邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究與分析

本文首發(fā)于 5G工業(yè)互聯(lián) ,作者黃澤龍汹族。

【摘 要】物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展開(kāi)啟了萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代萧求,設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)和應(yīng)用的多樣化帶來(lái)了海量數(shù)據(jù),對(duì)傳輸帶寬顶瞒、時(shí)效性夸政、異構(gòu)接入等提出了新要求。邊緣計(jì)算在靠近數(shù)據(jù)源側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理榴徐,有效地減少數(shù)據(jù)傳輸量守问、降低服務(wù)響應(yīng)時(shí)延匀归、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)效能。本文在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的不同位置引入邊緣計(jì)算耗帕,形成端邊緣穆端、網(wǎng)邊緣和云邊緣三類(lèi)邊緣,分析三類(lèi)邊緣的技術(shù)方案仿便,總結(jié)邊緣計(jì)算目前存在的問(wèn)題体啰,為物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的發(fā)展提供參考。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)嗽仪;邊緣計(jì)算荒勇;MEC

1? 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展,更為頻繁的人機(jī)交互闻坚、指數(shù)式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量枕屉、持續(xù)增加的終端種類(lèi)和不斷涌現(xiàn)的服務(wù)場(chǎng)景,對(duì)傳輸帶寬鲤氢、時(shí)效性搀擂、異構(gòu)接入等提出了更高要求。邊緣計(jì)算在靠近物或數(shù)據(jù)源的一側(cè)卷玉,就近提供近端網(wǎng)絡(luò)哨颂、數(shù)據(jù)、計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù)相种。物聯(lián)網(wǎng)一般是“端威恼、網(wǎng)、云”三層架構(gòu):端寝并,包括感知設(shè)備箫措、執(zhí)行設(shè)備和通信控制網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制衬潦;網(wǎng)斤蔓,包括2/3/4G、WiFi,NB-loT镀岛、光寬等技術(shù)的泛在連接網(wǎng)絡(luò)弦牡,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸;云漂羊,包括云主機(jī)驾锰、負(fù)載、云服務(wù)等走越,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)椭豫、處理,提供應(yīng)用服務(wù)。因此,很有必要在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的不同層次引入邊緣計(jì)算赏酥,以滿(mǎn)足海量異構(gòu)設(shè)備快速接入喳整,服務(wù)迅速響應(yīng),網(wǎng)絡(luò)效能提高等新需求今缚。

目前國(guó)內(nèi)不少學(xué)者開(kāi)展邊緣計(jì)算研究算柳,文獻(xiàn)[1-4]介紹邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)低淡、關(guān)鍵技術(shù)姓言、開(kāi)源項(xiàng)目和應(yīng)用展望等,文獻(xiàn)[5-6]介紹移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)的標(biāo)準(zhǔn)情況蔗蹋、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)何荚、關(guān)鍵技術(shù)和典型應(yīng)用場(chǎng)景。但是缺乏整體介紹引入邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)猪杭、不同層次邊緣計(jì)算的技術(shù)方案餐塘,以及邊緣計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題。本文基于此,開(kāi)展進(jìn)一步的介紹皂吮、分析和總結(jié)戒傻。

2? 引入邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)

如圖1所示,在物聯(lián)網(wǎng)的端、網(wǎng)蜂筹、云三層引入邊緣計(jì)算,形成端邊緣需纳、網(wǎng)邊緣和云邊緣三類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算:

(1)端邊緣,在端層引入邊緣計(jì)算艺挪,提供數(shù)據(jù)本地解析不翩、分析、決策和設(shè)備聯(lián)動(dòng)等服務(wù)麻裳。

(2)網(wǎng)邊緣口蝠,在網(wǎng)層引入邊緣計(jì)算,提供數(shù)據(jù)分流津坑、IaaS妙蔗、PaaS和SaaS級(jí)的數(shù)據(jù)或應(yīng)用服務(wù)。

(3)云邊緣疆瑰,云層引入邊緣計(jì)算灭必,負(fù)責(zé)云服務(wù)間的數(shù)據(jù)協(xié)同、解析和交互等公共服務(wù)乃摹。

通常情況下禁漓,端邊緣由物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商提供,網(wǎng)邊緣由電信運(yùn)營(yíng)商提供孵睬,云邊緣則由云計(jì)算服務(wù)商提供播歼。

