边缘计算的架构和挑战与应用探讨.docx

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1、摘要：边缘计算是一种在网络边缘执行计算任务的新型计算模型，相比于云计算模型，能够更加迅速、可靠和节能地响应用户需求。从云计算模型的不足出发，首先介绍了边缘计算的概念和通用构架，随后详细阐述了两个边缘计算参考构架，总结了边缘计算面临的挑战，并介绍了针对这些挑战的研究进展。随着边缘计算相关理论和技术的发展，边缘计算将成为推动物联网服务升级的关键技术，以预测性维护和安防监控为例，对边缘计算的应用进行了介绍。关键词：边缘计算;云计算;框架1引言随着物联网、5G通信等技术的快速发展，万物互联的智能时代正在加速到来。中国经济信息社在2018年9月发布的20172018年中国物联网发展年度报告中提到，201

2、7年物联网设备的数量增长强劲，达到84亿台，首次超过全球人口数量。伴随而来的是数据量的高速增长，数据统计公司StatiSta预测，到2020年，将大约有310亿个物联网设备连接，同时据思科云指数估计，2021年云计算的数据总流量将达到18.9ZB,相比2016年的6.0ZB增长2.15倍，这种情形对当前广泛使用的云计算模型提出了巨大的挑战。边缘计算是一种在靠近物或数据源头的网络边缘提供智能服务的新型计算模型，它能够节省网络流量、提高响应速度和保护用户隐私，在物联网应用中显示出了优于云计算的性能，受到工业界、学术界的高度关注和一致认可。边缘计算于2015年进入快速发展期，并迅速在安防监控、智慧城

3、市、智慧家居等行业实现了应用试点。边缘计算的快速发展得益于学术界的高度关注。近年来，计算机及通信等领域的知名国际学术会议中，关于边缘计算的文章数目和比例逐年上升，其中计算机领域顶级会议ICDCS在2015年、2016年和2017年收录的边缘计算方向的文章比例分别为6.7%9.3%和12.7%,通信领域顶级会议INFOCOM每年约收录270篇文章，其中2016年和2017年收录边缘计算方向的文章分别为8篇和5篇，2018年收录边缘计算方向的文章高达29篇，可见学术界对边缘计算的热情。此外，2016年ACM与IEEE共同创办了首个以边缘计算为主题的学术会议IEEE/ACMSymPOSiUmOnEd

4、geCOmPUting(SEC)以推进边缘计算关键技术的发展。2边缘计算概述2.1 边缘计算的产生背景云计算服务是一种集中式服务，所有数据都通过网络传输到云计算中心进行处理。资源的高度集中与整合使得云计算具有很高的通用性，然而，面对物联网设备和数据的爆发式增长，基于云计算模型的聚合性服务逐渐显露出了其在实时性、网络制约、资源开销和隐私保护上的不足。云计算难以保证实时性要求。云计算模型将全部数据上传至云计算中心进行处理，其处理速度受到网络带宽、中心计算能力、总计算任务量等多因素的影响，且请求至响应的链路较长，各个环节的时延累计可能造成无法接受的处理时延。云计算对网络环境过度依赖。尽管我国4G网络

5、覆盖率已经超过95%,但仍存在海岛、地下室等网络盲区，同时也存在山谷、隧道等无法保证网络质量的区域。由于云计算依赖网络实现数据的传输，在这些场景中其难以提供可靠的服务。云计算的资源开销较大。随着数据量的攀升，数据传输带来的网络流量开销也在逐渐升高，同时云计算中心的计算、存储功能带来了极高的能耗，而这些开销并不是完全必要的。以野生动物保护区中的监控图像处理为例，大量的监控图像中并未包含任何动物，然而云计算模型仍然会对每一张图片进行传输、处理和存储。云计算难以保证用户隐私。云计算处理的数据可能是包含用户隐私的，例如家庭内的监控摄像头、工厂内的生产数据等，尽管存在用户隐私协议等约束，但服务提供商对数

