物聯(lián)網(wǎng)中的邊緣計(jì)算 你知道嗎

邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開(kāi)放平臺(tái)。邊緣計(jì)算與云計(jì)算互相協(xié)同，共同助力各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。它就近提供智能互聯(lián)服務(wù)，滿足行業(yè)在數(shù)字化變革過(guò)程中對(duì)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、業(yè)務(wù)智能、數(shù)據(jù)聚合與互操作、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)分局ITU-T的研究報(bào)告，到2020年，每個(gè)人每秒將產(chǎn)生1.7MB的數(shù)據(jù)，IoT可穿戴設(shè)備的出貨量將達(dá)到2.37億。IDC也發(fā)布了相關(guān)預(yù)測(cè)，到2018年，50%的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將面臨網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，40%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與儲(chǔ)存，到2025年，這一數(shù)字將超過(guò)50%。

圖1：邊緣計(jì)算與云計(jì)算的關(guān)系

邊緣計(jì)算的巨大價(jià)值

美國(guó)部署了3000余萬(wàn)個(gè)監(jiān)控?cái)z像頭，每周生成超過(guò)40億小時(shí)的海量視頻數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域擁有海量的終端設(shè)備，如果這些設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)聚在一起，會(huì)是個(gè)天文數(shù)字。海量數(shù)據(jù)的分析與儲(chǔ)存對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了巨大的挑戰(zhàn)，而邊緣計(jì)算的誕生，就是為了解決這一問(wèn)題。

1)分布式和低延遲計(jì)算

云計(jì)算往往并不是最佳策略，計(jì)算需要在更加靠近數(shù)據(jù)源的地方執(zhí)行。這個(gè)優(yōu)點(diǎn)可以擴(kuò)展到任何基于Web的應(yīng)用程序上：包括 Foursqure和Google Now在內(nèi)的APP能更快的做出響應(yīng)，所以在移動(dòng)用戶中變得越來(lái)越受歡迎。這說(shuō)明在更靠近用戶的邊緣節(jié)點(diǎn)上，邊緣計(jì)算可以用于改進(jìn)服務(wù)。

許多數(shù)據(jù)流由邊緣設(shè)備生成，但是通過(guò)“遠(yuǎn)處”的云計(jì)算處理和分析，不可能做出實(shí)時(shí)決策。例如使用可穿戴式攝像頭的視覺(jué)服務(wù)，響應(yīng)時(shí)間需要在25ms至50ms之間，使用云計(jì)算會(huì)造成嚴(yán)重的延遲;再比如工業(yè)系統(tǒng)檢測(cè)、控制、執(zhí)行的實(shí)時(shí)性高，部分場(chǎng)景實(shí)時(shí)性要求在10ms以內(nèi)，如果數(shù)據(jù)分析和控制邏輯全部在云端實(shí)現(xiàn)，則難以滿足業(yè)務(wù)要求;還有那些會(huì)生成龐大數(shù)據(jù)流的多媒體應(yīng)用，如視頻或是基于云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)游戲，依賴云計(jì)算也會(huì)為玩家造成類似于等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，無(wú)法滿足用戶的需求。

作為云計(jì)算的有益補(bǔ)充，可以利用邊緣節(jié)點(diǎn)(例如，路由器或離邊緣設(shè)備最近的基站)，用以減少網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間。

2)超越終端設(shè)備的資源限制

與數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器相比，用戶終端(例如智能手機(jī))的硬件條件相對(duì)受限。這些終端設(shè)備以文本、音頻、視頻、手勢(shì)或運(yùn)動(dòng)的形式獲得數(shù)據(jù)輸入，但由于中間件和硬件的限制，終端設(shè)備無(wú)法執(zhí)行復(fù)雜的分析，而且執(zhí)行過(guò)程也極為耗電。因此，通常需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，進(jìn)行處理和運(yùn)算，然后再把有意義的信息通過(guò)中繼返回終端。

然而，并非來(lái)自終端設(shè)備的所有數(shù)據(jù)都需要由云計(jì)算執(zhí)行，數(shù)據(jù)可以利用適合數(shù)據(jù)管理任務(wù)的空閑計(jì)算資源，在邊緣節(jié)點(diǎn)處過(guò)濾或者分析。

3)可持續(xù)的能源消耗

大量研究顯示，云計(jì)算會(huì)消耗龐大的能源，未來(lái)十年數(shù)據(jù)中心所消耗的能源量可能是如今消耗量的3倍。隨著越來(lái)越多的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到云，能量需求會(huì)日益增長(zhǎng)，甚至無(wú)法滿足。因此，采用能量效率最大化的計(jì)算策略顯得尤為迫切。

