丁春濤 曹建農 楊磊 王尚廣

摘要：通過對邊緣計算概念、典型應用場景、研究現(xiàn)狀及關鍵技術等系統(tǒng)性的介紹，認為邊緣計算的發(fā)展還處在初級階段，在實際的應用中還存在很多問題需要解決研究，包括優(yōu)化邊緣計算性能、安全性、互操作性以及智能邊緣操作管理服務。

關鍵詞：邊緣計算;安全性;互操作性

Abstract： Through the systematic introduction of the concept of edge computing， typical application scenarios， research status and key technologies， we believe that the development of edge computing is still in its early stage， and there are still many problems in practical applications that need to be solved， including optimization of edge computing performance， security， interoperability， and intelligent edge operations management services.

Key words： edge computing; security; interoperability

思科在2016—2021年的全球云指數(shù)中指出：接入互聯(lián)網(wǎng)的設備數(shù)量將從2016的171億增加到271億。每天產生的數(shù)據(jù)量也在激增，全球的設備產生的數(shù)據(jù)量從2016年的218 ZB 增長到2021年的847 ZB。傳統(tǒng)的云計算模型是將所有數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡上傳至云計算中心，利用云計算中心的超強計算能力來集中解決應用的計算需求問題。然而，云計算的集中處理模式在萬物互聯(lián)的背景下有3點不足。

（1）萬物互聯(lián)實時性需求。萬物互聯(lián)環(huán)境下，隨著邊緣設備數(shù)量的增加，這些設備產生的數(shù)據(jù)量也在激增，導致網(wǎng)絡帶寬逐漸成為了云計算的一個瓶頸。例如文獻[1]指出：波音787每秒產生的數(shù)據(jù)量超過5 GB，但飛機與衛(wèi)星之間的帶寬不足以支持實時數(shù)據(jù)傳輸。

（2）數(shù)據(jù)安全與隱私。隨著智能家居的普及，許多家庭在屋內安裝網(wǎng)絡攝像頭，直接將攝像頭收集的視頻數(shù)據(jù)上傳至云計算中心會增加泄露用戶隱私數(shù)據(jù)的風險。

（3）能耗較大。隨著在云服務器運行的用戶應用程序越來越多，未來大規(guī)模數(shù)據(jù)中心對能耗的需求將難以滿足?，F(xiàn)有的關于云計算中心的能耗研究主要集中在如何提高能耗使用效率方面[2]。然而，僅提高能耗使用效率，仍不能解決數(shù)據(jù)中心巨大的能耗問題，這在萬物互聯(lián)環(huán)境下將更加突出。

針對于此，萬物互聯(lián)應用需求的發(fā)展催生了邊緣計算模型。邊緣計算模型是指在網(wǎng)絡邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模型。邊緣計算模型中邊緣設備具有執(zhí)行計算和數(shù)據(jù)分析的處理能力，將原有云計算模型執(zhí)行的部分或全部計算任務遷移到網(wǎng)絡邊緣設備上，降低云服務器的計算負載，減緩網(wǎng)絡帶寬的壓力，提高萬物互聯(lián)時代數(shù)據(jù)的處理效率。邊緣計算并不是為了取代云，而是對云的補充，為移動計算、物聯(lián)網(wǎng)等相關技術提供一個更好的計算平臺。

邊緣計算模型成為新興萬物互聯(lián)應用的支撐平臺，目前已是大勢所趨。本文中，我們從概念、關鍵技術、典型應用、現(xiàn)狀趨勢和挑戰(zhàn)等幾個方面對邊緣計算的模型展開詳細介紹，旨在為邊緣計算研究者提供參考。

1 邊緣計算的概念

對于邊緣計算，不同的組織給出了不同的定義。美國韋恩州立大學計算機科學系的施巍松等人把邊緣計算定義為：“邊緣計算是指在網(wǎng)絡邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模式，邊緣計算中邊緣的下行數(shù)據(jù)表示云服務，上行數(shù)據(jù)表示萬物互聯(lián)服務”[1]。邊緣計算產業(yè)聯(lián)盟把邊緣計算定義為：“邊緣計算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側，融合網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的開發(fā)平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求”。

