物聯(lián)網(wǎng)的邊界計(jì)算模型：霧計(jì)算

引言

近幾年來，“物聯(lián)網(wǎng)”、“云計(jì)算”這兩個(gè)詞語深刻地變革 了 IT學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，物聯(lián)網(wǎng)和云 計(jì)算都存在一定的短板和缺憾，具體表現(xiàn)在：（1）物聯(lián)網(wǎng)感 知層的數(shù)據(jù)量大而且非常復(fù)雜，海量數(shù)據(jù)間存在著頻繁的沖 突與合作，具有很強(qiáng)的冗余性、互補(bǔ)性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)又是 多源異構(gòu)型數(shù)據(jù)。因此，在實(shí)時(shí)性要求較高情況下，對(duì)海量 數(shù)據(jù)的過濾、處理、傳輸和應(yīng)用等問題是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。（2） 云服務(wù)是聚合度很高的服務(wù)計(jì)算，其使用方式雖然廉價(jià)、簡(jiǎn) 單且方便，但是背后卻消耗著大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，用戶訪問量大 會(huì)大幅度增加網(wǎng)絡(luò)流量，由此引發(fā)的服務(wù)中斷、網(wǎng)絡(luò)延遲等問 題，以及云計(jì)算的集中式計(jì)算導(dǎo)致網(wǎng)點(diǎn)分布不均而產(chǎn)生的用戶 訪問網(wǎng)站響應(yīng)速度慢，我國(guó)帶寬不足、流量成本高的問題都制 約著我國(guó)云計(jì)算服務(wù)的應(yīng)用和發(fā)展。綜合分析以上問題，有人 提出云端計(jì)算，更加強(qiáng)調(diào)邊緣計(jì)算設(shè)備的作用，都是希望計(jì) 算要在物理節(jié)點(diǎn)上分散，而不是集中，這些都為霧計(jì)算的產(chǎn)生 提供了空間。

思科全球研發(fā)中心總裁Dr.Flavio Bonomi于2011年首 次提出霧計(jì)算（Fog Computing）的概念之后，思科研發(fā)組的 Flavio Bonomi，Rodolfo Milito，Jiang Zhu, Sateesh Addepalli 等人開創(chuàng)性地描述了霧計(jì)算的概念。他們認(rèn)為：正如云計(jì)算一 樣，霧計(jì)算也十分形象，大自然中的霧是更接近地面的云，故 用霧計(jì)算恰當(dāng)?shù)孛枋鼋橛谠朴?jì)算與終端計(jì)算的中間態(tài);霧計(jì)算 是半虛擬化架構(gòu)的分布式的服務(wù)計(jì)算模型，用戶、應(yīng)用或物聯(lián) 網(wǎng)終端可以在任何時(shí)候、從任何地方基于任何聯(lián)網(wǎng)設(shè)備訪問自 己的本地云（Local Cloud，也可稱為霧節(jié)點(diǎn)）。因此，霧計(jì)算既繼承了云計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，也具有終端計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，能夠充 分發(fā)揮終端的計(jì)算功能和本地就近處理的優(yōu)勢(shì)。霧計(jì)算可以 很好地解決那些時(shí)延敏感應(yīng)用（Iatency-sensitive Applications） 的計(jì)算問題，這些業(yè)務(wù)往往處于數(shù)據(jù)中心邊緣，需要就近處理, 從而減少時(shí)延，集中于數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算顯得無能為力叫 1霧計(jì)算的應(yīng)用定位。

霧計(jì)算是分布式的云計(jì)算節(jié)點(diǎn)，就其位置而言，可以稱 為邊界計(jì)算（Edge Computing），就是互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)實(shí)世界的邊界。 云數(shù)據(jù)中心是互聯(lián)網(wǎng)的中心，PC、手機(jī)、監(jiān)控照相機(jī)等諸多 的電子設(shè)備，移動(dòng)終端，家用電器處在現(xiàn)實(shí)世界的中心，而霧 計(jì)算的服務(wù)器處在二者的邊界之上，物聯(lián)網(wǎng)的信息模型如 圖1所示。

