邊緣計算的概念、發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)分析

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)時代的到來以及云計算應(yīng)用的逐漸增加，傳統(tǒng)的云計算技術(shù)已經(jīng)無法滿足終端側(cè)“大連接、低時延、大帶寬”的需求，邊緣計算應(yīng)運而生。邊緣計算可有效減小計算系統(tǒng)的延遲，減少數(shù)據(jù)傳輸帶寬，緩解云計算中心壓力，保護數(shù)據(jù)安全與隱私。本文分析了邊緣計算的概念、發(fā)展歷程、關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域典型行業(yè)的需求，并提出了解決方案建議。

01邊緣計算概念

目前業(yè)界對邊緣計算（EdgeComputing，EG）的定義有很多種。ISO/IEC JTC1/SC38對邊緣計算的定義：邊緣計算是將主要處理和數(shù)據(jù)存儲放在網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點的分布式計算形式[1]。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）的定義：在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境和計算能力，強調(diào)靠近移動用戶，以減少網(wǎng)絡(luò)操作和服務(wù)交付的時延，提高用戶體驗[2]。邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）的定義：在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)路邊緣側(cè)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實施業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求[3]。

對邊緣計算的定義雖然表述上各有差異，但可以達成共識：在更靠近終端的網(wǎng)絡(luò)邊緣上提供服務(wù)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的重要載體。邊緣計算在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中的位置如下圖所示。

?圖1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)圖

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺由邊緣層、Iaas層、平臺層和應(yīng)用層組成[4]。邊緣計算技術(shù)涵蓋設(shè)備接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換和邊緣數(shù)據(jù)處理，極大地拓展了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺收集和管理數(shù)據(jù)的范圍和能力。

02邊緣計算發(fā)展歷程

從近5年的谷歌趨勢可看出，邊緣計算的關(guān)注度持續(xù)走高，表明邊緣計算在當(dāng)前信息科技發(fā)展中的重要性愈加凸顯。從圖2中也看出，2016年前，邊緣計算處于原始技術(shù)積累階段，2017年開始邊緣計算開始被熟知，進入快速發(fā)展期。

?圖2GoogleTrends中邊緣計算關(guān)注度趨勢圖

注：圖中數(shù)字代表相對于圖標(biāo)中最高點的搜索熱度，例如，熱度最高得100分。

邊緣計算的發(fā)展與面向數(shù)據(jù)的計算模型的發(fā)展密不可分。為解決面向數(shù)據(jù)傳輸、計算和存儲過程中的計算負載和帶寬問題，在邊緣計算產(chǎn)生前，研究者進行了數(shù)據(jù)邊緣處理和計算任務(wù)遷移的研究，主要包括分布式數(shù)據(jù)庫模型、對等網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等。分布式數(shù)據(jù)庫主要包括SQL、NoSQL以及NewSQL分布式數(shù)據(jù)庫等，主要用于實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的分布式存儲和共享，較少關(guān)注設(shè)備端的異構(gòu)計算和存儲能力，且所需空間較大，數(shù)據(jù)隱私性較低[5]。P2P計算技術(shù)與邊緣計算模式具有很大程度的相似性，但邊緣計算將P2P的概念擴展到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備，涵蓋了P2P計算和云計算的融合[6]。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）是AKAMAI公司提出的一種基于互聯(lián)網(wǎng)的緩存網(wǎng)絡(luò)[7]。邊緣計算的概念最早可以追溯到2000年左右CDN的大規(guī)模部署，隨著技術(shù)發(fā)展，邊緣計算遠遠超過CDN的范疇，不局限于邊緣節(jié)點且更強調(diào)計算功能。

隨著數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長，研究者開始探索萬物互聯(lián)服務(wù)功能的上行，具有代表性的是移動邊緣計算（MEC）、霧計算和海云計算。

2.1移動邊緣計算

移動邊緣計算技術(shù)出現(xiàn)于2013年，是在接近移動用戶的無線接入網(wǎng)范圍內(nèi)，提供信息技術(shù)服務(wù)和云計算能力的一種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并已成為一種標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的技術(shù)[8]。2014年ETSI提出移動邊緣計算術(shù)語的標(biāo)準(zhǔn)化，并指出：移動邊緣計算提供一種新的生態(tài)系統(tǒng)和價值鏈。利用移動邊緣計算可將密集型移動計算任務(wù)遷移到附近的網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)器。移動邊緣計算同時也是發(fā)展5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，有助于從延時、可編程性、擴展性等方面滿足5G的高標(biāo)準(zhǔn)要求。

