姓名：王映中 學(xué)號(hào)：20181214025 學(xué)院：廣研院

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【嵌牛導(dǎo)讀】通過對(duì)邊緣計(jì)算概念郑诺、典型應(yīng)用場(chǎng)景夹姥、研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)等系統(tǒng)性的介紹，認(rèn)為邊緣計(jì)算的發(fā)展還處在初級(jí)階段辙诞，在實(shí)際的應(yīng)用中還存在很多問題需要解決研究辙售，包括優(yōu)化邊緣計(jì)算性能、安全性飞涂、互操作性以及智能邊緣操作管理服務(wù)旦部。

【嵌牛鼻子】邊緣計(jì)算應(yīng)用、現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

【嵌牛提問】邊緣計(jì)算能解決哪些問題

【嵌牛正文】

1 邊緣計(jì)算的概念

對(duì)于邊緣計(jì)算较店，不同的組織給出了不同的定義士八。美國(guó)韋恩州立大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系的施巍松等人把邊緣計(jì)算定義為：“邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模式，邊緣計(jì)算中邊緣的下行數(shù)據(jù)表示云服務(wù)梁呈，上行數(shù)據(jù)表示萬(wàn)物互聯(lián)服務(wù)”婚度。邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟把邊緣計(jì)算定義為：“邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)官卡、計(jì)算蝗茁、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開發(fā)平臺(tái)寻咒，就近提供邊緣智能服務(wù)评甜，滿足行業(yè)數(shù)字在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)仔涩、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能粘舟、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求”熔脂。

因此佩研，邊緣計(jì)算是一種新型計(jì)算模式，通過在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)霞揉，為應(yīng)用提供融合計(jì)算适秩、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源秽荞。同時(shí)骤公，邊緣計(jì)算也是一種使能技術(shù)，通過在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)提供這些資源阶捆，滿足行業(yè)在敏捷聯(lián)接洒试、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)垒棋、數(shù)據(jù)優(yōu)化痪宰、應(yīng)用智能酵镜、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求淮韭。

1.1 邊緣計(jì)算的體系架構(gòu)

邊緣計(jì)算通過在終端設(shè)備和云之間引入邊緣設(shè)備靠粪，將云服務(wù)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣占键。邊緣計(jì)算架構(gòu)包括終端層畔乙、邊緣層和云層。圖展示了邊緣計(jì)算的體系架構(gòu)钥庇。接下來我們簡(jiǎn)要介紹邊緣計(jì)算體系架構(gòu)中每層的組成和功能评姨。

（1）終端層

終端層是最接近終端用戶的層吐句，它由各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備組成嗦枢，例如傳感器净宵、智能手機(jī)择葡、智能車輛敏储、智能卡已添、讀卡器等更舞。為了延長(zhǎng)終端設(shè)備提供服務(wù)的時(shí)間缆蝉，則應(yīng)該避免在終端設(shè)備上運(yùn)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。因此诸尽，我們只將終端設(shè)備負(fù)責(zé)收集原始數(shù)據(jù)穿肄，并上傳至上層進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)被碗。終端層連接上一層主要通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)锐朴。

（2）邊緣層

邊緣層位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，由大量的邊緣節(jié)點(diǎn)組成酱酬，通常包括路由器膳沽、網(wǎng)關(guān)挑社、交換機(jī)、接入點(diǎn)阱当、基站弊添、特定邊緣服務(wù)器等捌木。這些邊緣節(jié)點(diǎn)廣泛分布在終端設(shè)備和云層之間油坝，例如咖啡館、購(gòu)物中心钮莲、公交總站崔拥、街道极舔、公園等链瓦。它們能夠?qū)K端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)。由于這些邊緣節(jié)點(diǎn)距離用戶距離較近，則可以為運(yùn)行對(duì)延遲比較敏感的應(yīng)用，從而滿足用戶的實(shí)時(shí)性要求羽利。邊緣節(jié)點(diǎn)也可以對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再把預(yù)處理的數(shù)據(jù)上傳至云端虚汛，從而減少核心網(wǎng)絡(luò)的傳輸流量匾浪。邊緣層連接上層主要通過因特網(wǎng)。

（3）云層

云層由多個(gè)高性能服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備組成泽疆，它具有強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)功能梯浪，可以執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。云模塊通過控制策略可以有效地管理和調(diào)度邊緣節(jié)點(diǎn)和云計(jì)算中心瓢娜，為

用戶提供更好的服務(wù)挂洛。

1.2 邊緣計(jì)算的優(yōu)勢(shì)

邊緣計(jì)算模型將原有云計(jì)算中心的部分或全部計(jì)算任務(wù)遷移到數(shù)據(jù)源附近，相比于傳統(tǒng)的云計(jì)算模型眠砾，邊緣計(jì)算模型具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析虏劲、安全性高、隱私保護(hù)褒颈、可擴(kuò)展性強(qiáng)柒巫、位置感知以及低流量的優(yōu)勢(shì)。