圖1物聯(lián)網(wǎng)的信息模型圖

主要表現(xiàn)為個(gè)人云、家庭云以及機(jī)構(gòu)云等私有的“小云” 為主，而不是早期云計(jì)算所倡導(dǎo)的IT服務(wù)提供商的“大云”、 “公有云”。從長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)來看，我們認(rèn)為終端計(jì)算、霧計(jì)算 和云計(jì)算的將在一定時(shí)期長(zhǎng)期共存，因?yàn)樗鼈兏饔袃?yōu)勢(shì)。就系 統(tǒng)的數(shù)量級(jí)而言，一個(gè)云計(jì)算系統(tǒng)可以關(guān)聯(lián)多個(gè)霧計(jì)算系統(tǒng)， 一個(gè)霧計(jì)算系統(tǒng)可以服務(wù)于多個(gè)（成百上千、甚至幾萬個(gè)）計(jì) 算終端［5］，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備是指一切具有網(wǎng)絡(luò)身份標(biāo)識(shí)的信 息終端，大到汽車、冰箱，小到門鎖、追蹤卡、手環(huán)等都是終 端設(shè)備。霧計(jì)算的“霧端”與云計(jì)算的“云端”以及物聯(lián)網(wǎng)的“物端”之間的關(guān)系如圖 2 所示 ：

與云計(jì)算依賴集中式高性能計(jì)算設(shè)備強(qiáng)調(diào)整體計(jì)算能力 不同，霧計(jì)算以量制勝，強(qiáng)調(diào)計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量，不管單個(gè)計(jì)算 節(jié)點(diǎn)能力多么弱都要發(fā)揮作用。因此霧計(jì)算有幾個(gè)明顯特征： 低延時(shí)和位置感知，更為廣泛的地理分布，適應(yīng)移動(dòng)性的應(yīng)用， 支持更多的邊緣節(jié)點(diǎn)?？傊F計(jì)算面對(duì)市場(chǎng)需求，擯棄了云 計(jì)算聚合度過大且技術(shù)過于復(fù)雜的弊病，保留了云計(jì)算的一 些優(yōu)點(diǎn)，比如高性價(jià)比、可擴(kuò)展性、技術(shù)透明性等，同時(shí)還 兼具分布式系統(tǒng)的一些優(yōu)點(diǎn)，例如容錯(cuò)、異構(gòu)、安全、編程 模型等間。下面分別對(duì)這些“小云”做簡(jiǎn)要介紹：

個(gè)人云（Personal Cloud）是指借助智能手機(jī)、平板電腦、 電視和PC等個(gè)人設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)無縫存儲(chǔ)、同步、處理并 分享數(shù)據(jù)的在線服務(wù)叫個(gè)人云是云計(jì)算在個(gè)人生活領(lǐng)域的延 伸，通過Internet對(duì)個(gè)人的各種信息進(jìn)行組織、存儲(chǔ)、分發(fā)和 再加工。與所有的“云” 一樣，個(gè)人云由服務(wù)器、終端、應(yīng)用 程序和個(gè)人信息組成。數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在云上，通過3G網(wǎng)絡(luò)接 口向終端提供服務(wù)冏。由于隱私性的要求，個(gè)人云的安全性要 求較高。

家庭云是指在家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)多成員的設(shè)備、信息 等互聯(lián)、共享和互操作。這種云是部署在家庭里，而不是交 給云服務(wù)提供商。家庭云可以實(shí)現(xiàn)無線智能組網(wǎng)、智能關(guān)聯(lián)、 集中存儲(chǔ)、娛樂實(shí)時(shí)分享、智能家居遠(yuǎn)程控制、集中安全存儲(chǔ) 及統(tǒng)一設(shè)備管理等功能叫

機(jī)構(gòu)云是指服務(wù)于一個(gè)學(xué)校、企業(yè)、政府部門等機(jī)構(gòu)的 內(nèi)部云服務(wù)系統(tǒng)，類似于家庭云。機(jī)構(gòu)云的規(guī)模要比家庭云更 大且復(fù)雜，用戶數(shù)據(jù)也相對(duì)更多，數(shù)據(jù)量也更大，服務(wù)類型 也更豐富。

2物端-霧端-云端的互操作

在物聯(lián)網(wǎng)的最佳實(shí)踐中，應(yīng)用、存儲(chǔ)和計(jì)算等服務(wù)盡可 能位于距傳感器和設(shè)備等“物體”更近的位置，這正是霧計(jì)算 產(chǎn)生的背景，在圖2所示的物聯(lián)網(wǎng)的邏輯模型中，終端計(jì)算層 主要服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器層和信息匯聚層，霧計(jì)算層主要服 務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)的信息分析層和數(shù)據(jù)傳輸層，云計(jì)算層主要服務(wù) 于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)層。其中傳感器層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官, 主要用于識(shí)別物體，采集信息；信息匯聚層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中 樞網(wǎng)和血管網(wǎng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的收集閱讀器接收到來自電子標(biāo) 簽的載波信息；信息分析層是將收集的數(shù)據(jù)信息送至霧計(jì)算 系統(tǒng)進(jìn)行分析、過濾和處理；數(shù)據(jù)傳輸層將信息分析層的信 息進(jìn)行分發(fā)與傳遞，傳送給云計(jì)算系統(tǒng)；云計(jì)算服務(wù)的應(yīng)用 層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會(huì)分工”一一與具體行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣 泛智能化。

