基于輕量級(jí)邊緣計(jì)算架構(gòu)研究

◆寇應(yīng)展 陳財(cái)森 通訊作者 閆凌森

（1.陸軍裝甲兵學(xué)院 北京 100072；2.西南交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院 四川 611756）

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G 等技術(shù)的推進(jìn)，物端用戶對(duì)信息采集、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)。受限于邊緣設(shè)備，其計(jì)算能力、功耗往往不能在本地執(zhí)行。傳統(tǒng)的云計(jì)算中，需要將物端完成的任務(wù)上傳到云平臺(tái)，由云平臺(tái)處理后返回物端。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以云計(jì)算為平臺(tái)，物端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫颂幚硪呀?jīng)無(wú)法滿足物聯(lián)網(wǎng)低響應(yīng)時(shí)延的要求，云端服務(wù)器集中存儲(chǔ)方式隨著物端傳感器節(jié)點(diǎn)增多，面臨存儲(chǔ)、傳輸與計(jì)算的壓力；同時(shí)，因傳輸?shù)皆贫朔?wù)器的路徑較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)的丟失、信息泄露等安全風(fēng)險(xiǎn)也逐漸凸顯。特別是在野外環(huán)境下，物端設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)采集等工作面臨著環(huán)境多變、資源受限、數(shù)據(jù)易丟包等困難，出現(xiàn)過(guò)度響應(yīng)延遲，嚴(yán)重阻礙對(duì)突發(fā)事件的快速態(tài)勢(shì)感知和應(yīng)急處理等問題。

2 邊緣計(jì)算架構(gòu)體系結(jié)構(gòu)

2.1 邊緣計(jì)算概念

邊緣計(jì)算（Edge Computing）是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣靠近物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端（物端設(shè)備）的新型計(jì)算模型，將傳統(tǒng)云計(jì)算中心的部分或全部計(jì)算任務(wù)遷移到設(shè)備端一側(cè)，就近提供邊緣服務(wù)，滿足時(shí)敏聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。相比于傳統(tǒng)的云計(jì)算模型，邊緣計(jì)算是指靠近物端設(shè)備的小型“云”處理中心，即在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行計(jì)算處理和存儲(chǔ)，邊緣計(jì)算模型具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析、安全性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)以及低傳輸帶寬的優(yōu)勢(shì)。

邊緣計(jì)算平臺(tái)在本地設(shè)備上處理更多數(shù)據(jù)而不是將其上傳至云計(jì)算中心實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，減少與云計(jì)算平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸及延遲，降低云計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算負(fù)載；邊緣計(jì)算平臺(tái)在邊緣設(shè)備和云計(jì)算平臺(tái)之間協(xié)調(diào)服務(wù)、處理、存儲(chǔ)，使得其安全性提高；同時(shí)邊緣計(jì)算提供更便捷的可擴(kuò)展性路徑，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和邊緣計(jì)算平臺(tái)的組合來(lái)擴(kuò)展其計(jì)算能力，添加新設(shè)備對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求影響較??；接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物端設(shè)備接收信息，物端設(shè)備根據(jù)自己的實(shí)時(shí)位置把相關(guān)位置信息和數(shù)據(jù)交給邊緣節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行處理，邊緣計(jì)算平臺(tái)以此信息發(fā)現(xiàn)設(shè)備的位置，物端設(shè)備收集的數(shù)據(jù)在本地設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理、計(jì)算分析。

邊緣計(jì)算擁有聯(lián)接性和約束性等特點(diǎn)。聯(lián)接性表現(xiàn)在邊緣計(jì)算作為連接物理設(shè)備的第一接口，面臨數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、多樣性等挑戰(zhàn)。由于物端設(shè)備的多樣性以及應(yīng)用場(chǎng)景的差異性，需要邊緣計(jì)算平臺(tái)具有超強(qiáng)的聯(lián)接能力，能夠提供兼容的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)接口，兼容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理，同時(shí)還要考慮與常用的各種工業(yè)總線互聯(lián)互通；約束性表現(xiàn)在靠近數(shù)據(jù)源頭，野外現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣、運(yùn)行環(huán)境易受干擾，要求邊緣計(jì)算產(chǎn)品適配各種條件約束，以支撐多樣性場(chǎng)景需求。

