邊緣計算的發展歷程

年前施巍鬆教授和其團隊（張星洲、王一帆、張慶陽）應《計算機研究與發展》編輯部之邀，慶刊60週年發表論文，邊緣計算社區通過和施巍鬆教授溝通，將論文整理成幾篇，方便你們閱讀。字字珠璣，願你們多多轉發分享。

本文爲第一篇《邊緣計算的發展歷程》。

邊緣計算的發展歷程

本文在谷歌學術上以「edge computing」爲關鍵詞進行搜索每一年的文章數量，結果如圖1所示.能夠看到，2015年之前，邊緣計算處於原始技術積累階段；2015—2017年，邊緣計算開始被業內熟知，與之相關的論文增加了10餘倍，獲得了飛速發展；2018 年邊緣計算開始穩健發展（其中2018年的論文數量根據2018年前9個月的數據推算而來，實際數據有出入）。本文依據這一分析結果和對行業發展趨勢的觀察將邊緣計算的發展分爲3個階段:技術儲備期、快速增加期和穩定發展期。 圖2列舉了邊緣計算髮展中的典型事件（粗體字爲中國對邊緣計算髮展的貢獻）。

1.技術儲備期

在此階段，邊緣計算曆經「蟄伏一提出必定義一推廣」等發展過程.邊緣計算最先能夠追溯至1998年Akamai公司提出的內容分發網絡( content delivery network，CDN)，CDN 是一種基於互聯網的緩存網絡，依靠部署在各地的緩存服務器，經過中心平臺的負載均衡 、內容分發、調度等功能模塊，將用戶的訪問指向最近的緩存服務器上，以此下降網絡擁塞，提升用戶訪問響應速度和命中率。CDN強調內容(數據）的備份和緩存，而邊緣計算的基本思想則是功能緩存（function cache). 2005年美國韋恩州立大學施巍鬆教授的團隊就已提出功能緩存的概念 ，並將其用在個性化的郵箱管理服務中，以節省延遲和帶寬。 2009年Satyanarayanan等人提出了Cloudlet的概念，Cloudlet 是一個可信且資源豐富的主機，部署在網絡邊緣，與互聯網鏈接，能夠被移動設備訪問，爲其提供服務，Cloudlet能夠像雲同樣爲用戶提供服務，又被稱爲「小朵雲」.此時的邊緣計算強調下行，即將雲服務器上的功能下行至邊緣服務器，以減小帶寬和時延。

隨後，在萬物互聯的背景下，邊緣數據迎來了爆發性增加，爲了解決面向數據傳輸 、計算和存儲過程當中的計算負載和數據傳輸帶寬的問題，研究者開始探索在靠近數據生產者的邊緣增長數據處理的功能，即萬物互聯服務功能的上行。具備表明性的是移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC)、霧計算(fog computing)和海雲計算（cloud-sea computing)。

移動邊緣計算是指在接近移動用戶的無線接人網範圍內，提供信息技術服務和雲計算能力的一種新的網絡結構，並已成爲一種標準化、規範化的技術。因爲移動邊緣計算位於無線接人網內，並接近移動用戶，所以能夠實現較低延時、較高帶寬來提升服務質量和用戶體驗。移動邊緣計算強調在雲計算中心與邊緣計算設備之間創建邊緣服務器，在邊緣 服務器上完成終端數據的計算任務，但移動邊緣終端設備基本被認爲不具備計算能力，而邊緣計算模型中的終端設備具備較強的計算能力，所以移動邊緣計算相似一種邊緣計算服務器的架構和層次，做爲邊緣計算模型的一部分.思科公司於2012年提出了霧計算，並將霧計算定義爲遷移雲計算中心任務到網絡邊緣設備執行的一種高度虛擬化計算平臺. 它經過減小云計算中心和移動用戶之間的通訊次數，以緩解主幹鏈路的帶寬負載和能耗壓力。霧計算和邊緣計算具備很大的類似性，可是霧計算關注基礎設施之間的分佈式資源共享問題，而邊緣計算除了關注基礎設施以外，也關注邊緣設備，包括計算、 網絡和存儲資源的管理，以及邊端、邊邊和邊雲之間的合做.與此同時，2012年，中國科學院啓動了戰略性先導研究專項，稱之爲下一代信息與通訊技術倡儀，其主旨是開展「海雲計算系統項目」的研究，其核心是經過「雲計算」系統與「海計算」系統的協同與集成，加強傳統雲計算能力，其中，「海」端指由人類自己、物理世界的設備和子系統組成的終端.與邊緣計算相比，海雲計算關注「海」和「雲」這兩端，而邊緣計算關注從「海」到「雲」數據路徑之間的任意計算、存儲和網絡資源。

2013年，美國太平洋西北國家實驗室的Ryan LaMothe在一個2頁紙的內部報告中提出「edge computing」一詞，這是現代「edge computing」的首次提出。此時，邊緣計算的涵義已經既有云服務功能的下行，還有萬物互聯服務的上行.

