物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和云服務(wù)的推動使得云計算模型已經(jīng)不能很好的解決現(xiàn)在的問題，于是，這里給出一種新型的計算模型——邊緣計算。

邊緣計算指的是在網(wǎng)絡(luò)的邊緣來處理數(shù)據(jù)，這樣能夠減少請求響應(yīng)時間、提升電池續(xù)航能力、減少網(wǎng)絡(luò)帶寬同時保證數(shù)據(jù)的安全性和私密性。

這篇文章會通過一些案例來介紹邊緣計算的相關(guān)概念，內(nèi)容包括云卸載、智能家居、智慧城市和協(xié)同邊緣節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)邊緣計算。希望這篇文章能夠給你一些啟發(fā)并讓更多的人投入邊緣計算的研究中來。

一

簡介

物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展讓我們進(jìn)入了后云時代，在我們的日常生活中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能會要求極快的響應(yīng)時間，數(shù)據(jù)的私密性等等。

如果把物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸給云計算中心，將會加大網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，網(wǎng)路可能造成擁堵，并且會有一定的數(shù)據(jù)處理延時。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)的推動，我們假設(shè)了一種新的處理問題的模型，邊緣計算，在網(wǎng)絡(luò)的邊緣產(chǎn)生、處理、分析數(shù)據(jù)。

二

為什么需要邊緣計算？

云服務(wù)的推動：云中心具有強(qiáng)大的處理性能，能夠處理海量的數(shù)據(jù)。但是，將海量的數(shù)據(jù)傳送到云中心成了一個難題。

云計算模型的系統(tǒng)性能瓶頸在于網(wǎng)絡(luò)帶寬的有限性，傳送海量數(shù)據(jù)需要一定的時間，云中心處理數(shù)據(jù)也需要一定的時間，這就會加大請求響應(yīng)時間，用戶體驗(yàn)極差。

物聯(lián)網(wǎng)的推動：現(xiàn)在幾乎所有的電子設(shè)備都可以連接到互聯(lián)網(wǎng)，這些電子設(shè)備會后產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的云計算模型并不能及時有效的處理這些數(shù)據(jù)，在邊緣結(jié)點(diǎn)處理這些數(shù)據(jù)將會帶來極小的響應(yīng)時間、減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、保證用戶數(shù)據(jù)的私密性。

終端設(shè)備的角色轉(zhuǎn)變：終端設(shè)備大部分時間都在扮演數(shù)據(jù)消費(fèi)者的角色，比如使用智能手機(jī)觀看愛奇藝、刷抖音等。

然而，現(xiàn)在智能手機(jī)讓終端設(shè)備也有了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的能力，比如在淘寶購買東西，在百度里搜索內(nèi)容這些都是終端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

下面兩幅圖，圖1是傳統(tǒng)云計算模型下的范式，最左側(cè)是服務(wù)提供者來提供數(shù)據(jù)，上傳到云中心，終端客戶發(fā)送請求到云中心，云中心響應(yīng)相關(guān)請求并發(fā)送數(shù)據(jù)給終端客戶。終端客戶始終是消費(fèi)者的角色。

圖2是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展下的邊緣計算范式。邊緣結(jié)點(diǎn)（包括智能家電、手機(jī)、平板等）產(chǎn)生數(shù)據(jù)，上傳到云中心，服務(wù)提供商也產(chǎn)生數(shù)據(jù)上傳到云中心。邊緣結(jié)點(diǎn)發(fā)送請求到云中心，云中心返還相關(guān)數(shù)據(jù)給邊緣結(jié)點(diǎn)。

圖1 云計算范式

圖2 邊緣計算范式

三

什么是邊緣計算？

邊緣計算指的是在網(wǎng)絡(luò)邊緣結(jié)點(diǎn)來處理、分析數(shù)據(jù)。這里，我們給出邊緣結(jié)點(diǎn)的定義，邊緣結(jié)點(diǎn)指的就是在數(shù)據(jù)產(chǎn)生源頭和云中心之間任一具有計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源的結(jié)點(diǎn)。

比如，手機(jī)就是人與云中心之間的邊緣結(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)是智能家居和云中心之間的邊緣結(jié)點(diǎn)。在理想環(huán)境中，邊緣計算指的就是在數(shù)據(jù)產(chǎn)生源附近分析、處理數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)，進(jìn)而減少網(wǎng)絡(luò)流量和響應(yīng)時間。