解決傳統(tǒng)云計(jì)算平臺(tái)局限的方案中，還衍生出一種由美國(guó)思科提出的霧計(jì)算（Fog Computing）的解決方案，相對(duì)于邊緣計(jì)算，霧計(jì)算解決方案是將采集的數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，在物理層級(jí)上，霧計(jì)算是位于云計(jì)算的下層，位于邊緣計(jì)算的上層。

霧計(jì)算解決方案是在傳統(tǒng)云計(jì)算平臺(tái)與物端設(shè)備間提供虛擬化計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的通信協(xié)議和設(shè)備的平臺(tái)。軟件結(jié)構(gòu)分為抽象層、編排層、服務(wù)層，抽象層對(duì)下連接物端設(shè)備，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在路由器、交換機(jī)、無(wú)線控制器、網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，向編排層隱藏物端設(shè)備的差異性；編排層利用抽象層的API 接口構(gòu)建霧計(jì)算資源池和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施；服務(wù)層作為虛擬機(jī)實(shí)例，向編排層發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求。可以將邊緣計(jì)算、霧計(jì)算理解為靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣以及物端的“小云”。邊緣計(jì)算相比于霧計(jì)算更加靠近用戶設(shè)備。隨著技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)移動(dòng)邊緣計(jì)算等概念，它指部署在基站上為覆蓋區(qū)域內(nèi)設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的邊緣計(jì)算。

2.2 邊緣計(jì)算架構(gòu)

邊緣計(jì)算通過(guò)在物端設(shè)備和云之間引入邊緣設(shè)備，將云服務(wù)中計(jì)算、存儲(chǔ)等服務(wù)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣靠近物端的位置。邊緣計(jì)算架構(gòu)包括前端（物端層）、近端（邊緣層）和遠(yuǎn)端（云層）[1]。

（1）前端（物端層）。物端層最接近物端設(shè)備，通過(guò)各種協(xié)議與物端傳感器相連，通過(guò)傳感器等設(shè)備，采集、監(jiān)控物端設(shè)備的特征數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)上傳至近端（邊緣計(jì)算層）進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)。

（2）近端（邊緣層）。邊緣層介于遠(yuǎn)端與前端之間，靠近前端位置，位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，由許多邊緣節(jié)點(diǎn)組成，通常包括采集單元如單板計(jì)算機(jī)，連接、交換設(shè)備如交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)、接入點(diǎn)、基站，存儲(chǔ)設(shè)備如特定功能邊緣服務(wù)器等。

（3）遠(yuǎn)端（云層）。云層由兩個(gè)部分組成，一是高性能服務(wù)器，二是大量的存儲(chǔ)設(shè)備，在滿足執(zhí)行多用戶計(jì)算任務(wù)的同時(shí)，還可滿足多用戶的存儲(chǔ)請(qǐng)求。

2.3 邊緣計(jì)算參考架構(gòu)

云計(jì)算平臺(tái)需要物端將采集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的傳輸?shù)皆贫?，?dāng)物端設(shè)備較多，遠(yuǎn)距離傳輸資源消耗過(guò)大，對(duì)于時(shí)敏設(shè)備延遲低的要求無(wú)法滿足。2006 年11 月，由華為等聯(lián)合倡議的邊緣計(jì)算及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Edge Computing Consortium ECC）成立，2017 年發(fā)布的《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)2.0》，從概念視圖、功能視圖、部署視圖三個(gè)維度描述了邊緣計(jì)算的概念、特點(diǎn)、價(jià)值。2018 年發(fā)布的《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0》[2]，規(guī)范了商業(yè)視圖、使用視圖、功能視圖、部署視圖，實(shí)現(xiàn)物理和數(shù)字世界的知識(shí)模型之間協(xié)作、減少異構(gòu)性和簡(jiǎn)化跨平臺(tái)移植等功能。邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0 如圖1 所示。

圖1 邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0

3 輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)

