邊緣計算：萬物互聯時代新型計算模型

目錄

• 寫在前面
• 背景
• 現有的問題
• 定義
• 優點
• 挑戰
  • 可編程性
  • 命名規則
  • 數據抽象
  • 服務管理
  • 數據隱私保護及安全
  • 理論基礎
  • 商業模型
• 相關研究
• 總結
• 參考

寫在前面

本文是閱讀論文《邊緣計算：萬物互聯時代新型計算模型》的筆記。

背景

目前，大數據處理已經從以雲計算爲中心的集中式處理時代（把2005-2015年稱之爲集中式大數據處理時代）正在跨入以萬物互聯爲核心的邊緣計算時代（稱之爲邊緣式大數據處理時代）。集中式大數據處理時代，更多的是集中式存儲和處理大數據，其採起的方式是建造雲計算中心，並利用雲計算中心超強的計算能力來集中式解決計算和存儲問題。相比而言，在邊緣式大數據處理時代，網絡邊緣設備會產生海量實時數據；而且，這些邊緣設備將部署支持實時數據處理的邊緣計算平臺爲用戶提供大量服務或功能接口，用戶可經過調用這些接口來獲取所需的邊緣計算服務。

現有的問題

隨着物聯網（Internet of things, IoT） 的快速發展和4G/5G無線網絡的普及，萬物互聯(Internet of everything, IoE) 的時代已經到來，網絡邊緣設備數量的迅速增長，使得該類設備所產生的數據已達到澤字節（ZB）級別。以雲計算模型爲核心的集中式大數據處理時代，其關鍵技術已經不能高效處理邊緣設備所產生的數據。主要存在如下四個問題：

1. 線性增加的集中雲計算能力沒法匹配爆炸式增加的海量邊緣數據；
2. 從網絡邊緣設備傳輸海量數據到雲中心致使網絡傳輸帶寬的負載量急劇增長，形成較長的網絡延遲；
3. 網絡邊緣數據涉及我的隱私，使得隱私安全問題變得尤其突出；
4. 有限電能的網絡邊緣設備傳輸數據到雲中心消耗較大電能。

定義

邊緣計算是指在網絡邊緣執行計算的一種新型計算模型，邊緣計算中邊緣的下行數據表示雲服務，上行數據表示萬物互聯服務，而邊緣計算的邊緣是指從數據源到雲計算中心路徑之間的任意計算和網絡資源。

圖１中，藍色實線表示數據生產者發送源數據到雲中心，紅色實線表示數據消費者向雲中心發送使用請求，紅色虛線表示雲中心將結果反饋給數據消費者。

圖２表示基於雙向計算流的邊緣計算模型。雲計算中心不只從數據庫收集數據，也從傳感器和智能手機等邊緣設備收集數據。這些設備兼顧數據生產者和消費者．所以，終端設備和雲中心之間的請求傳輸是雙向的。網絡邊緣設備不只從雲中心請求內容及服務，並且還能夠執行部分計算任務，包括數據存儲、處理、緩存、設備管理、隱私保護等。

優點

邊緣計算模型將原有云計算中心的部分或所有計算任務遷移到數據源的附近執行。從大數據的3V特色，即數據量（volume）、時效性（velocity）、多樣性（variety），經過對比雲計算模型爲表明的集中式大數據處理（如圖３所示）和以邊緣計算模型爲表明的邊緣式大數據處理（如圖４所示）時代不一樣數據特徵來闡述邊緣計算模型的優點。

挑戰

在邊緣計算研究中可能遇到的迫切須要解決的７個關鍵問題，主要包括：可編程性、命名規則、數據抽象、服務管理、數據隱私保護及安全、理論基礎以及商業模式。

可編程性

雲計算模型下應用程序開發的一個優勢是基礎設施對用戶透明。用戶程序一般在目標平臺上編寫和編譯，在雲服務器上運行。在邊緣計算模型中，須要將部分或所有的計算任務從雲端遷移到邊緣節點，而邊緣節點大可能是異構平臺，每一個節點上的運行時環境可能有所差別，所以，在邊緣計算模型下部署用戶應用程序時，程序員將遇到較大的困難。而現有傳統編程方式MapReduce，Spark等均不適合，需研究基於邊緣計算的新型編程方式。