圖1?引入邊緣計(jì)算的物聯(lián)網(wǎng)變化

2.1 端邊緣

物聯(lián)網(wǎng)的端邊緣技術(shù)方案如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(攝像頭、門(mén)禁秘狞、空氣監(jiān)測(cè)儀叭莫、水質(zhì)監(jiān)測(cè)器等)通過(guò)藍(lán)牙、NFC烁试、ZigBee雇初、Wi-Fi和有線等方式接入邊緣網(wǎng)關(guān),邊緣網(wǎng)關(guān)提供網(wǎng)絡(luò)通信减响、數(shù)據(jù)采集靖诗、設(shè)備控制以及邊緣服務(wù),云端提供邊緣網(wǎng)關(guān)管理(邊緣網(wǎng)關(guān)的升級(jí)優(yōu)化支示、參數(shù)配置刊橘、資源分配和服務(wù)部署等)、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)颂鸿。邊緣網(wǎng)關(guān)提供的邊緣服務(wù)包括但不限于:

(1)本地暫存促绵,數(shù)據(jù)緩存在本地,通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)再次上報(bào)嘴纺,防止數(shù)據(jù)丟失败晴。

(2)本地聯(lián)動(dòng),基于規(guī)則實(shí)現(xiàn)快速控制本地設(shè)備(比如,氨氣濃度過(guò)高栽渴,啟動(dòng)風(fēng)機(jī)通風(fēng))尖坤,以及本地設(shè)備間的快速聯(lián)動(dòng)(比如,開(kāi)門(mén)和開(kāi)燈聯(lián)動(dòng))熔萧,防止斷網(wǎng)時(shí)設(shè)備云端控制糖驴、云端聯(lián)動(dòng)無(wú)法執(zhí)行。

(3)數(shù)據(jù)分析佛致,使用數(shù)據(jù)過(guò)濾贮缕、聚合計(jì)算、異常檢測(cè)俺榆、數(shù)據(jù)排序等技術(shù)分析流式數(shù)據(jù)感昼,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)過(guò)濾、清洗罐脊、加工定嗓、聚合、質(zhì)量?jī)?yōu)化(剔除壞數(shù)據(jù))后再上云萍桌,減少數(shù)據(jù)傳輸成本和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化宵溅;

(4)數(shù)據(jù)分發(fā),基于預(yù)定義規(guī)則上炎、路由信息和數(shù)據(jù)分析結(jié)果恃逻,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其它設(shè)備、邊緣網(wǎng)關(guān)。

(5)協(xié)議適配寇损,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自動(dòng)轉(zhuǎn)換凸郑,以及對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(比如,按照模板將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指定格式)矛市。

(6)安全服務(wù)芙沥,包括身份安全、數(shù)據(jù)安全浊吏、網(wǎng)絡(luò)安全和系統(tǒng)安全四方面而昨,由于邊緣網(wǎng)關(guān)計(jì)算能力有限,安全服務(wù)要求輕量化卿捎。身份安全配紫,主要是海量設(shè)備接入的身份認(rèn)證径密;數(shù)據(jù)安全午阵,包括數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)防篡改享扔、數(shù)據(jù)脫敏等底桂;網(wǎng)絡(luò)安全,包括網(wǎng)絡(luò)異常行為識(shí)別惧眠、DDoS防護(hù)等籽懦;系統(tǒng)安全,包括進(jìn)程異常檢測(cè)氛魁、異常事件監(jiān)測(cè)等暮顺。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)端邊緣方案


2.2 網(wǎng)邊緣

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)邊緣服務(wù),目前多指移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)服務(wù)秀存。MEC服務(wù)的部署形態(tài)捶码,除了文獻(xiàn)同提出的4G網(wǎng)絡(luò)下MEC服務(wù)器以獨(dú)立設(shè)備部署在無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)側(cè)、4G網(wǎng)絡(luò)下MEC服務(wù)器與PGW部署或链、4G網(wǎng)絡(luò)下MEC服務(wù)器和DGW部署和5G MEC四種形態(tài)之外惫恼,還有固移融合接入的MEC。目前澳盐,大力推進(jìn)的只有5G MEC,固移融合接入的MEC正在探索實(shí)踐中祈纯,其它部署形態(tài)的MEC業(yè)界關(guān)注較少。