輕量級(jí)邊緣計(jì)算主要指邊緣計(jì)算的節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)交換、資源虛擬化等輕量化。輕量級(jí)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，要求在體積小，功耗低的基礎(chǔ)上，具有成本低廉和易于部署特點(diǎn)。如單板計(jì)算機(jī)，除具有CPU、存儲(chǔ)器、I/O 設(shè)備接口功能外，特點(diǎn)是低功耗；輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換以軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN 將網(wǎng)絡(luò)控制面與數(shù)據(jù)面分離，即部署虛擬交換機(jī)，滿足配置簡(jiǎn)易和低廉成本及控制靈活的要求；輕量級(jí)資源虛擬化支持在硬件資源的虛擬化基礎(chǔ)上，進(jìn)行內(nèi)容編排和提高操作層面的資源利用率，減少因虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)等帶來(lái)的巨大開銷。

3.1 野外環(huán)境邊緣計(jì)算面臨問題

野外環(huán)境設(shè)備通常部署在遠(yuǎn)離云平臺(tái)的地理位置，因而，設(shè)備和云平臺(tái)傳輸時(shí)延較大，集中式的云計(jì)算方案，需要把所有的任務(wù)上傳到云端處理，因此對(duì)云端服務(wù)器的性能要求較高，需要高昂的運(yùn)維成本以及穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境，面對(duì)突發(fā)或緊急情況時(shí)，云平臺(tái)的應(yīng)對(duì)能力較差，使得數(shù)據(jù)流量匯集于少數(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，極易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵，增加了任務(wù)的平均時(shí)延。野外環(huán)境設(shè)備具有設(shè)備多樣性、資源受限等特點(diǎn)，多樣性體現(xiàn)在應(yīng)用場(chǎng)景多樣，硬件芯片架構(gòu)和接口差異，軟件操作系統(tǒng)和編程模式不同，傳輸通信協(xié)議不兼容等。最末端節(jié)點(diǎn)-物端傳感器及計(jì)算資源簡(jiǎn)單，功能單一，采集的狀態(tài)和視頻等資料需從物端傳輸?shù)皆贫颂幚?。為解決野外環(huán)境下，物端-云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸及響應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量，構(gòu)建物端-邊端-云平臺(tái)架構(gòu)來(lái)滿足特定應(yīng)用。

3.2 野外環(huán)境下輕量級(jí)邊緣計(jì)算架構(gòu)

野外環(huán)境因設(shè)備多樣性、資源受限等特點(diǎn)，對(duì)邊緣計(jì)算平臺(tái)解決方案提出輕量級(jí)、低功耗、服務(wù)要求高及多樣設(shè)備間的負(fù)載均衡等需求。野外環(huán)境下，輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)一般由基礎(chǔ)設(shè)施層、核心服務(wù)層、支持服務(wù)層和導(dǎo)出服務(wù)層組成[3]。輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)見圖2。

圖2 輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層?；A(chǔ)設(shè)施層是與物理設(shè)備直接通信的具體微服務(wù)的集合。野外環(huán)境下，物端設(shè)備主要考慮設(shè)備體積小、功耗低，簡(jiǎn)便部署和成本便宜，使邊緣服務(wù)器盡可能靠近物端設(shè)備，以減少傳輸延遲。在邊緣服務(wù)器及物端設(shè)備間，基礎(chǔ)設(shè)施層的微服務(wù)通過(guò)MODbus、ZIGbee、SNMP、REST、藍(lán)牙等協(xié)議連接每個(gè)物端的設(shè)備、傳感器如熱交換儀、風(fēng)扇、指示燈、無(wú)線訪問點(diǎn)、智能手機(jī)等，將生成和傳遞的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)管理所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到核心服務(wù)層。

（2）核心服務(wù)層。核心服務(wù)層主要用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和記錄。它包括數(shù)據(jù)管理服務(wù)、資源監(jiān)測(cè)服務(wù)和發(fā)現(xiàn)與注冊(cè)服務(wù)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括從基礎(chǔ)設(shè)施層收集到的原始數(shù)據(jù)以及描述系統(tǒng)及服務(wù)的元數(shù)據(jù)。資源監(jiān)測(cè)服務(wù)主要對(duì)遷移平臺(tái)可用資源量進(jìn)行記錄，比如服務(wù)器的狀態(tài)和信息、虛擬機(jī)的數(shù)量和性能、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信道條件以及當(dāng)資源量發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)，需要及時(shí)更新記錄。發(fā)現(xiàn)與注冊(cè)服務(wù)主要維護(hù)一個(gè)已注冊(cè)服務(wù)的列表，包括服務(wù)名稱和對(duì)應(yīng)的服務(wù)實(shí)例、服務(wù)實(shí)例及其對(duì)應(yīng)的注冊(cè)信息，包括IP，端口號(hào)等。