2.快速增加期

2015—2017年爲邊緣計算快速增加期，在這段時間內，因爲邊緣計算知足萬物互聯的需求，引發了國內外學術界和產業界的密切關注.

在政府層面上，2016年5月，美國天然科學基金委（National Science Foundation，NSF)在計算機系統研究中將邊緣計算替換雲計算，列爲突出領域 (highlight area) ;8月，NSF和英特爾專門討論針對無線邊緣網絡上的信息中心網絡；10月，NSF舉辦邊緣計算重大挑戰研討會（NSF Workshop on Grand Challenges in Edge Computing),會議針對3個議題展開研究：邊緣計算將來5~10年的發展目標，達成目標所帶來的挑戰，學術界、工業界和政府應該如何協同合做來應對挑戰.這標誌着邊緣計算的發展已經在美國政府層面上引發了重視.

在學術界，2016年5月，美國韋恩州立大學施 巍鬆教授團隊給出了邊緣計算的一個正式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，邊緣計算操做的對象包括來自於雲服務的下行數據和來自於萬物互聯服務的上行數據，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，是一個連續統。並發表了「Edge Computing: Vision and Challenges」一文， 第1次指出了邊緣計算所面臨的挑戰，該文在2018年末被他引650次.同年10月，ACM和IEEE開始聯合舉辦邊緣計算頂級會議（ACM/IEEE Symposium on Edge Computing，SEC)，這是全球首個以邊緣計算爲主題的科研學術會議.自此以後，ICDCS, INFOCOM, Middleware, WWW 等重要國際會議也開始增長邊緣計算的分會（tack)或者專題研討會(workshop).

工業界也在努力推進邊緣計算的發展，2015年 9月，歐洲電信標準化協會（ETSI)發表關於移動邊緣計算的白皮書，並在2017年3月將移動邊緣計算行業規範工做組正式改名爲多接人邊緣計算 (multi-access edge computing，MEC)，致力於更好地知足邊緣計算的應用需求和相關標準制定. 2015年11月，思科、ARM、戴爾、英特爾、微軟和普林斯頓大學聯合成立了 OpenFog聯盟，主要致力於 Fog Reference Architecture 的編寫.爲了推動和應用場景在邊緣的結合，該組織於2018年12月 併入了工業互聯網聯盟.

國內邊緣計算的發展速度和世界幾乎同步，特別是從智能製造的角度.2016年11月，華爲技術有限公司、中國科學院瀋陽自動化研究所、中國信息通訊研究院、英特爾、ARM等在北京成立了邊緣計算產業聯盟（edge computingconsortium)，致力於推進「政產學研用」各方產業資源合做，引領邊緣計算產業的健康可持續發展.2017年5月首屆中國邊緣計算技術研討會在合肥開幕，同年8月中國自動化學會邊緣計算專委會成立，標誌着邊緣計算的發展已經獲得了專業學會的承認和推進.

3.穩健發展期

2018年是邊緣計算髮展過程當中的重要節點，儘管此前業內已經對邊緣計算報以了很大指望，而 2018年邊緣計算被推向前臺，開始被大衆熟知。這一階段，邊緣計算的參與者範圍擴大很快，如表1所示，參與者已經基本涵蓋了計算機領域的方方面面，本文將它們分爲6類：雲計算公司、硬件廠商、CDN 公司、通訊運營商、科研機構和產業聯盟/開源社區，並在表1中列舉它們近2年在邊緣計算領域的事件。

邊緣計算在穩健發展期有4個重要事件，2018 年1月全球首部邊緣計算專業書籍《邊緣計算》出版，它從邊緣計算的需求與意義、系統、應用、平臺等多個角度對邊緣計算進行了闡述.2018年9月17日在上海召開的世界人工智能大會，以「邊緣計算，智能將來」爲主題舉辦了邊緣智能主題論壇，這是中國從政府層面上對邊緣計算的發展進行了支持和探討.2018年8月兩年一度的全國計算機體系 結構學術年會以「由雲到端的智能架構」爲主題，因而可知，學術界的研究焦點已經由雲計算開始逐漸轉向邊緣計算.同時，邊緣計算也獲得了技術社區的大力支持，具備表明性的是2018年10月CNCF基金會和Eclipse基金會展開合做，將把在超大規模雲計算環境中已被廣泛使用的Kubernetes,帶人到物聯網邊緣計算場景中.新成立的Kubernetes物聯網邊緣工做組將採用運行容器的理念並擴展到邊緣，促進Kubernetes在邊緣環境中的適用。

本文相信，通過前期的技術儲備和最近幾年的快速增加，邊緣計算將成爲學術界和產業界的熱門話題，實現學術界與工業界的融合，加快產品落地，便利大衆生活，步人穩健發展時期。

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