因此，邊緣計算是一種新型計算模式，通過在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側，為應用提供融合計算、存儲和網(wǎng)絡等資源。同時，邊緣計算也是一種使能技術，通過在網(wǎng)絡邊緣側提供這些資源，滿足行業(yè)在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

1.1 邊緣計算的體系架構

邊緣計算通過在終端設備和云之間引入邊緣設備，將云服務擴展到網(wǎng)絡邊緣。邊緣計算架構包括終端層、邊緣層和云層。圖1展示了邊緣計算的體系架構。接下來我們簡要介紹邊緣計算體系架構中每層的組成和功能。

（1）終端層。終端層是最接近終端用戶的層，它由各種物聯(lián)網(wǎng)設備組成，例如傳感器、智能手機、智能車輛、智能卡、讀卡器等。為了延長終端設備提供服務的時間，則應該避免在終端設備上運行復雜的計算任務。因此，我們只將終端設備負責收集原始數(shù)據(jù)，并上傳至上層進行計算和存儲。終端層連接上一層主要通過蜂窩網(wǎng)絡。

（2）邊緣層。邊緣層位于網(wǎng)絡的邊緣，由大量的邊緣節(jié)點組成，通常包括路由器、網(wǎng)關、交換機、接入點、基站、特定邊緣服務器等。這些邊緣節(jié)點廣泛分布在終端設備和云層之間，例如咖啡館、購物中心、公交總站、街道、公園等。它們能夠對終端設備上傳的數(shù)據(jù)進行計算和存儲。由于這些邊緣節(jié)點距離用戶距離較近，則可以為運行對延遲比較敏感的應用，從而滿足用戶的實時性要求。邊緣節(jié)點也可以對收集的數(shù)據(jù)進行預處理，再把預處理的數(shù)據(jù)上傳至云端，從而減少核心網(wǎng)絡的傳輸流量。邊緣層連接上層主要通過因特網(wǎng)。

（3）云層。云層由多個高性能服務器和存儲設備組成，它具有強大的計算和存儲功能，可以執(zhí)行復雜的計算任務。云模塊通過控制策略可以有效地管理和調度邊緣節(jié)點和云計算中心，為用戶提供更好的服務。

1.2 邊緣計算的范例

與邊緣計算類似的范例，如霧計算、移動邊緣計算等，雖然與邊緣計算不盡相同，但它們在動機、節(jié)點設備、節(jié)點位置等上與邊緣計算范例類似。協(xié)同邊緣計算[3]是一種新的計算范例，它使用邊緣設備和路由器的網(wǎng)狀網(wǎng)絡來實現(xiàn)網(wǎng)絡內的分布式決策。決策是在網(wǎng)絡內部通過在邊緣設備之間共享數(shù)據(jù)和計算而不是將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到集中式服務器來完成的。這與通常執(zhí)行集中計算的現(xiàn)有計算范例不同，并且諸如網(wǎng)關的邊緣設備僅用于收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器以進行處理。邊緣計算與協(xié)同邊緣計算的對比如表1 所示。

1.3 邊緣計算的優(yōu)勢

邊緣計算模型將原有云計算中心的部分或全部計算任務遷移到數(shù)據(jù)源附近，相比于傳統(tǒng)的云計算模型，邊緣計算模型具有實時數(shù)據(jù)處理和分析、安全性高、隱私保護、可擴展性強、位置感知以及低流量的優(yōu)勢。

（1）實時數(shù)據(jù)處理和分析。將原有云計算中心的計算任務部分或全部遷移到網(wǎng)絡邊緣，在邊緣設備處理數(shù)據(jù)，而不是在外部數(shù)據(jù)中心或云端進行;因此提高了數(shù)據(jù)傳輸性能，保證了處理的實時性，同時也降低了云計算中心的計算負載。