（3）支持服務(wù)層。支持服務(wù)層包括任務(wù)卸載服務(wù)、資源調(diào)度服務(wù)、日志記錄服務(wù)等。在任務(wù)卸載前，首先需要對(duì)任務(wù)進(jìn)行劃分。對(duì)于普通計(jì)算任務(wù)，通過(guò)某種切分策略將其劃分為多個(gè)子任務(wù)，本地任務(wù)如用戶交互任務(wù)、設(shè)備I/O 任務(wù)和外圍設(shè)備接口任務(wù)等；遷移任務(wù)是數(shù)據(jù)處理型任務(wù)，計(jì)算量較大不需要與本地設(shè)備交互的任務(wù)。劃分后的子任務(wù)彼此之間有數(shù)據(jù)交互，但是又能夠獨(dú)立執(zhí)行。使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN 將網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化，實(shí)現(xiàn)智能控制網(wǎng)絡(luò)流量。使用資源編排器對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)進(jìn)行資源重新編排。

（4）導(dǎo)出（應(yīng)用）服務(wù)層。導(dǎo)出（應(yīng)用）服務(wù)層包括智能管理服務(wù)、視頻類服務(wù)和時(shí)延敏感類服務(wù)。在邊緣設(shè)備完成處理與其中一個(gè)設(shè)備關(guān)聯(lián)的給定數(shù)據(jù)源的所有任務(wù)之后，網(wǎng)關(guān)將收集并合并來(lái)自不同設(shè)備的分區(qū)結(jié)果，并完成剩余的任務(wù)。針對(duì)不同任務(wù)需求，設(shè)置邊緣側(cè)的自適應(yīng)決策算法，對(duì)于邊緣節(jié)點(diǎn)有能力處理的問題，直接決策而無(wú)須交付云端處理。

3.3 輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)組成

（1）軟件基礎(chǔ)架構(gòu)

輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)以開源Edge X Foundry 作為邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)，提供一個(gè)通用的互操作性架構(gòu)，支持即插即用組件，支持服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)功能實(shí)現(xiàn)，選用Ubuntu 桌面環(huán)境（Linux 系統(tǒng)）開源操作系統(tǒng)。采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB，更適用于野外環(huán)境采集的具有自述性、分層的樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如xml、json、bson 類型的數(shù)據(jù)。同時(shí)，MongoDB 的高可用性和集群架構(gòu)擴(kuò)展性能耗，適合文檔格式的存儲(chǔ)與查詢。

（2）硬件平臺(tái)組成

輕量級(jí)邊緣計(jì)算平臺(tái)的硬件組成包括輕量級(jí)邊緣智能服務(wù)器、輕量級(jí)虛擬化及容器編排器和輕量級(jí)虛擬交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)控制器。邊緣智能服務(wù)器以單板計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能和存儲(chǔ)功能，以無(wú)限組網(wǎng)或局域網(wǎng)支持采集數(shù)據(jù)上傳；輕量級(jí)虛擬化及容器編排器使用容器Docker 技術(shù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)資源虛擬化，Docker 將各個(gè)微服務(wù)封裝于虛擬容器中，利用其資源利用率高、隔離效率等特性，分布式統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)。在輕量級(jí)虛擬化基礎(chǔ)上，通過(guò)Docker 容器編排器進(jìn)行資源狀態(tài)監(jiān)控和鏡像存儲(chǔ)，并提供服務(wù)創(chuàng)建、調(diào)度及負(fù)載均衡的柔性服務(wù)；輕量級(jí)虛擬交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)控制器使用開放虛擬網(wǎng)絡(luò)交換標(biāo)準(zhǔn)Open vSwitch 使龐大的網(wǎng)絡(luò)配置、管理、維護(hù)，支持標(biāo)準(zhǔn)的管理接口和協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)控制器使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN 控制器架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)行為的控制和邊緣網(wǎng)絡(luò)的靈活構(gòu)建。