四

邊緣計算的優(yōu)點(diǎn)

在人臉識別領(lǐng)域，響應(yīng)時間由900ms減少為169ms。

把部分計算任務(wù)從云端卸載到邊緣之后，整個系統(tǒng)對能源的消耗減少了30%-40%，數(shù)據(jù)在整合、遷移等方面可以減少20倍的時間。

五

案例研究

云卸載

在傳統(tǒng)的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)都會緩存到邊緣結(jié)點(diǎn)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和消費(fèi)都是在邊緣結(jié)點(diǎn)，也就是說邊緣結(jié)點(diǎn)也需要承擔(dān)一定的計算任務(wù)。把云中心的計算任務(wù)卸載到邊緣結(jié)點(diǎn)這個過程叫做云卸載。

舉個例子，移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，讓我們得以在移動端流暢的購物，我們的購物車以及相關(guān)操作（商品的增刪改查）都是依靠將數(shù)據(jù)上傳到云中心才能得以實(shí)現(xiàn)的。

如果將購物車的相關(guān)數(shù)據(jù)和操作都下放到邊緣結(jié)點(diǎn)進(jìn)行，那么將會極大提高響應(yīng)速度，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。通過減少延遲來提高人與系統(tǒng)的交互質(zhì)量。

視頻分析

隨著移動設(shè)備的增加，以及城市中攝像頭布控的增加，利用視頻來達(dá)成某種目的成為一種合適的手段，但是云計算這種模型已經(jīng)不適合用于這種視頻處理，因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，并且視頻數(shù)據(jù)的私密性難以得到保證。

因此，提出邊緣計算，讓云中心下放相關(guān)請求，各個邊緣結(jié)點(diǎn)對請求結(jié)合本地視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后只返回相關(guān)結(jié)果給云中心，這樣既降低了網(wǎng)絡(luò)流量，也在一定程度上保證了用戶的隱私。

舉例而言，有個小孩兒在城市中丟失，那么云中心可以下放找小孩兒這個請求到各個邊緣結(jié)點(diǎn)，邊緣結(jié)點(diǎn)結(jié)合本地的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后返回是否找到小孩兒這個結(jié)果。相比把所有視頻上傳到云中心，并讓云中心去解決，這種方式能夠更快的解決問題。

智能家居

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展讓普通人家里的電子器件都變得活潑了起來，僅僅讓這些電子器件連上網(wǎng)絡(luò)是不夠的，我們需要更好的利用這些電子元件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)更好的為當(dāng)前家庭服務(wù)。

考慮到網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)私密保護(hù)，我們需要這些數(shù)據(jù)最好僅能在本地流通，并直接在本地處理即可。我們需要網(wǎng)關(guān)作為邊緣結(jié)點(diǎn)，讓它自己消費(fèi)家庭里所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

同時由于數(shù)據(jù)的來源有很多（可以是來自電腦、手機(jī)、傳感器等任何智能設(shè)備），我們需要定制一個特殊的OS，以至于它能把這些抽象的數(shù)據(jù)揉和在一起并能有機(jī)的統(tǒng)一起來。

智慧城市

邊緣計算的設(shè)計初衷是為了讓數(shù)據(jù)能夠更接近數(shù)據(jù)源，因此邊緣計算在智慧城市中有以下幾方面優(yōu)勢：

海量數(shù)據(jù)處理：在一個人口眾多的大城市中，無時無刻不在產(chǎn)生著大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)如果通通交由云中心來處理，那么將會導(dǎo)致巨大的網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

如果這些數(shù)據(jù)能夠就近進(jìn)行處理，在數(shù)據(jù)源所在的局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行處理，那么網(wǎng)絡(luò)負(fù)載就會大幅度降低，數(shù)據(jù)的處理能力也會有進(jìn)一步的提升。

低延遲：在大城市中，有很多服務(wù)是要求具有實(shí)時特性的，這就要求響應(yīng)速度能夠盡可能的進(jìn)一步提升。

比如醫(yī)療和公共安全方面，通過邊緣計算，將減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臅r間，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對于數(shù)據(jù)的分析、診斷和決策都可以交由邊緣結(jié)點(diǎn)來進(jìn)行處理，從而提高用戶體驗(yàn)。

