè)、數(shù)據(jù)排序等技術(shù)分析流式數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過(guò)濾、清洗、加工、聚合、質(zhì)量?jī)?yōu)化（剔除壞數(shù)據(jù)）后再上云，減少數(shù)據(jù)傳輸成本和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化；

（4）數(shù)據(jù)分發(fā)，基于預(yù)定義規(guī)則、路由信息和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其它設(shè)備、邊緣網(wǎng)關(guān)。

（5）協(xié)議適配，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，以及對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（比如，按照模板將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指定格式）。

（6）安全服務(wù)，包括身份安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全和系統(tǒng)安全四方面，由于邊緣網(wǎng)關(guān)計(jì)算能力有限，安全服務(wù)要求輕量化。身份安全，主要是海量設(shè)備接入的身份認(rèn)證；數(shù)據(jù)安全，包括數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)防篡改、數(shù)據(jù)脫敏等；網(wǎng)絡(luò)安全，包括網(wǎng)絡(luò)異常行為識(shí)別、DDoS防護(hù)等；系統(tǒng)安全，包括進(jìn)程異常檢測(cè)、異常事件監(jiān)測(cè)等。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)端邊緣方案

2.2 網(wǎng)邊緣

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)邊緣服務(wù)，目前多指移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）服務(wù)。MEC服務(wù)的部署形態(tài)，除了文獻(xiàn)[5]提出的4G網(wǎng)絡(luò)下MEC服務(wù)器以獨(dú)立設(shè)備部署在無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)側(cè)、4G網(wǎng)絡(luò)下MEC服務(wù)器與PGW部署、4G網(wǎng)絡(luò)下MEC服務(wù)器和DGW部署和5G MEC四種形態(tài)之外，還有固移融合接入的MEC。目前，大力推進(jìn)的只有5G MEC，固移融合接入的MEC正在探索實(shí)踐中，其它部署形態(tài)的MEC業(yè)界關(guān)注較少。

5G MEC結(jié)合UPF的邊緣技術(shù)方案如圖3所示，是目前電信運(yùn)營(yíng)商正在推廣和試點(diǎn)的5G MEC方案。此方案中，MEC管理平臺(tái)負(fù)責(zé)MEC服務(wù)管理、服務(wù)部署和規(guī)則配置；MEC服務(wù)負(fù)責(zé)提供IaaS、PaaS、SaaS級(jí)的數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)；邊緣UPF負(fù)責(zé)按照MEC管理平臺(tái)配置的數(shù)據(jù)分流規(guī)則，將流量轉(zhuǎn)發(fā)至MEC服務(wù)；通過(guò)三個(gè)步驟為用戶提供服務(wù)：

（1）MEC應(yīng)用部署，MEC管理平臺(tái)為用戶分配MEC服務(wù)能力，并將用戶應(yīng)用部署到MEC服務(wù)上。

（2）分流規(guī)則配置，用戶在MEC管理平臺(tái)上配置分流規(guī)則，經(jīng)PCF、SMF，下發(fā)到邊緣UPF。

（3）數(shù)據(jù)分流，邊緣UPF根據(jù)分流規(guī)則，將本地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到MEC服務(wù)或集中UPF；MEC服務(wù)處理完數(shù)據(jù)以后，直接響應(yīng)或通過(guò)SD-WAN、入云專線將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

圖3 5G UPF/MEC方案

2.3 云邊緣

云邊緣，業(yè)界研究較少。本文認(rèn)為云邊緣是云服務(wù)在邊緣側(cè)的延伸，邏輯上仍是云服務(wù)，提供的能力依賴于云服務(wù)或需要與云服務(wù)緊密協(xié)同。其提供的服務(wù)包括多維多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、基于輕量深度學(xué)習(xí)的模型訓(xùn)練、圖像識(shí)別、視頻識(shí)別等。

3 對(duì)比分析

端邊緣、網(wǎng)邊緣和云邊緣是邊緣計(jì)算的三種形態(tài)，都是在靠近數(shù)據(jù)源側(cè)提供近端服務(wù)；不過(guò)它們?cè)诜?wù)能力、功能和作用等方面都有所不同，具體如表1所示。端邊緣，服務(wù)能力一般，提供的服務(wù)側(cè)重于設(shè)備管理、數(shù)據(jù)本地預(yù)處理，可以看作是設(shè)備能力的擴(kuò)展。網(wǎng)邊緣，服務(wù)能力較強(qiáng)，提供類似于云計(jì)算的IaaS、PaaS和SaaS服務(wù)，可以看作是云服務(wù)能力的下沉。云邊緣，服務(wù)能力強(qiáng)，提供的是公共云服務(wù)，可以看作是云服務(wù)能力的前置。