（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和分析谷丸。將原有云計(jì)算中心的計(jì)算任務(wù)部分或全部遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣堡掏，在邊緣設(shè)備處理數(shù)據(jù)，而不是在外部數(shù)據(jù)中心或云端進(jìn)行刨疼；因此提高了數(shù)據(jù)傳輸性能泉唁，保證了處理的實(shí)時(shí)性鹅龄，同時(shí)也降低了云計(jì)算中心的計(jì)算負(fù)載。

（2）安全性高亭畜。傳統(tǒng)的云計(jì)算模型是集中式的扮休，這使得它容易受到分布式拒絕服務(wù)供給和斷電的影響。邊緣計(jì)算模型在邊緣設(shè)備和云計(jì)算中心之間分配處理拴鸵、存儲(chǔ)和應(yīng)用玷坠，使得其安全性提高。邊緣計(jì)算模型同時(shí)也降低了發(fā)生單點(diǎn)故障的可能性宝踪。

（3）保護(hù)隱私數(shù)據(jù)侨糟，提升數(shù)據(jù)安全性。邊緣計(jì)算模型是在本地設(shè)備上處理更多數(shù)據(jù)而不是將其上傳至云計(jì)算中心瘩燥，因此邊緣計(jì)算還可以減少實(shí)際存在風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)據(jù)量。即使設(shè)備受到攻擊不同，它也只會(huì)包含本地收集的數(shù)據(jù)厉膀，而不是受損的云計(jì)算中心。

（4）可擴(kuò)展性二拐。邊緣計(jì)算提供了更便宜的可擴(kuò)展性路徑服鹅，允許公司通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和邊緣數(shù)據(jù)中心的組合來擴(kuò)展其計(jì)算能力。使用具有處理能力的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備還可以降低擴(kuò)展成本百新，因此添加的新設(shè)備都不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生大量帶寬需求企软。

（5）位置感知。邊緣分布式設(shè)備利用低級(jí)信令進(jìn)行信息共享饭望。邊緣計(jì)算模型從本地接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的邊緣設(shè)備接收信息以發(fā)現(xiàn)設(shè)備的位置仗哨。例如導(dǎo)航，終端設(shè)備可以根據(jù)自己的實(shí)時(shí)位置把相關(guān)位置信息和數(shù)據(jù)交給邊緣節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行處理铅辞，邊緣節(jié)點(diǎn)基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷和決策厌漂。

（6）低流量。本地設(shè)備收集的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行本地計(jì)算分析斟珊，或者在本地設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理苇倡，不必把本地設(shè)備收集的所有數(shù)據(jù)上傳至云計(jì)算中心，從而可以減少進(jìn)入核心網(wǎng)的流量囤踩。

2 邊緣計(jì)算的典型應(yīng)用

邊緣計(jì)算在很多應(yīng)用場(chǎng)景下都取得了很好的效果旨椒。本節(jié)中，我們將介紹基于邊緣計(jì)算框架設(shè)計(jì)的幾個(gè)新興應(yīng)用場(chǎng)景堵漱，部分場(chǎng)景在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）白皮書中進(jìn)行了討論综慎，如視頻分析和移動(dòng)大數(shù)據(jù)。還有一些綜述論文介紹了車輛互聯(lián)怔锌、醫(yī)療保健寥粹、智能建筑控制变过、海洋監(jiān)測(cè)以及無(wú)線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)與邊緣計(jì)算結(jié)合的場(chǎng)景。

（1）醫(yī)療保健涝涤。

（2）視頻分析媚狰。

（3）車輛互聯(lián)。

邊緣計(jì)算可以為這一需要提供相應(yīng)的架構(gòu)阔拳、服務(wù)崭孤、支持能力，縮短端到端延遲糊肠，使數(shù)據(jù)更快地被處理辨宠，避免信號(hào)處理不及時(shí)而造成車禍等事故。一輛車可以與其他接近的車輛通信货裹，并告知他們?nèi)魏晤A(yù)期的風(fēng)險(xiǎn)或交通擁堵嗤形。

3 邊緣計(jì)算現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)

目前，邊緣計(jì)算的發(fā)展仍然處于初期階段弧圆。隨著越來越多的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)赋兵，邊緣計(jì)算得到了來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛重視和一致認(rèn)可。本節(jié)中搔预，我們主要從工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的角度介紹邊緣計(jì)算的現(xiàn)狀霹期。

3.1 工業(yè)界

在工業(yè)界中，亞馬遜拯田、谷歌和微軟等云巨頭正在成為邊緣計(jì)算領(lǐng)域的 領(lǐng) 先 者 历造。亞 馬 遜 的 AWS Greengrass 服務(wù)進(jìn)軍邊緣計(jì)算領(lǐng)域 ，走在 了 行 業(yè) 的 前 面 船庇。AWS Greengrass 將 AWS 擴(kuò)展到設(shè)備上吭产，這樣本地生成的數(shù)據(jù)就可以在本地設(shè)備上處理。微軟在這一領(lǐng)域也有大動(dòng)作溢十，該公司計(jì)劃未來 4 年在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域投入50億美元垮刹，其中包括邊緣計(jì)算項(xiàng)目。谷歌宣布了2款新產(chǎn)品张弛，意在幫助改善邊緣聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)荒典。