位置感知：對基于位置的一些應(yīng)用來說，邊緣計算的性能要由于云計算。比如導(dǎo)航，終端設(shè)備可以根據(jù)自己的實(shí)時位置把相關(guān)位置信息和數(shù)據(jù)交給邊緣結(jié)點(diǎn)來進(jìn)行處理、邊緣結(jié)點(diǎn)基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和決策。

整個過程中的網(wǎng)絡(luò)開銷都是最小的。用戶請求得以極快的得到響應(yīng)。

邊緣協(xié)作

由于數(shù)據(jù)隱私性問題和數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)某杀締栴}，有一些數(shù)據(jù)是不能由云中心去處理的，但是這些數(shù)據(jù)有時候又需要多個部門協(xié)同合作才能發(fā)揮它最大的作用。

于是，我們提出了邊緣協(xié)同合作的概念，利用多個邊緣結(jié)點(diǎn)協(xié)同合作，創(chuàng)建一個虛擬的共享數(shù)據(jù)的視圖，利用一個預(yù)定義的公共服務(wù)接口來將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，同時，通過這個數(shù)據(jù)接口，我們可以編寫應(yīng)用程序?yàn)橛脩籼峁└鼜?fù)雜的服務(wù)。

舉個多個邊緣結(jié)點(diǎn)協(xié)同合作共贏的例子。

比如流感爆發(fā)的時候，醫(yī)院作為一個邊緣結(jié)點(diǎn)與藥房、醫(yī)藥公司、政府、保險行業(yè)等多個結(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，把當(dāng)前流感的受感染人數(shù)、流感的癥狀、治療流感的成本等共享給以上邊緣結(jié)點(diǎn)。

藥房通過這些信息有針對性的調(diào)整自己的采購計劃，平衡倉庫的庫存；醫(yī)藥公司則能通過共享的數(shù)據(jù)得知哪些為要緊的藥品，提升該類藥品生產(chǎn)的優(yōu)先級；政府向相關(guān)地區(qū)的人們提高流感警戒級別。

此外，還可以采取進(jìn)一步的行動來控制流感爆發(fā)的蔓延；保險公司根據(jù)這次流感程度的嚴(yán)峻性來調(diào)整明年該類保險的售價?？傊?，邊緣結(jié)點(diǎn)中的任何一個節(jié)點(diǎn)都在這次數(shù)據(jù)共享中得到了一定的利益。

六

機(jī)遇和挑戰(zhàn)

以上是邊緣計算在解決相關(guān)問題的潛力和展望，接下來會分析在實(shí)現(xiàn)邊緣計算的過程中將要面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

編程可行性

在云計算平臺編程是非常便捷的，因?yàn)樵朴刑囟ǖ木幾g平臺，大部分程序都可以在云上跑。但是邊緣計算下的編程就會面臨一個問題，平臺異構(gòu)問題，每一個網(wǎng)絡(luò)的邊緣都是不一樣的，有可能是ios系統(tǒng)，也有可能是安卓或者linux等等，不同平臺下的編程又是不同的。

因此我們提出了計算流的概念，計算流是數(shù)據(jù)傳播路徑上的函數(shù)序列/計算序列，可以通過應(yīng)用程序指定計算發(fā)生在數(shù)據(jù)傳播路徑中的哪個節(jié)點(diǎn)。

計算流可以幫助用戶確定應(yīng)該完成哪些功能/計算，以及在計算發(fā)生在邊緣之后如何傳播數(shù)據(jù)。通過部署計算流，可以讓計算盡可能的接近數(shù)據(jù)源。

命名

命名方案對于編程、尋址、事物識別和數(shù)據(jù)通信非常重要，但是在邊緣計算中還沒有行之有效的數(shù)據(jù)處理方式。

邊緣計算中事物的通信是多樣的，可以依靠wifi、藍(lán)牙、2.4g等通信技術(shù)，因此，僅僅依靠Tcp/ip協(xié)議棧并不能滿足這些異構(gòu)的事物之間進(jìn)行通信。

邊緣計算的命名方案需要處理事物的移動性，動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隱私和安全保護(hù)，以事物的可伸縮性。

傳統(tǒng)的命名機(jī)制如DNS(域名解析服務(wù))、URI(統(tǒng)一資源標(biāo)志符)都不能很好的解決動態(tài)的邊緣網(wǎng)絡(luò)的命名問題。

目前正在提出的NDN(命名分發(fā)網(wǎng)絡(luò))解決此類問題也有一定的局限性。在一個相對較小的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，我們提出一種解決方案，如圖3所示，我們描述一個事物的時間、地點(diǎn)以及正在做的事情，這種統(tǒng)一的命名機(jī)制使得管理變得非常容易。