5G MEC結(jié)合UPF的邊緣技術(shù)方案如圖3所示叼耙,是目前電信運(yùn)營(yíng)商正在推廣和試點(diǎn)的5G MEC方案腕窥。此方案中,MEC管理平臺(tái)負(fù)責(zé)MEC服務(wù)管理筛婉、服務(wù)部署和規(guī)則配置簇爆;MEC服務(wù)負(fù)責(zé)提供IaaS、PaaS、SaaS級(jí)的數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)冕碟;邊緣UPF負(fù)責(zé)按照MEC管理平臺(tái)配置的數(shù)據(jù)分流規(guī)則拦惋,將流量轉(zhuǎn)發(fā)至MEC服務(wù);通過(guò)三個(gè)步驟為用戶(hù)提供服務(wù):

(1)MEC應(yīng)用部署安寺,MEC管理平臺(tái)為用戶(hù)分配MEC服務(wù)能力厕妖,并將用戶(hù)應(yīng)用部署到MEC服務(wù)上。

(2)分流規(guī)則配置挑庶,用戶(hù)在MEC管理平臺(tái)上配置分流規(guī)則言秸,經(jīng)PCF、SMF,下發(fā)到邊緣UPF迎捺。

(3)數(shù)據(jù)分流举畸,邊緣UPF根據(jù)分流規(guī)則,將本地?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到MEC服務(wù)或集中UPF凳枝;MEC服務(wù)處理完數(shù)據(jù)以后抄沮,直接響應(yīng)或通過(guò)SD-WAN,入云專(zhuān)線將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

圖3 5G UPF/ MEC方案

2.3 云邊緣

云邊緣岖瑰,業(yè)界研究較少叛买。本文認(rèn)為云邊緣是云服務(wù)在邊緣側(cè)的延伸,邏輯上仍是云服務(wù)蹋订,提供的能力依賴(lài)于云服務(wù)或需要與云服務(wù)緊密協(xié)同率挣。其提供的服務(wù)包括多維多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)露戒、基于輕量深度學(xué)習(xí)的模型訓(xùn)練椒功、圖像識(shí)別、視頻識(shí)別等智什。

3? 對(duì)比分析

端邊緣动漾、網(wǎng)邊緣和云邊緣是邊緣計(jì)算的三種形態(tài),都是在靠近數(shù)據(jù)源側(cè)提供近端服務(wù)撩鹿;不過(guò)它們?cè)诜?wù)能力谦炬、功能和作用等方面都有所不同,具體如表1所示节沦。端邊緣键思,服務(wù)能力一般,提供的服務(wù)側(cè)重于設(shè)備管理甫贯、數(shù)據(jù)本地預(yù)處理吼鳞,可以看作是設(shè)備能力的擴(kuò)展。網(wǎng)邊緣叫搁,服務(wù)能力較強(qiáng)赔桌,提供類(lèi)似于云計(jì)算的IaaS供炎、PaaS和SaaS服務(wù),可以看作是云服務(wù)能力的下沉疾党。云邊緣音诫,服務(wù)能力強(qiáng),提供的是公共云服務(wù)雪位,可以看作是云服務(wù)能力的前置竭钝。

表1 端邊緣、網(wǎng)邊緣和云邊緣的多維對(duì)比

端邊緣網(wǎng)邊緣云邊緣

位置設(shè)備/網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)云

主要提供商物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商電信運(yùn)營(yíng)商云計(jì)算服務(wù)商

服務(wù)對(duì)象設(shè)備服務(wù)服務(wù)

服務(wù)能力一般雹洗,依賴(lài)于設(shè)備和網(wǎng)關(guān)能力較強(qiáng)香罐,依賴(lài)于部署到基站、區(qū)域的MEC服務(wù)器強(qiáng)时肿,依賴(lài)于大型的云計(jì)算集群服務(wù)

