邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的問(wèn)題和挑戰(zhàn)

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邊緣計(jì)算在自動(dòng)駕駛、工業(yè)制造、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多樣，連接的設(shè)備數(shù)量大、分散能力異構(gòu)，為計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源的管理和優(yōu)化帶來(lái)困難。云、邊、端協(xié)同計(jì)算對(duì)任務(wù)劃分、分調(diào)度、服務(wù)器間遷移和安全等方面也提出了新挑戰(zhàn)。

邊緣節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性：邊緣計(jì)算中存在的一個(gè)問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)邊緣節(jié)點(diǎn)的通用計(jì)算。雖然理論上我們可以在位于邊緣設(shè)備和云之間的若干節(jié)點(diǎn)（包括接入點(diǎn)、基站、網(wǎng)關(guān)通信匯聚點(diǎn)、路由器、交換機(jī)等）上提供對(duì)邊緣計(jì)算的支持，但實(shí)際上由于邊緣設(shè)備和節(jié)點(diǎn)具有數(shù)量龐大、分布廣闊、異構(gòu)等特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理能力也不盡相同。例如，通信基站本身可能不適合進(jìn)行處理分析的任務(wù)，因?yàn)榛景?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）不是為通用計(jì)算而設(shè)計(jì)的。除了考慮消除多源、異構(gòu)、異地等差異帶來(lái)的影響以外，還須在此基礎(chǔ)上形成統(tǒng)一的接口規(guī)范并解決傳輸協(xié)議、時(shí)鐘同步等問(wèn)題

計(jì)算任務(wù)的劃分、分發(fā)和遷移：邊緣計(jì)算的重要優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)云邊端協(xié)同計(jì)算為用戶提供低延遲、高可靠性的計(jì)算服務(wù)，合理的計(jì)算任務(wù)劃分、分發(fā)調(diào)度以及遷移是保證計(jì)算服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵。特別地，當(dāng)前的云計(jì)算服務(wù)中，日益復(fù)雜的應(yīng)用通常被建模成一系列有依賴關(guān)系的子任務(wù)構(gòu)成的有向無(wú)環(huán)圖。在DAG依賴約束下，設(shè)計(jì)任務(wù)的分發(fā)、調(diào)度和遷移更充滿挑戰(zhàn)。針對(duì)邊緣計(jì)算分層架構(gòu)協(xié)作、DAG依賴約束下的任務(wù)調(diào)度、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性、多通道無(wú)線干擾的邊緣環(huán)境、任務(wù)在服務(wù)器之間遷移等問(wèn)題，已經(jīng)有許多相關(guān)工作進(jìn)行了研究。

2017年，有學(xué)者研究了移動(dòng)計(jì)算任務(wù)以任意時(shí)間、次序產(chǎn)生，各任務(wù)何處執(zhí)行、何時(shí)執(zhí)行以使任務(wù)響應(yīng)時(shí)間最小化的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了首個(gè)在線近似算法OnDisc，在速度增強(qiáng)模型下分析其近似比并通過(guò)谷歌的實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性?？梢詫?duì)邊緣計(jì)算環(huán)境下進(jìn)行DAG調(diào)度，綜合考慮服務(wù)器配置、任務(wù)分配和調(diào)度，針對(duì)單個(gè)DAG場(chǎng)景設(shè)計(jì)使應(yīng)用完成時(shí)間最小化的近似算法。邊緣計(jì)算系統(tǒng)中的任務(wù)劃分、分發(fā)調(diào)度與遷移涉及諸多復(fù)雜的軟硬件背景，特別在邊緣計(jì)算平臺(tái)大規(guī)模實(shí)際部署中，將產(chǎn)生更多困難的問(wèn)題，還存在較大的研究空間。

分布式協(xié)同存儲(chǔ)：邊緣計(jì)算有望大幅減少網(wǎng)絡(luò)延遲和流量，多個(gè)邊緣服務(wù)器部署于互聯(lián)網(wǎng)邊緣，緩存部分?jǐn)?shù)據(jù)和應(yīng)用，就近為用戶提供服務(wù)，涉及云端與多個(gè)邊緣服務(wù)器、眾多終端設(shè)備之間的協(xié)同存儲(chǔ)和計(jì)算。那么，數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序應(yīng)該存放在云端還是邊緣服務(wù)器？數(shù)據(jù)如何有效地在多個(gè)邊緣服務(wù)器上進(jìn)行分布式存儲(chǔ)？在考慮這些問(wèn)題時(shí)，需要根據(jù)具體場(chǎng)景下用戶需求的變化，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行存儲(chǔ)調(diào)整，同時(shí)還需要兼顧邊緣節(jié)點(diǎn)和邊緣設(shè)備的能力異構(gòu)等特點(diǎn)。