6、据的实际使用情况是不透明的，例如2017年8月，华为技术有限公司被报道根据用户聊天内容自动加载地址、天气等信息，侵犯了用户隐私。为了弥补集中式云计算的不足，边缘计算的概念应运而生，它是指在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务。由于传输链路的缩短，边缘计算能够在数据产生侧快捷、高效地响应业务需求，数据的本地处理也可以提升用户隐私保护程度。另外，边缘计算减小了服务对网络的依赖，在离线状态下也能够提供基础业务服务。云边协同的联合式服务能够充分利用云计算和边缘计算的联合优势，针对不同特征的业务需求进行灵活的部署和响应，图1是云计算模型与

7、云边协同计算模型的对比。据思科云指数估计，2019年人、机、物产生的数据将达到500ZB,网络带宽将成为云计算的瓶颈，融入边缘计算的云边协同的联合式服务将成为更有效的服务构架。国际数据公司IDC也预测，到2022年，超过40%的云部署结构将容纳边缘计算能力。（八）云计算稹地(b)云边协H计算模型图1云计算模型与云边协同计算模型2.2 边缘计算的概念边缘计算最早可以追溯至内容分发网络(ContentdeliVerynetWork,CDN)中功能缓存的概念，2015年边缘计算进入快速发展期后，以边缘计算为主题的协会与联盟相继成立，各类定义、标准与规范逐渐形成。旨在推动云操作系统的发展、传播和使用的

8、OPenStaCk基金会以及由华为技术有限公司、中国科学院沈阳自动化研究所等联合成立的边缘计算产业联盟(EdgecomputingConsortium,ECO等组织对边缘计算进行了定义，尽管这些定义的描述不尽相同，但在边缘计算的核心概念上达成了共识：边缘计算是指在网络边缘执行计算的一种新型计算模型，这里的边缘是指从数据源到云计算中心之间的任意资源，其操作对象包括来自于云服务的下行数据和万物互联服务的上行数据。与云计算模型不同的是，边缘计算中终端设备与云计算中心的请求与响应是双向的，如图2所示，终端设备不仅向云计算中心发出请求，同时也能够完成云计算中心下发的计算任务。云计算中心不再是数据生产者和

9、消费者的唯一中继，由于终端设备兼顾了数据生产者和消费者的角色，部分服务可以直接在边缘完成响应，并返回终端设备，云计算中心和边缘分别形成了两个服务响应流。云计算中心响应请求数据上传i口白静二口鼠三u=图2边缘计算的双向计算流模型边缘计算的核心是在靠近数据源或物的一侧提供计算、存储和应用服务，这似乎与雾计算将计算和分析能力扩展至网络“边缘”的定义非常相近。雾计算也是云计算模型的延伸，但雾计算的核心是将云计算中心的能力下沉至接近物的一侧，具有更平坦的架构，属于通用性较高的基础设施，仍然依赖于网络，多使用本地服务器或路由器实现。从实现架构来讲，雾计算也属于边缘计算的一种，除了在雾计算中部署通用性较高的

10、基础设施以外，边缘计算还可以将终端设备侧的能力进行升级，依赖于不构成网络的终端节点。3边缘计算架构3.1 边缘计算的通用架构云边协同的联合式网络结构一般可以分为终端层、边缘计算层和云计算层,如图3所示，各层可以进行层间及跨层通信，各层的组成决定了层级的计算和存储能力，从而决定了各个层级的功能。云计算中心图3云边协同的联合式网络结构（1）终端层终端层由各种物联网设备（如传感器、RFlD标签、摄像头、智能手机等）组成，主要完成收集原始数据并上报的功能。在终端层中，只考虑各种物联网设备的感知能力，而不考虑它们的计算能力。终端层的数十亿台物联网设备源源不断地收集各类数据，以事件源的形式作为应用服务的输

11、入。（2）边缘计算层边缘计算层是由网络边缘节点构成的，广泛分布在终端设备与计算中心之间，它可以是智能终端设备本身，例如智能手环、智能摄像头等，也可以被部署在网络连接中，例如网关、路由器等。显然，边缘节点的计算和存储资源是差别很大的，并且边缘节点的资源是动态变化的，例如智能手环的可使用资源是随着人的使用情况动态变化的。因此，如何在动态的网络拓扑中对计算任务进行分配和调度是值得研究的问题。边缘计算层通过合理部署和调配网络边缘侧的计算和存储能力，实现基础服务响应。（3）云计算层在云边计算的联合式服务中，云计算仍然是最强大的数据处理中心，边缘计算层的上报数据将在云计算中心进行永久性存储，边缘计算层无法