一些嵌入式小型設(shè)備的基礎(chǔ)信息采集處理完全可以在端完成，即手機(jī)傳感器把數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)后，就通過(guò)邊緣計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾和處理，沒(méi)必要每條原始數(shù)據(jù)都傳送到云，這省去了大量的能源成本。

4)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)爆炸和網(wǎng)絡(luò)流量壓力

邊緣設(shè)備的數(shù)量正在超速增長(zhǎng)——到2018年，世界上三分之一的人口將擁有智能手機(jī)或者可穿戴設(shè)備，到2020年，這些設(shè)備將生成43萬(wàn)億GB的數(shù)據(jù)。處理這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心，這再次引起了人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量壓力的廣泛關(guān)注。

通過(guò)在邊緣設(shè)備上執(zhí)行數(shù)據(jù)分析，可有效應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)爆炸，減輕網(wǎng)絡(luò)的流量壓力。邊緣計(jì)算能夠縮短設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間，減少?gòu)脑O(shè)備到云數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)流量，以便在網(wǎng)絡(luò)中更有效的分配資源。

5)智能計(jì)算

不僅是消費(fèi)級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)終端，邊緣計(jì)算還將在工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。計(jì)算可以分層執(zhí)行，利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端的資源完成。例如，典型的生產(chǎn)流水線可以過(guò)濾設(shè)備上生成的數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)的邊緣節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行部分分析工作，之后再通過(guò)云端執(zhí)行更加復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。邊緣節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)分擔(dān)云計(jì)算的部分任務(wù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)中心的計(jì)算能力。

業(yè)務(wù)流程優(yōu)化、運(yùn)維自動(dòng)化與業(yè)務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)走向智能，邊緣側(cè)智能能夠帶來(lái)顯著的效率提升與成本優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，對(duì)于從事工業(yè)自動(dòng)化工作的人而言，邊緣計(jì)算并不陌生。比如，在目前普遍采用的基于PLC、DCS、工控機(jī)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)中，位于底層、嵌于設(shè)備中的計(jì)算資源，或多或少都是邊緣計(jì)算的資源。

目前規(guī)模以上冶金企業(yè)，其信息化已經(jīng)做得頗具成效，但缺少的恰恰是末端智能。冶金方面的數(shù)據(jù)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)完整性和一致性的問(wèn)題，俗稱“臟”數(shù)據(jù)。解決不好這方面的問(wèn)題，會(huì)給能源管理和智能管理環(huán)節(jié)造成很大的困擾。邊緣計(jì)算在其中發(fā)揮著重要作用，成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有效補(bǔ)充。

邊緣計(jì)算所面臨的挑戰(zhàn)

邊緣計(jì)算仍處于起步階段，當(dāng)前的云計(jì)算服務(wù)(如Amazon Web Service，Microsoft Azure和Google App Engine)可以支持?jǐn)?shù)據(jù)密集型的應(yīng)用程序，但在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理仍是一個(gè)有待開(kāi)拓的領(lǐng)域。

此外，若想更好的在邊緣節(jié)點(diǎn)上部署應(yīng)用程序的工作負(fù)載，需要考慮以下幾個(gè)方面：

部署策略：如何部署工作負(fù)載

連接策略：何時(shí)使用邊緣節(jié)點(diǎn)

異構(gòu)性：如何處理不同類型的節(jié)點(diǎn)

為了實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算，我們認(rèn)為在硬件、中間件和軟件層面，有以下5個(gè)挑戰(zhàn)需要解決。

挑戰(zhàn)1：邊緣節(jié)點(diǎn)上的通用計(jì)算能力

理論上，可以在位于邊緣設(shè)備和云平臺(tái)之間的某幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上完成邊緣計(jì)算，包括接入點(diǎn)、基站、網(wǎng)關(guān)、業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)、路由器、交換機(jī)等。例如，基站可以根據(jù)工作負(fù)載能力，執(zhí)行數(shù)字信號(hào)處理(DSP)。但是在實(shí)踐中，基站可能并不適合處理分析工作，因?yàn)镈SP并不是為通用計(jì)算設(shè)計(jì)的。此外，這些節(jié)點(diǎn)是否可以執(zhí)行除了現(xiàn)有工作之外的計(jì)算還不太清楚。

由CAVIUM提供的OCTEON Fusion? Family是一個(gè)小型“芯片上基站”單元，可擴(kuò)展從6個(gè)到14個(gè)的內(nèi)核，以支持32到300+的用戶。這種基站可在非高峰時(shí)間使用多個(gè)計(jì)算核心的運(yùn)算能力。

許多供應(yīng)商也已經(jīng)邁出了使用軟件解決方案實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算的第一步。例如，諾基亞針對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)的軟件解決方案旨在為基站站點(diǎn)提供邊緣計(jì)算能力。同樣，思科的IOx為其集成的服務(wù)路由器提供了一個(gè)邊緣計(jì)算環(huán)境。這些解決方案應(yīng)用于特定硬件，因此不適合部署在異構(gòu)環(huán)境中。