分別是硬件芯片Edge張量處理單元（TPU）和軟件堆棧 Cloud 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）Edge。涉足邊緣計(jì)算領(lǐng)域的并不只是這3大云巨頭吞鸭。2015年寺董，思科、ARM刻剥、英特爾遮咖、微軟、普林斯頓大學(xué)聯(lián)合成立了開放霧計(jì)算（OpenFog）聯(lián)盟造虏；2016年11月30日御吞，在北京正式成立了產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)合作平臺(tái)麦箍，推動(dòng)運(yùn)行技術(shù)（OT）和信息與通信技術(shù)（ICT）產(chǎn)業(yè)開放協(xié)作，引領(lǐng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展陶珠，深化行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型挟裂。

3.2 學(xué)術(shù)界

學(xué)術(shù)界也展開了關(guān)于邊緣計(jì)算的研究，邊緣計(jì)算頂級(jí)年會(huì)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)/國(guó)際計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)邊緣計(jì)算研討會(huì)揍诽、IEEE 國(guó)際分布式計(jì)算系統(tǒng)會(huì)議诀蓉、國(guó)際計(jì)算機(jī)通信會(huì)議等重大國(guó)際會(huì)議都開始增加邊緣計(jì)算的分會(huì)和專題研討會(huì)。涉及主要關(guān)鍵技術(shù)及研究熱點(diǎn)如下：

（1）計(jì)算卸載暑脆。計(jì)算卸載是指終端設(shè)備將部分或全部計(jì)算任務(wù)卸載到資源豐富的邊緣服務(wù)器渠啤，以解決終端設(shè)備在資源存儲(chǔ)践剂、計(jì)算性能以及能效等方面存在的不足凄杯。計(jì)算卸載的主要技術(shù)是卸載決策坡疼。卸載決策主要解決的是移動(dòng)終端如何卸載計(jì)算任務(wù)沪袭、卸載多少以及卸載什么的問題。根據(jù)卸載決策的優(yōu)化目標(biāo)將計(jì)算卸載分為以降低時(shí)延為目標(biāo)胎撇、以降低能量消耗為目標(biāo)以及權(quán)衡能耗和時(shí)延為目標(biāo)的3種類型氢卡。

（2）移動(dòng)性管理旬痹。邊緣計(jì)算依靠資源在地理上廣泛分布的特點(diǎn)來支持應(yīng)用的移動(dòng)性玄帕，一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)只服務(wù)周圍的用戶。云計(jì)算模式對(duì)應(yīng)用移動(dòng)性的支持則是服務(wù)器位置固定想邦，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器裤纹，所以在邊緣計(jì)算中應(yīng)用的移動(dòng)管理是一種新模式。

4 挑戰(zhàn)

目前邊緣計(jì)算已經(jīng)得到了各行各業(yè)的廣泛重視丧没，并且在很多應(yīng)用場(chǎng)景下開花結(jié)果鹰椒；但邊緣計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用還存在很多問題[5]需要研究。本文中呕童，我們對(duì)其中的幾個(gè)主要問題進(jìn)行分析漆际，包括優(yōu)化邊緣計(jì)算性能、安全性夺饲、互操作性以及智能邊緣操作管理服務(wù)奸汇。

（1）優(yōu)化邊緣計(jì)算性能。在邊緣計(jì)算架構(gòu)中往声，不同層次的邊緣服務(wù)器所擁有的計(jì)算能力有所不同擂找，負(fù)載分配將成為一個(gè)重要問題。成本分析需要在運(yùn)行過程中完成浩销、分發(fā)負(fù)載之間的干擾和資源使用情況贯涎，都對(duì)邊緣計(jì)算架構(gòu)提出了挑戰(zhàn)。

（2）安全性慢洋。邊緣計(jì)算的分布式架構(gòu)增加了攻擊向量的維度塘雳，邊緣計(jì)算客戶端越智能陆盘，越容易受到惡意軟件感染和安全漏洞攻擊。在邊緣計(jì)算架構(gòu)中败明，在數(shù)據(jù)源的附近進(jìn)行計(jì)算是保護(hù)隱私和數(shù)據(jù)安全的一種較合適的方法隘马。

（3）互操作性。邊緣設(shè)備之間的互操作性是邊緣計(jì)算架構(gòu)能夠大規(guī)模落地的關(guān)鍵肩刃。不同設(shè)備商之間需要通過制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和通用的協(xié)作協(xié)議祟霍，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)邊緣設(shè)備和系統(tǒng)之間的互操作性。

（4）智能邊緣操作管理服務(wù)盈包。網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備的服務(wù)管理在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中需要滿足識(shí)別服務(wù)優(yōu)先級(jí)沸呐，靈活可擴(kuò)展和復(fù)雜環(huán)境下的隔離線。