命名規則

在邊緣計算模型中，邊緣設備數目巨大，與計算機系統的命名規則相似，邊緣計算的命名規則對編程、尋址、識別和數據通訊具備很是重要的做用，而當前暫無較爲高效的命名規則。邊緣計算的命名規則不只須要知足異構設備間的通訊的需求，還須要知足移動設備、高度動態的網絡拓撲結構、隱私安全等需求。傳統的命名機制如DNS，URI知足大多數的網絡結構，但卻不能靈活地爲動態邊緣網絡提供服務，緣由在於大多數的邊緣設備具備高度移動性和有限資源，而基於IP的命名規則，因複雜性和開銷太大而難以應用到邊緣計算中。

數據抽象

邊緣計算模型中使用數據時會遇到3種挑戰：

1. 不一樣設備所傳輸數據格式的多樣性。
2. 數據抽象程度的不肯定性。若是數據抽象過濾較多的源數據，將致使一些應用或服務程序因沒法得到足夠信息而運行失敗；反之，若保留大量源數據，數據存儲和管理將是系統開發者所面臨的另外一種挑戰。此外，邊緣設備發送的數據具備不可靠性，如何從不可靠信息源中抽象出有用的信息還是一個技術挑戰。
3. 數據抽象的適用性。因爲邊緣設備的異構性，數據表示及操做也有所不一樣，這將成爲通用數據抽象的障礙。

服務管理

邊緣計算的服務管理方面，任意一種可靠系統均具備4種特徵：即差別性（differentiation）、可擴展性（extensibility）、隔離性（isolation）及可靠性（reliability）。

1. 差別性：網絡的邊緣會部署多種服務，而這些服務須要有不一樣的優先級。如健康相關的服務高於其餘娛樂服務的優先級。
2. 可擴展性：須要設計一種靈活且可擴展的邊緣操做系統來實現服務層的管理。
3. 隔離性：因爲在邊緣計算模型中存在多個應用共享同一種數據，當某個應用程序崩潰時不能影響到其餘須要訪問該數據的應用程序。另外如何隔離第三方程序與用戶的隱私數據也是一個挑戰。
4. 可靠性：從服務的角度來看，當服務失敗時要可以快速診斷故障或者恢復服務；從系統的角度來看，可以在系統層部署如故障檢測、設備替換和數據質量檢測等服務；從數據的角度來看，要可以在數據通訊不可靠的狀況下，提供可靠的服務。

數據隱私保護及安全

數據隱私保護及安全是邊緣計算提供的一種重要服務。相比將全部的數據處理過程都在雲計算中心進行，在數據源附近進行計算是保護隱私和數據安全的一種有效方法。

理論基礎

邊緣計算的理論基礎當前並不成熟，須要綜合計算、數據通訊、存儲及能耗優化等多學科已有比較完善的理論基礎，提出綜合性或多維度的邊緣計算理論，這是目前在開展邊緣計算研究中首要解決的關鍵性問題。合理的邊緣計算理論基礎對學界和產業界將來更好地開展基於邊緣計算模型的應用服務研究和開發工做具備極爲重要的指導意義。

商業模型

邊緣計算橫跨信息技術（IT）、通信技術（CT）等多個領域，涉及軟硬件平臺、網絡聯接、數據聚合、芯片、傳感、行業應用等多個產業鏈角色．邊緣計算的商業模型更多的將會不只是以服務爲驅動，用戶請求相應的服務，而更多的將以數據爲驅動。

相關研究

隨着大數據時代的發展，爲了解決雲計算中心計算負載和數據傳輸帶寬的問題，研究者也提出多種關於計算任務從雲計算中心遷移到網絡的邊緣的技術，其中主要典型模型包括：分佈式數據庫模型、P2P模型、CDN模型、移動邊緣計算模型、霧計算模型以及海雲計算。

總結

邊緣計算模型與雲計算模型並非非此即彼的關係，而是相輔相成的關係，邊緣式大數據處理時代是邊緣計算模型與雲計算模型的相互結合的時代，兩者的有機結合將爲萬物互聯時代的信息處理提供較爲完美的軟硬件支撐平臺。

參考

施巍鬆，孫輝，曹傑，等．邊緣計算：萬物互聯時代新型計算模型［J］．計算機研究與發展，2017，54（5）：904-924.