霧計(jì)算的互操作性框架如圖3所示，該框架是遵循物聯(lián) 網(wǎng)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的開放式互操作框架，可以很好地滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 的近、遠(yuǎn)期實(shí)施目標(biāo)。

霧計(jì)算系統(tǒng)被看作是由多個(gè)獨(dú)立的霧節(jié)點(diǎn)（Fog Node）組成的系統(tǒng)，由物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備本身或者介于終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之 間的設(shè)備來承擔(dān)存儲(chǔ)和處理物聯(lián)網(wǎng)生成數(shù)據(jù)流的任務(wù)。最重 要的是霧節(jié)點(diǎn)分離了云節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備，有利于打破壟斷和隔 閡，改良了物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境，開拓了新的商業(yè)模式。

邊緣服務(wù)器需要處理的數(shù)據(jù)量非常龐大（比如EPCglobal 物聯(lián)網(wǎng)讀寫器每秒可捕獲120到400個(gè)信號(hào)），解決物聯(lián)網(wǎng)數(shù) 據(jù)處理的性能和可伸縮性問題的方法，主要有線程多路技術(shù) 和非阻塞（Non-blocking） I/O機(jī)制，非阻塞I/O可以使邊緣 服務(wù)器能夠在多個(gè)并發(fā)用戶中復(fù)用少量線程，確保較高的性 能和可伸縮性。在處理讀寫器的大流量數(shù)據(jù)和進(jìn)行消息傳遞 時(shí)，需要大量使用I/O和網(wǎng)絡(luò)。邊緣服務(wù)器中使用“批量數(shù) 據(jù)傳輸”技術(shù)，將多個(gè)相同類型的請(qǐng)求包裝在一個(gè)數(shù)據(jù)包中, 可以舒緩網(wǎng)絡(luò)堵塞問題。它還可以減少多個(gè)請(qǐng)求通過其它邏輯 層所需的時(shí)間。最后,如果由邊緣服務(wù)器完成中央數(shù)據(jù)庫（DataCenter）的存儲(chǔ)操作，將會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)瓶頸，影響可伸縮性。比 如將從一組RFID讀寫器捕獲的數(shù)據(jù)全部寫入中央數(shù)據(jù)庫，進(jìn) 入數(shù)據(jù)庫的巨大數(shù)據(jù)流會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，應(yīng)該 在云平臺(tái)層處理與中央數(shù)據(jù)庫的交互，這樣就可以大大減少 需要處理的數(shù)據(jù)。這種架構(gòu)（如圖5所示），相對(duì)于事件儲(chǔ)存庫方法，可以定義為事件源方法。

圖6是霧計(jì)算節(jié)點(diǎn)的功能框架圖，最上層可接入第三方 APP應(yīng)用，中間是物聯(lián)網(wǎng)邊緣服務(wù)器的功能模塊，最下層是 可接入的各種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。從框架圖可以看出，霧計(jì)算節(jié) 點(diǎn)對(duì)上層應(yīng)用的接口是開放的，對(duì)下層的終端設(shè)備也是廣泛的 兼容性冋。

3物聯(lián)網(wǎng)信息處理系統(tǒng)的用例分析

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中用例層面包括三個(gè)要素：物節(jié)點(diǎn)、霧節(jié)點(diǎn)和 云節(jié)點(diǎn)。一個(gè)云節(jié)點(diǎn)(公共云)一般會(huì)服務(wù)于多個(gè)霧節(jié)點(diǎn)，它 們之間是一對(duì)多的關(guān)系。一個(gè)霧節(jié)點(diǎn)一般會(huì)服務(wù)于多個(gè)物節(jié)點(diǎn), 它們之間也是一對(duì)多的關(guān)系。物節(jié)點(diǎn)可能是一個(gè)私有云環(huán)境， 也可能不是云，物聯(lián)網(wǎng)用例旨在描述最為典型的應(yīng)用場(chǎng)景，而 并非列出物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的所有現(xiàn)實(shí)情況凹。物聯(lián)網(wǎng)的用例包 括4種情況：(1)物節(jié)點(diǎn)與云節(jié)點(diǎn)互動(dòng)；(2)霧節(jié)點(diǎn)與云節(jié)點(diǎn) 互動(dòng)；(3)物節(jié)點(diǎn)與霧節(jié)點(diǎn)互動(dòng)；(4)霧節(jié)點(diǎn)與物節(jié)點(diǎn)和云節(jié) 點(diǎn)互動(dòng)。