移動邊緣計算模型強調(diào)在云計算中心與邊緣設(shè)備之間建立邊緣服務(wù)器，在邊緣服務(wù)器上完成終端數(shù)據(jù)的計算任務(wù)，但移動終端設(shè)備基本被認為不具有計算能力。相比而言，邊緣計算模型中的終端設(shè)備具有較強的計算能力，因此，移動邊緣計算類似一種邊緣計算服務(wù)器的架構(gòu)和層次，作為邊緣計算模型的一部分。

2.2霧計算

霧計算于2012年由思科（Cisco）提出，并被定義為遷移云計算中心任務(wù)到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備執(zhí)行的一種高度虛擬化的計算平臺[9]。霧計算通過在云與移動設(shè)備之間引入中間層，擴展基于云的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而中間層實質(zhì)是由部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的霧服務(wù)器組成的“霧層”。通過霧計算服務(wù)器，可以顯著減少主干鏈路的帶寬負載和能耗，此外，霧計算服務(wù)器可以與云計算中心互連，并使用云計算中心強大的計算能力、豐富的應(yīng)用和服務(wù)。

邊緣計算和霧計算概念具有很強的相似性，在很多場合表示同一個意思。二者的區(qū)別上主要體現(xiàn)在處理能力的位置：霧計算的處理能力在IoT設(shè)備的LAN里，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的IoT網(wǎng)關(guān)（霧節(jié)點）用于數(shù)據(jù)收集、處理和存儲，處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送回需要該數(shù)據(jù)的設(shè)備。而邊緣計算進一步推進了霧計算LAN內(nèi)處理的理念，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各設(shè)備中實施處理，處理能力更靠近數(shù)據(jù)源。

2.3海云計算

萬物互聯(lián)背景下，待處理數(shù)據(jù)量將達到ZB級，信息系統(tǒng)的感知、傳輸、存儲和處理的能力需相應(yīng)提高。針對這一挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院于2012年啟動了下一代信息與通信技術(shù)倡議(NICT倡議)。倡議的主旨是要開展“海云計算系統(tǒng)項目”的研究，其核心是通過“云計算”系統(tǒng)與“海計算”系統(tǒng)的協(xié)同和集成，增強傳統(tǒng)云計算能力，其中，“?！倍酥赣扇祟惐旧怼⑽锢硎澜绲脑O(shè)備和子系統(tǒng)組成的終端(客戶端)。

與邊緣計算相比而言，海云計算關(guān)注“?！钡慕K端設(shè)備，而邊緣計算關(guān)注從“?！钡健霸啤睌?shù)據(jù)路徑之間的任意計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，海云計算是邊緣計算的一個非常好的子集實例。

2.4邊緣計算的發(fā)展現(xiàn)狀

邊緣計算因為其突出的優(yōu)點，滿足未來萬物互聯(lián)的需求，引起國內(nèi)外的密切關(guān)注。2015年，思科、ARM、戴爾、英特爾、微軟和普林斯頓大學(xué)聯(lián)合成立了Openfog聯(lián)盟。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）于2017年3月，將移動邊緣計算行業(yè)規(guī)范工作組正式更名為多接入邊緣計算，致力于更好地滿足邊緣計算（包括IoT）的應(yīng)用需求。全球性產(chǎn)業(yè)組織工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟ICC在2017年成立EdgeComputing TG，致力于定義邊緣計算參考架構(gòu)。2016年11月30日，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京正式成立，旨在搭建邊緣計算產(chǎn)業(yè)合作平臺，推動運行技術(shù)（OT）和信息與通信技術(shù)（ICT）產(chǎn)業(yè)開放協(xié)作，引領(lǐng)邊緣計算產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，深化行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。美國聯(lián)邦政府，包括國家科學(xué)基金會和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局，在2016年分別把邊緣計算列入項目申請指南。目前，多所大學(xué)和企業(yè)展開關(guān)于邊緣計算的研究，邊緣計算領(lǐng)域的相關(guān)國際會議已經(jīng)開始興起，ACM和IEEE從2016年開始聯(lián)合舉辦邊緣計算的頂級年會IEEE/ACM SEC，ICDCS、INFOCOM MiddleWare等重要國際會議也都開始增加邊緣計算的分會或專題研討會。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，2017年IEC發(fā)布了VEI白皮書，介紹了邊緣計算對于制造業(yè)等垂直行業(yè)的重要價值。ISO/IEC JTC1 SC41成立了邊緣計算研究小組，以推動邊緣計算標(biāo)準(zhǔn)化工作。

03邊緣計算關(guān)鍵技術(shù)3.1網(wǎng)絡(luò)