功能本地暫存庇茫、本地聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)分析螃成、數(shù)據(jù)分發(fā)旦签、協(xié)議適配、安全服務(wù)IaaS锈颗、SaaS顷霹、PaaS級(jí)的數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)融合咪惠、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)击吱、模型訓(xùn)練、人工智能

作用異構(gòu)設(shè)備快速接入遥昧,數(shù)據(jù)最近端實(shí)時(shí)交互覆醇,數(shù)據(jù)優(yōu)化減少數(shù)據(jù)傳輸,邊緣組網(wǎng)相對(duì)更安全炭臭,身份認(rèn)證永脓、數(shù)據(jù)保護(hù)和系統(tǒng)防護(hù)數(shù)據(jù)分流,數(shù)據(jù)近端處理在云端提供強(qiáng)大的較近端的數(shù)據(jù)預(yù)處理鞋仍、數(shù)據(jù)分發(fā)常摧、大數(shù)據(jù)分析等能力

典型場(chǎng)景工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能家居威创、智慧社區(qū)落午、智慧園區(qū)...智能視頻加速、車(chē)聯(lián)網(wǎng)肚豺、智慧社區(qū)溃斋、智慧園區(qū)...視頻智能接入、視頻合成吸申、消息中間件...

本質(zhì)設(shè)備能力的擴(kuò)展云服務(wù)能力的下沉云服務(wù)能力的前置

應(yīng)用場(chǎng)景方面梗劫,端邊緣可以廣泛應(yīng)用到需要采集設(shè)備數(shù)據(jù)享甸、控制/聯(lián)動(dòng)設(shè)備和自組網(wǎng)的本地服務(wù)場(chǎng)景悠反,比如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的制造自動(dòng)化耀石,農(nóng)業(yè)的養(yǎng)殖自動(dòng)化等颁井,適用于本地設(shè)備聯(lián)動(dòng)竖独、本地?cái)?shù)據(jù)清洗和區(qū)域組網(wǎng)奇徒;網(wǎng)邊緣更多的是應(yīng)用到區(qū)域服務(wù)場(chǎng)景干像,比如園區(qū)綜合治理赖歌、社區(qū)管理以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)等构资,適用于數(shù)據(jù)的區(qū)域治理割坠;云邊緣則偏向于通用的云服務(wù)場(chǎng)景齐帚,比如視頻融合、消息轉(zhuǎn)發(fā)等彼哼,適用于數(shù)據(jù)的云端預(yù)處理对妄。

4? 發(fā)展挑戰(zhàn)

通過(guò)分析,可以看到物聯(lián)網(wǎng)引入邊緣計(jì)算敢朱,豐富了物聯(lián)網(wǎng)的端剪菱、網(wǎng)和云能力,可以為各種場(chǎng)景提供靠近數(shù)據(jù)源的不同層次的服務(wù)能力拴签。產(chǎn)業(yè)屆對(duì)邊緣計(jì)算在消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)孝常、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)蚓哩、智慧園區(qū)构灸、智慧城市等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用寄予厚望。但是岸梨,現(xiàn)階段邊緣計(jì)算面臨諸多挑戰(zhàn)喜颁,限制了邊緣計(jì)算的快速發(fā)展。面臨的挑戰(zhàn)曹阔,除了文獻(xiàn)[4]中提出的技術(shù)尚未成熟半开、體積架構(gòu)亟需統(tǒng)一、安全隱私存在挑戰(zhàn)之外赃份,還包括:

(1)收費(fèi)方式寂拆、商業(yè)模式不清晰。國(guó)內(nèi)典型的端邊緣服務(wù)有百度的智能邊緣BIE和阿里云的物聯(lián)網(wǎng)邊緣服務(wù)抓韩,前者正在公測(cè)纠永,收費(fèi)方式商業(yè)模式未知;后者暫時(shí)不收費(fèi)园蝠,主要是作為一個(gè)輔助功能渺蒿,拉動(dòng)阿里物聯(lián)網(wǎng)IOT平臺(tái)的消息數(shù)量。網(wǎng)邊緣5G MEC的商業(yè)模式彪薛,文獻(xiàn)[7]提出了5種商業(yè)模式一“基礎(chǔ)設(shè)施資源的方式銷(xiāo)售5G邊緣計(jì)算服務(wù)”茂装、“以能力開(kāi)放怠蹂、按照API的不同性質(zhì)采用不同收費(fèi)模式”、“直接以應(yīng)用的方式銷(xiāo)售”少态、“按照量化指標(biāo)銷(xiāo)售”以及“與其它電信服務(wù)整合銷(xiāo)售”城侧,商業(yè)模式豐富。但現(xiàn)實(shí)中彼妻,更多的是按照算力和存儲(chǔ)的大小嫌佑,以及是否需要分流功能探索收費(fèi)方式。云邊緣服務(wù)目前商業(yè)模式比較單一侨歉,基本上采用按調(diào)用量收費(fèi)屋摇。