圖7 (a)描述物節(jié)點(diǎn)與云節(jié)點(diǎn)互動(dòng)的情況，是在物聯(lián)網(wǎng)早 期階段最常見的基于智能終端的物聯(lián)網(wǎng)用例。智能終端可以輕 松訪問云節(jié)點(diǎn)，使用云端的計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)服務(wù)。

圖7 (c)描述物節(jié)點(diǎn)與霧節(jié)點(diǎn)互動(dòng)的情況，也是在物聯(lián)網(wǎng) 早期階段最常見的局部RFID物流信息管理的用例。霧節(jié)點(diǎn)是 局部范圍所有物節(jié)點(diǎn)的處理中心、管理中心和應(yīng)用中心。

圖7 (d)描述霧節(jié)點(diǎn)與物節(jié)點(diǎn)和云節(jié)點(diǎn)互動(dòng)的情況，是在 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到成熟期的EPCglobal物聯(lián)網(wǎng)用例。物節(jié)點(diǎn)的編碼 信息被發(fā)送到霧節(jié)點(diǎn)，霧節(jié)點(diǎn)訪問存儲(chǔ)于云節(jié)點(diǎn)上的對(duì)象命名 服務(wù)ONS (Object Naming Service)以及配套服務(wù)，找到該物 品信息所存儲(chǔ)的物理位置，然后由霧節(jié)點(diǎn)給應(yīng)用系統(tǒng)指明存 儲(chǔ)該物品有關(guān)信息的服務(wù)器，并將文件中關(guān)于該物品的信息進(jìn) 行傳送和應(yīng)用。霧節(jié)點(diǎn)起到過濾、處理和聯(lián)通物節(jié)點(diǎn)與云節(jié)點(diǎn) 的互動(dòng)信息。比如：車聯(lián)網(wǎng)。車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和部署要求有豐 富的連接方式和相互作用。車到車，車到接入點(diǎn)(無線網(wǎng)絡(luò), 3G, LTE，智能交通燈，導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等)，接入點(diǎn)到接入點(diǎn), 接入點(diǎn)到云。

圖7 (b)描述霧節(jié)點(diǎn)與云節(jié)點(diǎn)互動(dòng)的情況，霧節(jié)點(diǎn)使用云 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充其所需要資源：使用云存儲(chǔ)進(jìn)行備份或存儲(chǔ)很少用到 的數(shù)據(jù)；使用云中的虛擬機(jī)來處理峰值負(fù)載；使用云中的應(yīng)用 程序(SaaS)來處理霧節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；將云數(shù)據(jù)庫用作某一應(yīng)用 程序處理過程的一部分。與其他霧節(jié)點(diǎn)共享該數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié) 語

本文分析了霧計(jì)算產(chǎn)生的時(shí)代背景的基礎(chǔ)上，探討了霧計(jì)算的特征和應(yīng)用定位，然后基于霧計(jì)算聯(lián)通型的應(yīng)用定位，描述了它的組織結(jié)構(gòu)，分析了霧計(jì)算的“霧端”與云計(jì)算的“云端”以及物聯(lián)網(wǎng)的“物端”的互操作方法，并總結(jié)了霧計(jì)算的用例，可作為霧計(jì)算系統(tǒng)研究與開發(fā)的基礎(chǔ)。霧計(jì)算系統(tǒng)以開放式的計(jì)算框架模型應(yīng)用于各個(gè)邊緣服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之上，這些霧節(jié)點(diǎn)具有一定的獨(dú)立性、多態(tài)性和適應(yīng)性，可以實(shí)現(xiàn)霧節(jié)點(diǎn)之間以 Web 服務(wù)或云服務(wù)的方式進(jìn)行跨網(wǎng)絡(luò)的互連、互通和聯(lián)盟，也可以基于內(nèi)部網(wǎng)或局域網(wǎng)的方式進(jìn)行信任域內(nèi)的數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用。當(dāng)傳感器越來越便宜，分布得越來越廣，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備越來越多，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將進(jìn)一步爆發(fā)，將網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的重心從網(wǎng)絡(luò)中心擴(kuò)展到了網(wǎng)絡(luò)邊緣，只有霧計(jì)算模型最適合這種物聯(lián)網(wǎng)的邊界計(jì)算需求。

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