12、处理的分析任务和综合全局信息的处理任务也仍然需要在云计算中心完成。除此之外，云计算中心还可以根据网络资源分布动态调整边缘计算层的部署策略和算法。边缘计算的参考框架是众多组织关注的焦点，它将抽象的边缘计算通用框架进行具象,提供了边缘计算框架的实现范式。第3.2节与第3.3节将详细介绍1.inux基金会与边缘计算产业联盟提出的两种参考架构。3.2 EdgeXFoundry2017年4月，1.inUX基金会创立了EdgeXFoundrytK,旨在创造一个互操作性强、即插即用和模块化的物联网边缘计算生态系统，提出了专注于物联网边缘的标准化的微服务框架一一EdgeXFoundryo该框架最早孵化于戴尔公

13、司的物联网中间件框架中，现已将代码开源，可供开发者快速地根据自己的服务需求进行重构和部署，其结构如图4所示。架构的设计遵循了以下原则：架构应是与平台无关的，能够与多类别操作系统进行对接；架构需具有高灵活性，其中的任意部分应该都可以进行升级、替换或扩充；架构需具有存储和转发的功能，支持离图4EdgeXFoundry架构EdgeXFOUndry是微服务的集合，这些微服务分为4个层次：设备服务层、核心服务层、支持服务层、应用及导出服务层。以核心服务层为界，整个服务架构可以分为“北侧”和“南侧”。“北侧”包含云计算中心和与云计算中心通信的网络，包含支持服务层与应用及导出服务层。其中，支持服务层包含各种

14、微服务,可提供边缘分析能力，并可以为框架本身提供日志记录、调度和规则引擎等服务;应用及导出服务层则保证了EdgeXFoundry的独立运行，在其不与云计算中心连接时，仍可以对边缘设备的数据进行收集，同时、导出服务层也负责提供网关客户端注册等功能，并对与云计算中心传递的数据格式和规则进行实现。“南侧”包含物理领域中的全部物联网对象以及与它们直接通信的网络边缘。其中，设备服务层提供软件开发工具包(SOftWaredeVeIOPmentki3SDK),以实现与设备的连接和通信，设备可以是网关或其他具有数据汇集能力的设备，同时设备服务层也可以接收来自其他微服务的命令，进而传递到设备。作为中心的核心服务

15、层是实现边缘能力的关键，其中“核心数据服务”提供了持久性存储服务和对设备数据的管理服务。“命令服务”负责将云计算中心的需求驱动至设备端，并提供命令的缓存和管理服务。“中继数据服务”为中继数据(又称元数据，是对数据的属性描述)提供管理和存储服务，信息用于为设备和服务提供配对。“注册及配置服务”为其他微服务提供配置信息。EdgeXFoundry还包含了两个贯穿整个框架且为各层提供服务的基础服务层一安全和系统管理。安全服务中的元件为EdgeXFOUndry中的各类设备提供保护，支持认证授权计费(authenticationauthorizationaccounting,AAA)访问控制、高级加密标准

16、(advancedencryptionstandard,AES)数据加密、证书认证、超文本传输安全协议(HTrPS)等保护方法。系统管理工具提供了监控EdgeXFoundry运行情况的能力，在未来可能会提供服务配置、为管理平台提供信息等能力。EdgeXFoundry的主要任务是简化和标准化工业物联网边缘计算，它提供了一个可操作的开源平台，有效降低了边缘计算的准入门槛，小型应用提供商也能够快速地构建和部署边缘计算服务。工业物联网推广组织工业互联网联盟(IndustriannternetConsortium,IIC)已经与1.inUX基金会达成合作协议，共同推进工业物联网边缘服务的普及。3.3边缘计算参考框架3.0除了1.inux基金会外，边缘计算产业联盟也于2018年12月发布了边缘计算白皮书3.0，并提出了边缘计算参考构架3.0(以下简称边缘框架3.0)。边