(2)業(yè)務(wù)需求不夠強(qiáng)烈。統(tǒng)一的幽邓、開(kāi)放的端邊緣服務(wù)目前需求不強(qiáng)炮温,更多的是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商在網(wǎng)關(guān)里自實(shí)現(xiàn)端邊緣的數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)清洗牵舵、協(xié)議適配和本地聯(lián)動(dòng)等服務(wù)中的若干項(xiàng)柒啤;并且端邊緣提供的服務(wù),能力較弱畸颅,難以滿(mǎn)足不同行業(yè)的數(shù)據(jù)處理要求担巩。5G MEC服務(wù)可以應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的智慧園區(qū)、智慧社區(qū)等場(chǎng)景没炒,但實(shí)際上社區(qū)涛癌、園區(qū)可能僅僅需要邊緣UPF將流量導(dǎo)到自建的邊緣服務(wù)器,而不是電信運(yùn)營(yíng)商提供的5G MEC窥浪。云邊緣的場(chǎng)景不夠豐富祖很,并且其本質(zhì)上是云服務(wù),邊緣作用體現(xiàn)不夠強(qiáng)漾脂。此外,邊緣計(jì)算可以應(yīng)用到計(jì)算密集型應(yīng)用(AR/VR)胚鸯、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景骨稿,但是AR/VR、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等新型場(chǎng)景本身正處于摸索發(fā)展階段姜钳,邊緣計(jì)算需求不強(qiáng)坦冠。

(3)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)存在困難。主要是針對(duì)網(wǎng)邊緣哥桥,包括:機(jī)房規(guī)模辙浑、供電等條件參差不齊,機(jī)房改造困難拟糕;機(jī)房改造需跟邊緣計(jì)算設(shè)備判呕、通用硬件協(xié)同倦踢,改造流程復(fù)雜邊緣服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)與機(jī)房管理能力參差不齊,管理難度大侠草。

5? 結(jié)束語(yǔ)

關(guān)于邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用辱挥,本文提出“端邊緣”“網(wǎng)邊緣”和“云邊緣”三類(lèi)邊緣概念,給出三類(lèi)邊緣服務(wù)的方案边涕,分析它們的能力晤碘、功能和應(yīng)用場(chǎng)景,并總結(jié)實(shí)際應(yīng)用中遇到的問(wèn)題功蜓。通過(guò)研究分析园爷,我們可以發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在端網(wǎng)云引入邊緣計(jì)算,物聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算能力式撼、數(shù)據(jù)處理能力將不斷豐富腮介、不斷提高,物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景也將越來(lái)越智能化端衰、高效化叠洗。但是,目前邊緣計(jì)算存在商業(yè)模式不清晰旅东、業(yè)務(wù)需求不夠強(qiáng)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)難等方面的問(wèn)題灭抑。只有產(chǎn)業(yè)界共同努力解決這些問(wèn)題,邊緣計(jì)算方能在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代大顯身手抵代。


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★原文發(fā)表于《廣東通信技術(shù)》2020年第7期★

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2020.07.004

引用格式:黃澤龍.邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究與分析[J]. 廣東通信技術(shù), 2020, 40(7): 13-15.

作者簡(jiǎn)介

黃澤龍:中國(guó)電信研究院腾节,廣州園區(qū),企業(yè)運(yùn)營(yíng)支撐中心荤牍。

校審:聞磊案腺、張啟迪

排版:張啟迪

來(lái)源:5G工業(yè)互聯(lián)

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