邊緣計算將計算推至靠近數(shù)據(jù)源的位置，甚至于將整個計算部署于從數(shù)據(jù)源到云計算中心的傳輸路徑上的節(jié)點，因此對現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出了新的要求。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（softwaredefined network，SDN）采用網(wǎng)絡(luò)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的架構(gòu)，利用集中控制替代原有分布式控制，并通過開放和可編程接口實現(xiàn)“軟件定義”，可以很好地支持計算服務(wù)和數(shù)據(jù)的遷移。國際標(biāo)準(zhǔn)組織IEEE制訂了TSN（Time-Sensitive Networking）系列標(biāo)準(zhǔn)，針對實時優(yōu)先級、時鐘等關(guān)鍵服務(wù)定義了統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是工業(yè)以太聯(lián)接未來的發(fā)展方向。

5G數(shù)據(jù)通信技術(shù)是下一代移動通信發(fā)展新時代的核心技術(shù)，三個典型技術(shù)場景為增強移動寬帶、海量機器類通信和超可靠低時延通信。邊緣設(shè)備通過處理部分或全部計算任務(wù)，過濾無用信息和敏感信息后，仍需將中間或追中數(shù)據(jù)上傳到云中心，因此5G技術(shù)將是移動邊緣終端設(shè)備降低數(shù)據(jù)傳輸延時的必要解決方案。

3.2計算

異構(gòu)計算是邊緣側(cè)關(guān)鍵的計算硬件架構(gòu)，旨在協(xié)同和發(fā)揮各種計算單元的獨特優(yōu)勢，目標(biāo)是整合同一個平臺上分立的處理單元使之成為緊密協(xié)同的整體來協(xié)同處理不同類型的計算負荷。同時通過開放統(tǒng)一的編程接口，實現(xiàn)軟件跨多種平臺。異構(gòu)計算架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)包括：內(nèi)存處理優(yōu)化、任務(wù)調(diào)度優(yōu)化和集成工具鏈等。同時，以深度學(xué)習(xí)為代表的新一代AI在邊緣側(cè)應(yīng)用也需進一步優(yōu)化。優(yōu)化方向包括自頂向下的優(yōu)化，即把訓(xùn)練完的深度學(xué)習(xí)模型進行壓縮來降低推理階段的計算負載；或自底向上的優(yōu)化，即重新定義一套面向邊緣側(cè)嵌入系統(tǒng)環(huán)境的算法架構(gòu)。

3.3存儲

邊緣計算在數(shù)據(jù)存儲和處理方面具有較強的實時性要求，相比嵌入式存儲系統(tǒng)而言，邊緣計算存儲系統(tǒng)具有低延遲、大容量、高可靠性等特點。高效存儲和訪問連續(xù)不間斷的實時數(shù)據(jù)是存儲需要重點關(guān)注的問題。

新一代時序數(shù)據(jù)庫TSDB是存放時序數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，采用分布式存儲、分級存儲和基于分片的查詢優(yōu)化[10]。TSDB支持時序數(shù)據(jù)的快速寫入、持久化、多緯度的聚合查詢等基本功能，但依然面臨成本敏感等挑戰(zhàn)。

3.4安全

邊緣計算設(shè)備通常處于靠近用戶側(cè)或者傳輸路徑上，具有更高的潛在可能被攻擊者入侵，因此邊緣計算節(jié)點自身安全性是一個不可忽略的問題。邊緣計算節(jié)點的分布式和異構(gòu)型也導(dǎo)致一系列新的安全問題和隱私泄露問題，同時，也普遍存在共性安全問題，包括應(yīng)用安全、網(wǎng)絡(luò)安全、信息安全和系統(tǒng)安全等。

目前常采用傳統(tǒng)安全方案來進行防護，如通過基于密碼學(xué)的方法進行信息安全保護、通過訪問控制策略來對越權(quán)訪問進行防護等?？尚艌?zhí)行環(huán)境包括Intel軟件防護擴展，Intel管理引擎、X86系統(tǒng)管理模式、AMD內(nèi)存加密技術(shù)、AMD平臺安全處理器和ARM TrustZone技術(shù)[11]。通過將應(yīng)用運行與可信執(zhí)行環(huán)境中并且對外部存儲進行加解密，可以在邊緣計算節(jié)點被攻破時，仍然保證應(yīng)用及數(shù)據(jù)的安全性。

04工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的行業(yè)需求分析

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景相對孤立，不同行業(yè)的數(shù)字化和智能化水平不同，對邊緣計算的需求也存在較大差別。以機械制造行業(yè)為例對行業(yè)需求進行分析。

機械制造業(yè)在國家行業(yè)中處于基礎(chǔ)性地位，同時也是一個國家的支柱型行業(yè)。通過企業(yè)現(xiàn)場調(diào)研，查閱資料、文獻等方式對機械制造行業(yè)邊緣計算現(xiàn)狀和需求進行分析，機械制造行業(yè)整體基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平不一，建設(shè)質(zhì)量參差不齊，普遍面臨如下問題：