當(dāng)然，當(dāng)環(huán)境上升到城市的高度的時候，這種命名機(jī)制可能就不是很合適了，還可以進(jìn)行進(jìn)一步的討論。

圖3 命名機(jī)制

數(shù)據(jù)抽象

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中會有大量的數(shù)據(jù)生成，并且由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)環(huán)境，生成的數(shù)據(jù)是各種格式的，把各種各樣的數(shù)據(jù)格式化對邊緣計算來說是一個挑戰(zhàn)。

同時，網(wǎng)絡(luò)邊緣的大部分事物只是周期性的收集數(shù)據(jù)，定期把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，而網(wǎng)關(guān)中的存儲是有限的，他只能存儲最新的數(shù)據(jù)，因此邊緣結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)會被經(jīng)常刷新。

利用集成的數(shù)據(jù)表來存儲感興趣的數(shù)據(jù)，表內(nèi)部的結(jié)構(gòu)可以如圖4所示，用Id、時間、名稱、數(shù)據(jù)等來表示數(shù)據(jù)。

圖4 相應(yīng)表結(jié)構(gòu)

如果篩選掉過多的原始數(shù)據(jù)，將導(dǎo)致邊緣結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)報告的不可靠，如果保留大量的原始數(shù)據(jù)，那么邊緣結(jié)點(diǎn)的存儲又將是新的問題；同時這些數(shù)據(jù)應(yīng)該是可以被引用程序讀寫和操作的，由于物聯(lián)網(wǎng)中事物的異構(gòu)性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫的讀寫和操作會存在一定的問題。

服務(wù)管理

邊緣結(jié)點(diǎn)的服務(wù)管理我們認(rèn)為應(yīng)該有以下四個特征，包括差異化、可擴(kuò)展性、隔離性和可靠性，進(jìn)而保證一個高效可靠的系統(tǒng)。

差異化：隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，會有這種各樣的服務(wù)，不同的服務(wù)應(yīng)該有差異化的優(yōu)先級。

比如，有關(guān)事物判斷和故障警報這樣的關(guān)鍵服務(wù)就應(yīng)該高于其它一般服務(wù)，有關(guān)人類身體健康比如心跳檢測相關(guān)的服務(wù)就要比娛樂相關(guān)服務(wù)的優(yōu)先級要高一些。

可擴(kuò)展性：物聯(lián)網(wǎng)中的物品都是動態(tài)的，向物聯(lián)網(wǎng)中添加或刪除一件物品都不是那么容易的，服務(wù)缺少或者增加一個新的結(jié)點(diǎn)能否適應(yīng)都是待解決的問題，這些問題可以通過對邊緣os的高擴(kuò)展和靈活的設(shè)計來解決。

隔離性：所謂隔離性是指，不同的操作之間互不干擾。舉例而言，有多個應(yīng)用程序可以控制家庭里面的燈光，有關(guān)控制燈光的數(shù)據(jù)是共享的，當(dāng)有某個應(yīng)用程序不能響應(yīng)時，使用其他的應(yīng)用程序依然能夠控制燈光。

也就是說這些應(yīng)用程序之間是相互獨(dú)立的，互相并沒有影響；隔離性還要求用戶數(shù)據(jù)和第三方應(yīng)用是隔離的，也就是說應(yīng)用不應(yīng)該能夠跟蹤用戶的數(shù)據(jù)并記錄下來，為了解決該問題，應(yīng)當(dāng)添加一種全新的應(yīng)用訪問用戶數(shù)據(jù)的方式。

可靠性：可靠性可以從服務(wù)、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)三方面來談?wù)摗?/p>

從服務(wù)方面來說，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲腥我夤?jié)點(diǎn)的丟失都有可能導(dǎo)致服務(wù)的不可用，如果邊緣系統(tǒng)能夠提前檢測到具有高風(fēng)險的節(jié)點(diǎn)那么就可以避免這種風(fēng)險。

較好的一種實(shí)現(xiàn)方式是使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)時監(jiān)測服務(wù)器集群。

從系統(tǒng)角度來看，邊緣操作系統(tǒng)是維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹匾徊糠謨?nèi)容。節(jié)點(diǎn)之間能夠互通狀態(tài)和診斷信息。這種特征使得在系統(tǒng)層面部署故障檢測、節(jié)點(diǎn)替換、數(shù)據(jù)檢測等十分的方便。