軟件解決方案面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何開(kāi)發(fā)跨越不同環(huán)境的可移植的解決方案。某些公司正在研究升級(jí)邊緣節(jié)點(diǎn)，以支持通用計(jì)算需求。例如，可以升級(jí)無(wú)線家庭路由器以支持額外的計(jì)算任務(wù)。英特爾的Smart Cell Platform使用虛擬化技術(shù)，支持額外的計(jì)算任務(wù)。通用CPU替換專用DSP提供了另一種解決方案，但卻需要巨大的投資。

挑戰(zhàn)2：發(fā)現(xiàn)邊緣節(jié)點(diǎn)

到2020年將有500億的終端和設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，除了邊緣設(shè)備與終端聯(lián)網(wǎng)最大的“異構(gòu)”特征之外，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短、個(gè)性化需求越來(lái)越高、全生命周期管理和服務(wù)化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，這些新趨勢(shì)都需要邊緣計(jì)算提供強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

如何在分布式計(jì)算環(huán)境中發(fā)現(xiàn)資源和服務(wù)是一個(gè)有待拓展的領(lǐng)域。為了充分利用網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，需要建立某種發(fā)現(xiàn)機(jī)制，找到可以分散式部署的適當(dāng)節(jié)點(diǎn)。因?yàn)榭捎迷O(shè)備的數(shù)量龐大，這些機(jī)制不能依靠人工手動(dòng)。此外，還需要使用多種異構(gòu)設(shè)備滿足最新的計(jì)算需求，比如大規(guī)模的機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)。

這些機(jī)制必須在不增加等待時(shí)間或損害用戶體驗(yàn)的前提下，實(shí)現(xiàn)不同層次和等級(jí)的計(jì)算工作流中無(wú)縫集成，原有的基于云計(jì)算的機(jī)制在邊緣計(jì)算領(lǐng)域不再適用。

挑戰(zhàn)3：分區(qū)和拆分任務(wù)

對(duì)于邊緣計(jì)算來(lái)說(shuō)，最大的難點(diǎn)在于如何動(dòng)態(tài)、大規(guī)模地部署運(yùn)算和存儲(chǔ)能力以及云端和設(shè)備端如何高效協(xié)同、無(wú)縫對(duì)接。

不斷發(fā)展的分布式計(jì)算已經(jīng)催生了許多技術(shù)用來(lái)促進(jìn)在多個(gè)地理位置分區(qū)執(zhí)行任務(wù)。任務(wù)分區(qū)通常在編程語(yǔ)言或管理工具中明確表示。

然而，利用邊緣節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)分區(qū)計(jì)算不僅僅帶來(lái)了有效分割計(jì)算任務(wù)的挑戰(zhàn)，對(duì)于如何能在不需要明確定義邊緣節(jié)點(diǎn)的能力或位置，以自動(dòng)化的方式進(jìn)行計(jì)算的問(wèn)題上，也遇到了瓶頸。因此，需要一種新型的調(diào)度方式，以便將分割的任務(wù)部署到各個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)上。

挑戰(zhàn)4：高水準(zhǔn)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和服務(wù)體驗(yàn)(QoE)

另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要確保邊緣節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高吞吐量，并且在承接額外計(jì)算工作量時(shí)運(yùn)行可靠。例如，當(dāng)基站過(guò)載時(shí)，可能影響連接到基站的其他邊緣設(shè)備。

因此需要對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)的峰值時(shí)間全面了解，以便可以用靈活的方式來(lái)分割和調(diào)度任務(wù)。復(fù)雜的算法如何在云端和邊緣設(shè)備之間合理分解和整合，需要一個(gè)對(duì)云管端三者都有控制力的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

挑戰(zhàn)5：開(kāi)放和安全的使用邊緣節(jié)點(diǎn)

安全橫跨云計(jì)算和邊緣計(jì)算，需要實(shí)施端到端的防護(hù)。由于更貼近萬(wàn)物互聯(lián)的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)訪問(wèn)控制與威脅防護(hù)的廣度和難度因此大幅提升。邊緣側(cè)安全主要包含設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全與應(yīng)用安全。此外，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整性、保密性是安全領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

如果把終端設(shè)備(例如交換機(jī)、路由器和基站)當(dāng)作可共享接入的邊緣節(jié)點(diǎn)，則需要解決許多問(wèn)題：首先，需要定義邊緣設(shè)備使用者和擁有者相關(guān)聯(lián)的風(fēng)險(xiǎn)。其次，當(dāng)設(shè)備用于邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)時(shí)，設(shè)備的原有的功能不能被損害。第三，邊緣節(jié)點(diǎn)上的多重用戶都需要將安全性作為首要關(guān)注指標(biāo)。第四，需要向邊緣節(jié)點(diǎn)的用戶保證最低服務(wù)水平。最后，需要考慮工作負(fù)載、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)位置和遷移、維護(hù)成本和能源消耗，以便建立合適的定價(jià)模型。