邊緣服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)共享可以有效縮短檢索數(shù)據(jù)的延遲，并進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗。關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是構(gòu)建一個(gè)有效的數(shù)據(jù)索引機(jī)制，使得無(wú)論據(jù)如何被緩存在邊緣網(wǎng)絡(luò)中，都能被有效地檢索，這仍然是個(gè)亟待解決的問(wèn)題。潛在的方法如集中式索引以及其他計(jì)算領(lǐng)域的基于分布式哈希表（DHT）的索引機(jī)制不能滿足邊緣計(jì)算的性能需求。2019年，有人針對(duì)邊緣服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)共享問(wèn)題，提出了邊緣計(jì)算環(huán)境的分布式數(shù)據(jù)索引機(jī)制。諸多邊緣服務(wù)器可組成一個(gè)統(tǒng)一的邊緣計(jì)算環(huán)境，協(xié)同提供存儲(chǔ)服務(wù)。在此場(chǎng)景下，快速有效的數(shù)據(jù)放置和取回服務(wù)對(duì)保障邊緣計(jì)算的性能至關(guān)重要。

邊緣層資源共享的激勵(lì)機(jī)制：隨著邊緣計(jì)算模式的推廣，越來(lái)越多的云計(jì)算服務(wù)考慮向邊緣層下行，同時(shí)大量終端的數(shù)據(jù)任務(wù)向邊緣層上行。但邊緣計(jì)算環(huán)境的建設(shè)速度較慢難以滿足所有終端用戶對(duì)邊緣資源的迫切需求。因此，非常有必要設(shè)計(jì)各種激勵(lì)機(jī)制加速邊緣計(jì)算環(huán)境的建設(shè)。邊緣計(jì)算供應(yīng)商追逐自身利益最大化，如何激勵(lì)更多的供應(yīng)商面向來(lái)自云端和終端兩類用戶的任務(wù)進(jìn)行主動(dòng)交易并保證交易的公平性？如何協(xié)調(diào)用戶和邊緣計(jì)算資源供需關(guān)系的博弈策略，從而確保資源交易的穩(wěn)定與可靠運(yùn)行？在解決上述問(wèn)題時(shí)，還需要考慮邊緣層資源共享池的資源多樣性和任務(wù)對(duì)資源需求的變化。

邊緣計(jì)算的商業(yè)模式：邊緣計(jì)算環(huán)境主要包括邊緣服務(wù)供應(yīng)商、內(nèi)容供應(yīng)商、用戶這三種角色。內(nèi)容供應(yīng)商通過(guò)邊緣服務(wù)供應(yīng)商提供的計(jì)算環(huán)境向終端用戶提供內(nèi)容服務(wù)，如視頻網(wǎng)站通過(guò)運(yùn)營(yíng)商在邊緣層向客戶端提供視頻服務(wù)。邊緣服務(wù)供應(yīng)商存在服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)及性能等方面的差異性，這導(dǎo)致現(xiàn)有的商業(yè)模型在邊緣計(jì)算環(huán)境中會(huì)存在許多問(wèn)題。例如，內(nèi)容供應(yīng)商如何選取最符合其商業(yè)目的、能使商業(yè)利潤(rùn)最大化的服務(wù)供應(yīng)商；如何實(shí)現(xiàn)各服務(wù)供應(yīng)商在時(shí)空上服務(wù)能力的聯(lián)合和互補(bǔ)；如何在跨服務(wù)供應(yīng)商的條件下，保障和提高服務(wù)質(zhì)量。

在考慮這些問(wèn)題時(shí)，需要以一種全局資源聯(lián)合的視角來(lái)設(shè)計(jì)跨多個(gè)邊緣服務(wù)供應(yīng)商的全新商業(yè)模型。該模型需要綜合考慮邊緣節(jié)點(diǎn)的資源受限、分布廣泛、資源能力有差異等特點(diǎn)，建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)模式，打破內(nèi)容供應(yīng)商和服務(wù)供應(yīng)商間的緊耦合關(guān)系，進(jìn)而為終端用戶提供質(zhì)量更高的內(nèi)容服務(wù)。為此，產(chǎn)業(yè)界有人提出了“邊際計(jì)算模型”（邊緣計(jì)算聯(lián)盟），并對(duì)其中的資源融合、服務(wù)分發(fā)等問(wèn)題進(jìn)行了研究。

邊緣節(jié)點(diǎn)的公用與安全：邊緣節(jié)點(diǎn)，如交換機(jī)、路由器、基站等設(shè)備，在被邊緣計(jì)算系統(tǒng)用作可公開(kāi)訪問(wèn)的邊緣節(jié)點(diǎn)時(shí)，將面臨許多挑戰(zhàn)。首先，需要明確提供這些設(shè)備使用權(quán)的組織或個(gè)人，以及未來(lái)這些設(shè)備可能的使用者將承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)。其次，需要保證在被征用為邊緣節(jié)點(diǎn)時(shí)，這些設(shè)備的原預(yù)期目的（例如路由器和交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)功能和效率）不會(huì)受到損害。在考慮多租戶共享邊緣節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景時(shí)，需要將安全作為首要考慮因素。例如，在執(zhí)行用戶任務(wù)時(shí)，容器（container）就是一種很有潛力的輕量級(jí)技術(shù)，通過(guò)隔離技術(shù)可以在很大程度上消除多租戶場(chǎng)景下的安全隱患。
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