表1 端邊緣、網(wǎng)邊緣和云邊緣的多維對(duì)比

應(yīng)用場(chǎng)景方面，端邊緣可以廣泛應(yīng)用到需要采集設(shè)備數(shù)據(jù)、控制/聯(lián)動(dòng)設(shè)備和自組網(wǎng)的本地服務(wù)場(chǎng)景，比如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的制造自動(dòng)化，農(nóng)業(yè)的養(yǎng)殖自動(dòng)化等，適用于本地設(shè)備聯(lián)動(dòng)、本地?cái)?shù)據(jù)清洗和區(qū)域組網(wǎng)；網(wǎng)邊緣更多的是應(yīng)用到區(qū)域服務(wù)場(chǎng)景，比如園區(qū)綜合治理、社區(qū)管理以及車聯(lián)網(wǎng)等，適用于數(shù)據(jù)的區(qū)域治理；云邊緣則偏向于通用的云服務(wù)場(chǎng)景，比如視頻融合、消息轉(zhuǎn)發(fā)等，適用于數(shù)據(jù)的云端預(yù)處理。

4 發(fā)展挑戰(zhàn)

通過(guò)分析，可以看到物聯(lián)網(wǎng)引入邊緣計(jì)算，豐富了物聯(lián)網(wǎng)的端、網(wǎng)和云能力，可以為各種場(chǎng)景提供靠近數(shù)據(jù)源的不同層次的服務(wù)能力。產(chǎn)業(yè)屆對(duì)邊緣計(jì)算在消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧園區(qū)、智慧城市等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用寄予厚望。但是，現(xiàn)階段邊緣計(jì)算面臨諸多挑戰(zhàn)，限制了邊緣計(jì)算的快速發(fā)展。面臨的挑戰(zhàn)，除了文獻(xiàn)[4]中提出的技術(shù)尚未成熟、體積架構(gòu)亟需統(tǒng)一、安全隱私存在挑戰(zhàn)之外，還包括：

（1）收費(fèi)方式、商業(yè)模式不清晰。國(guó)內(nèi)典型的端邊緣服務(wù)有百度的智能邊緣BIE和阿里云的物聯(lián)網(wǎng)邊緣服務(wù)，前者正在公測(cè)，收費(fèi)方式商業(yè)模式未知；后者暫時(shí)不收費(fèi)，主要是作為一個(gè)輔助功能，拉動(dòng)阿里物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺(tái)的消息數(shù)量。網(wǎng)邊緣5G MEC的商業(yè)模式，文獻(xiàn)[7]提出了5種商業(yè)模式——“基礎(chǔ)設(shè)施資源的方式銷售5G邊緣計(jì)算服務(wù)”、“以能力開(kāi)放、按照API的不同性質(zhì)采用不同收費(fèi)模式”、“直接以應(yīng)用的方式銷售”、“按照量化指標(biāo)銷售”以及“與其它電信服務(wù)整合銷售”，商業(yè)模式豐富。但現(xiàn)實(shí)中，更多的是按照算力和存儲(chǔ)的大小，以及是否需要分流功能探索收費(fèi)方式。云邊緣服務(wù)目前商業(yè)模式比較單一，基本上采用按調(diào)用量收費(fèi)。

（2）業(yè)務(wù)需求不夠強(qiáng)烈。統(tǒng)一的、開(kāi)放的端邊緣服務(wù)目前需求不強(qiáng)，更多的是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商在網(wǎng)關(guān)里自實(shí)現(xiàn)端邊緣的數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)清洗、協(xié)議適配和本地聯(lián)動(dòng)等服務(wù)中的若干項(xiàng)；并且端邊緣提供的服務(wù)，能力較弱，難以滿足不同行業(yè)的數(shù)據(jù)處理要求。5G MEC服務(wù)可以應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的智慧園區(qū)、智慧社區(qū)等場(chǎng)景，但實(shí)際上社區(qū)、園區(qū)可能僅僅需要邊緣UPF將流量導(dǎo)到自建的邊緣服務(wù)器，而不是電信運(yùn)營(yíng)商提供的5G MEC。云邊緣的場(chǎng)景不夠豐富，并且其本質(zhì)上是云服務(wù)，邊緣作用體現(xiàn)不夠強(qiáng)。此外，邊緣計(jì)算可以應(yīng)用到計(jì)算密集型應(yīng)用（AR/VR）、車聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景，但是AR/VR、車聯(lián)網(wǎng)等新型場(chǎng)景本身正處于摸索發(fā)展階段，邊緣計(jì)算需求不強(qiáng)。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)存在困難。主要是針對(duì)網(wǎng)邊緣，包括：機(jī)房規(guī)模、供電等條件參差不齊，機(jī)房改造困難；機(jī)房改造需跟邊緣計(jì)算設(shè)備、通用硬件協(xié)同，改造流程復(fù)雜；邊緣服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)與機(jī)房管理能力參差不齊，管理難度大。物聯(lián)網(wǎng)在端網(wǎng)云引入邊緣計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算能力、數(shù)據(jù)處理能力將不斷豐富、不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景也將越來(lái)越智能化、高效化。但是，目前邊緣計(jì)算存在商業(yè)模式不清晰、業(yè)務(wù)需求不夠強(qiáng)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難等方面的問(wèn)題。只有產(chǎn)業(yè)界共同努力解決這些問(wèn)題，邊緣計(jì)算方能在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代大顯身手。

5 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，本文提出“端邊緣”“網(wǎng)邊緣”和“云邊緣”三類邊緣概念，給出三類邊緣服務(wù)的方案，分析它們的能力、功能和應(yīng)用場(chǎng)景，并總結(jié)實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題。通過(guò)研究分析，我們可以發(fā)現(xiàn)