邊緣計(jì)算的潛在機(jī)會(huì)

邊緣計(jì)算仍處于起步階段，有可能為更高效的分布式計(jì)算鋪平道路。盡管在實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算時(shí)出現(xiàn)了不少挑戰(zhàn)，但邊緣計(jì)算將會(huì)催生更多的發(fā)展機(jī)遇，在此我們明確了5個(gè)潛在機(jī)會(huì)：

機(jī)會(huì)1：標(biāo)準(zhǔn)、基準(zhǔn)和市場(chǎng)

統(tǒng)一數(shù)據(jù)連接和數(shù)據(jù)聚合是業(yè)務(wù)智能的基礎(chǔ)，面對(duì)當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在的多樣化與異構(gòu)的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，離不開(kāi)跨廠商、跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集成與互操作。網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的本地計(jì)算服務(wù)無(wú)疑會(huì)在異構(gòu)環(huán)境中迎來(lái)IT廠商、IT方案商以及開(kāi)發(fā)者集成融合服務(wù)的挑戰(zhàn)，標(biāo)準(zhǔn)化亟待形成。

許多組織正在定義各種邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，例如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(huì)(NIST)、IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、云計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)客戶委員會(huì)(CSCC)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)等。只有當(dāng)邊緣節(jié)點(diǎn)的性能可以根據(jù)廣泛認(rèn)可的度量指標(biāo)可靠的進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試時(shí)，才能形成標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)會(huì)2：架構(gòu)和語(yǔ)言

隨著支持通用計(jì)算的邊緣節(jié)點(diǎn)不斷增加，開(kāi)發(fā)框架和工具包的需求也會(huì)隨之增長(zhǎng)。邊緣分析與現(xiàn)有流程不同，由于邊緣分析將在用戶驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有框架可能不適合表達(dá)邊緣分析的工作流。

編程模型需要利用邊緣節(jié)點(diǎn)支持任務(wù)和數(shù)據(jù)的并行，并且同時(shí)在多個(gè)層級(jí)的硬件上執(zhí)行計(jì)算。編程語(yǔ)言需要考慮工作流中硬件的異構(gòu)性和各種資源的計(jì)算能力。這比云計(jì)算的現(xiàn)有模型更加復(fù)雜。

機(jī)會(huì)3：輕量級(jí)庫(kù)和算法

與大型服務(wù)器不同，由于硬件限制，邊緣節(jié)點(diǎn)不支持大型軟件。例如，Intel T3K并發(fā)雙模SoC的小型基站具有4核ARM的CPU和有限內(nèi)存，不足以執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理工作。再比如APAChe Spark需要至少8核的CPU和8 GB的內(nèi)存以獲得良好的性能。邊緣分析需要輕量級(jí)算法，可以進(jìn)行合理的機(jī)器學(xué)習(xí)或數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

例如，Apache Quarks是一種輕量級(jí)庫(kù)，可以在小型邊緣設(shè)備(如智能手機(jī))上使用，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。但是Quarks支持的基本數(shù)據(jù)處理，例如過(guò)濾和窗口聚合，不足以滿足高級(jí)分析任務(wù)。消耗更少內(nèi)存和使用更小磁盤的機(jī)器學(xué)習(xí)資源庫(kù)有利于實(shí)現(xiàn)邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析。TensorFlow是另一個(gè)支持深度學(xué)習(xí)算法并支持異構(gòu)分布式系統(tǒng)的示例框架，但其邊緣分析的潛力仍有待探索。

機(jī)會(huì)4：微型操作系統(tǒng)和虛擬化

基于微型操作系統(tǒng)或微型內(nèi)核的研究可以解決在異構(gòu)邊緣節(jié)點(diǎn)上部署應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

有研究表明，跨越多個(gè)虛擬設(shè)備復(fù)用設(shè)備硬件的移動(dòng)容器可以提供與本地硬件接近的性能。容器技術(shù)(如Docker)正在成熟，并且能夠在異構(gòu)平臺(tái)上快速部署應(yīng)用程序。

機(jī)會(huì)5：產(chǎn)學(xué)研合作

邊緣計(jì)算為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界提供了獨(dú)特的發(fā)展機(jī)會(huì)。邊緣計(jì)算領(lǐng)域的研究可以由行業(yè)合作伙伴(例如移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商和開(kāi)發(fā)人員、軟件工具開(kāi)發(fā)商和云服務(wù)提供商等)以及感興趣的學(xué)術(shù)合作伙伴共同驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)雙方的共同利益。