從數(shù)據(jù)角度來看，可靠性指的是數(shù)據(jù)在傳感和通信方面是可靠地。邊緣網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有可能會在不可靠的時候報告信息，比如當(dāng)傳感器處于電量不足的時候就極有可能導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不可靠。為解決此類問題可能要提出新的協(xié)議來保證物聯(lián)網(wǎng)在傳輸數(shù)據(jù)時的可靠性。

私密性

現(xiàn)存的提供服務(wù)的方法是手機(jī)終端用戶的數(shù)據(jù)并上傳到云端，然后利用云端強(qiáng)大的處理能力去處理任務(wù)，在數(shù)據(jù)上傳的過程中，數(shù)據(jù)很容易被別有用心的人收集到。

為了保證數(shù)據(jù)的私密性，我們可以從以下這些方面入手。

最優(yōu)化指標(biāo)

在邊緣計算當(dāng)中，由于節(jié)點(diǎn)眾多并且不同節(jié)點(diǎn)的處理能力是不同的，因此，在不同的節(jié)點(diǎn)當(dāng)中選擇合適的調(diào)度策略是非常重要的。接下來從延遲、帶寬、能耗和花費(fèi)這四個方面來討論最優(yōu)化的指標(biāo)。

延遲：很明顯云中心具有強(qiáng)大的處理能力，但是網(wǎng)絡(luò)延遲并不單單是處理能力決定的，也會結(jié)合數(shù)據(jù)在網(wǎng)路中傳輸?shù)臅r間。

拿智慧城市距離來說，如果要尋找丟失的小孩兒信息，在本地的手機(jī)處理，然后把處理結(jié)果返回給云明顯能加快響應(yīng)速度。

當(dāng)然，這種事情也是相對而言的，我們需要放一個邏輯判斷層，來判斷把任務(wù)交給哪一個節(jié)點(diǎn)處理合適，如果此時手機(jī)正在打游戲或者處理其他非常重要的事情，那么手機(jī)就不是很適合處理這種任務(wù)，把這種任務(wù)交給其他層次來處理會更好些。

帶寬：高帶寬傳輸數(shù)據(jù)意味著低延遲，但是高帶寬也意味著大量的資源浪費(fèi)。數(shù)據(jù)在邊緣處理有兩種可能，一種是數(shù)據(jù)在邊緣完全處理結(jié)束，然后邊緣結(jié)點(diǎn)上傳處理結(jié)果到云端；另外一種結(jié)果是數(shù)據(jù)處理了一部分，然后剩下的一部分內(nèi)容將會交給云來處理。

以上兩種方式的任意一種，都能極大的改善網(wǎng)路帶寬的現(xiàn)狀，減少數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸，進(jìn)而增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

能耗：對于給定的任務(wù)，需要判定放在本地運(yùn)算節(jié)省資源還是傳輸給其他節(jié)點(diǎn)計算節(jié)省資源。如果本地空閑，那么當(dāng)然在本地計算是最省資源的，如果本地正在忙碌狀態(tài)，那么把計算任務(wù)分給其他節(jié)點(diǎn)會更合適一些。

權(quán)衡好計算消耗的能源和網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗的能源是一件非常重要的事情。一般當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗的資源遠(yuǎn)小于在本地計算消耗的能源時，我們會考慮使用邊緣計算把計算任務(wù)卸載到其他空閑的節(jié)點(diǎn)上，幫助實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，保證每一個結(jié)點(diǎn)的高性能。

花費(fèi)：目前在邊緣計算上的花費(fèi)包括但不限于邊緣結(jié)點(diǎn)的構(gòu)建和維護(hù)、新型模型的開發(fā)等。利用邊緣計算的模型，大型的服務(wù)提供商在處理相同工作的情況下能夠獲取到更大的利潤。

小結(jié)：

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和云計算的推動使得邊緣計算的模型出現(xiàn)在社區(qū)之中。在邊緣結(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)能夠提高響應(yīng)速度，減少帶寬，保證用戶數(shù)據(jù)的私密性。

這篇文章當(dāng)中，我們提出了邊緣計算可能在以后的生活中一些相關(guān)場景的運(yùn)用，也提到了邊緣計算以后發(fā)展的展望和挑戰(zhàn)。希望以后有更多的有識之士能夠關(guān)注到這一領(lǐng)域。