(1)數(shù)據(jù)開放性差且工業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

目前在機械制造行業(yè)領(lǐng)域，設(shè)備基本具有數(shù)據(jù)接口，但設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)開放性不夠，缺乏數(shù)據(jù)開放接口及文檔說明。存在RS232、RJ45、Profibus、MTConnect、MODBUS/TCP、Profinet等多種工業(yè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，各個自動化設(shè)備生產(chǎn)及集成商還會自己開發(fā)各種私有的工業(yè)協(xié)議，各種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、互不兼容，導(dǎo)致協(xié)議適配、協(xié)議解析和數(shù)據(jù)互聯(lián)互通困難。

(2)數(shù)據(jù)采集種類有限

機械制造行業(yè)車間內(nèi)的設(shè)備多數(shù)已有數(shù)據(jù)采集功能，但是采集的種類有限，如數(shù)控機床多數(shù)能采集電壓、電流等信號，但是振動信號等多需要外置傳感器的方式進行采集，部分機床還沒有部署此功能。

(3)工業(yè)數(shù)據(jù)采集實時性要求難以保證

生產(chǎn)線的高速運轉(zhuǎn)，精密生產(chǎn)和運動控制等場景則對數(shù)據(jù)采集的實時性要求不斷提高，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)對于高精度、低時延的工業(yè)場景難以保證重要的信息實時采集和上傳，無法滿足生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控需求。

(4)全車間統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)尚未實現(xiàn)

機械制造行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平不一，車間內(nèi)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)水平也參差不齊。部分設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，但尚未形成全車間統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)。

(5)工業(yè)數(shù)據(jù)采集存在數(shù)據(jù)安全隱患

工業(yè)數(shù)據(jù)采集會涉及到大量重要工業(yè)數(shù)據(jù)和用戶隱私信息，在傳輸和存儲時都會存在一定的數(shù)據(jù)安全隱患，也存在黑客竊取數(shù)據(jù)、攻擊企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的風(fēng)險。

05解決方案建議

基于邊緣計算發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)，針對典型行業(yè)的實際需求，依據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺體系中的邊緣層架構(gòu)，從設(shè)備接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換和邊緣數(shù)據(jù)處理三個方面提出建議方案。

?圖3邊緣計算體系架構(gòu)

（1）設(shè)備接入

針對典型行業(yè)不同企業(yè)開發(fā)專用的數(shù)據(jù)采集聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，為非企業(yè)自主所有的外國設(shè)備裝上“中國腦”，徹底改造國外的自動化控制系統(tǒng)；為專用設(shè)備配置數(shù)據(jù)采集端口，采用即插即用的方式，安全的從工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備里實時獲取數(shù)據(jù)并進行傳輸，解決不同設(shè)備制造商之間設(shè)備的互通互聯(lián)，實現(xiàn)設(shè)備的泛在連接。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換

基于OPC UA設(shè)計工業(yè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，將現(xiàn)場各種工業(yè)設(shè)備、裝置采用的標(biāo)準(zhǔn)或私有通信協(xié)議轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)OPC UA通訊協(xié)議。針對異構(gòu)現(xiàn)場總線及以太網(wǎng)總線的不同報文結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，通過標(biāo)配數(shù)據(jù)接入模塊，進行標(biāo)準(zhǔn)化報文拆解。工業(yè)網(wǎng)關(guān)應(yīng)支持多種網(wǎng)絡(luò)接口、總線協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)拓撲。

（3）邊緣數(shù)據(jù)處理

部署邊緣端設(shè)備實現(xiàn)邊緣計算與云計算協(xié)同?；谶吘壎嗽O(shè)備，根據(jù)典型行業(yè)數(shù)據(jù)接入特點，基于流式數(shù)據(jù)分析對數(shù)據(jù)即來即處理，快速響應(yīng)事件和不斷變化的業(yè)務(wù)條件與需求。通過分布式邊緣計算節(jié)點進行數(shù)據(jù)和知識的交換，支持計算、存儲資源的橫向彈性擴展，完成本地的實施決策和優(yōu)化操作，同時將非實時數(shù)據(jù)聚合后送到云端處理，實現(xiàn)與云計算協(xié)同。

06總結(jié)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域典型行業(yè)由于數(shù)字化、智能化水平不一，對邊緣計算的需求也不盡相同，但隨著網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲和安全等方面技術(shù)的不斷提升，邊緣計算將充分利用物端計算能力，實現(xiàn)設(shè)備的泛在連接和邊緣管理。

可預(yù)見的是，隨著應(yīng)用在計算部署上的靈活性不斷增加，云計算和邊緣會走向融合，并越來越難以區(qū)分。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中充滿了隨處可取、隨處即用的計算能力時，“泛在計算”將應(yīng)運而生。