（2）安全性高。傳統(tǒng)的云計算模型是集中式的，這使得它容易受到分布式拒絕服務供給和斷電的影響。邊緣計算模型在邊緣設備和云計算中心之間分配處理、存儲和應用，使得其安全性提高。邊緣計算模型同時也降低了發(fā)生單點故障的可能性。

（3）保護隱私數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)安全性。邊緣計算模型是在本地設備上處理更多數(shù)據(jù)而不是將其上傳至云計算中心，因此邊緣計算還可以減少實際存在風險的數(shù)據(jù)量。即使設備受到攻擊，它也只會包含本地收集的數(shù)據(jù)，而不是受損的云計算中心。

（4）可擴展性。邊緣計算提供了更便宜的可擴展性路徑，允許公司通過物聯(lián)網(wǎng)設備和邊緣數(shù)據(jù)中心的組合來擴展其計算能力。使用具有處理能力的物聯(lián)網(wǎng)設備還可以降低擴展成本，因此添加的新設備都不會對網(wǎng)絡產生大量帶寬需求。

（5）位置感知。邊緣分布式設備利用低級信令進行信息共享。邊緣計算模型從本地接入網(wǎng)絡內的邊緣設備接收信息以發(fā)現(xiàn)設備的位置。例如導航，終端設備可以根據(jù)自己的實時位置把相關位置信息和數(shù)據(jù)交給邊緣節(jié)點來進行處理，邊緣節(jié)點基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行判斷和決策。

（6）低流量。本地設備收集的數(shù)據(jù)可以進行本地計算分析，或者在本地設備上進行數(shù)據(jù)的預處理，不必把本地設備收集的所有數(shù)據(jù)上傳至云計算中心，從而可以減少進入核心網(wǎng)的流量。

2 邊緣計算的典型應用

邊緣計算在很多應用場景下都取得了很好的效果。本節(jié)中，我們將介紹基于邊緣計算框架設計的幾個新興應用場景，部分場景在歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）白皮書中進行了討論，如視頻分析和移動大數(shù)據(jù)。還有一些綜述論文[4，5]介紹了車輛互聯(lián)、醫(yī)療保健、智能建筑控制、海洋監(jiān)測以及無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡與邊緣計算結合的場景。

（1）醫(yī)療保健。邊緣計算可以輔助醫(yī)療保健，例如可以針對患有中風的患者輔助醫(yī)療保健。研究人員最近提出了一種名為U-fall的智能醫(yī)療基礎設施，它通過采用邊緣計算技術來利用智能手機[6]。在邊緣計算的輔助下，U-fall借助智能設備傳感器實時感應運動檢測。邊緣計算還可以幫助健康顧問協(xié)助他們的病人，而不受其地理位置的影響。邊緣計算使智能手機能夠從智能傳感器收集患者的生理信息，并將其發(fā)送到云服務器以進行存儲、數(shù)據(jù)同步以及共享。

（2）視頻分析。在萬物聯(lián)網(wǎng)時代，用于監(jiān)測控制的攝像機無處不在，傳統(tǒng)的終端設備——云服務器架構可能無法傳輸來自數(shù)百萬臺終端設備的視頻。在這種情況下，邊緣計算可以輔助基于視頻分析的應用。在邊緣計算輔助下，大量的視頻不用再全部上傳至云服務器，而是在靠近終端設備的邊緣服務器中進行數(shù)據(jù)分析，只把邊緣服務器不能處理的小部分數(shù)據(jù)上傳至云計算中心即可。

（3）車輛互聯(lián)。通過互聯(lián)網(wǎng)接入為車輛提供便利，使其能夠與道路上的其他車輛連接。如果把車輛收集的數(shù)據(jù)全部上傳至云端處理會造成互聯(lián)網(wǎng)負載過大，導致傳輸延遲，因此，需要邊緣設備其本身具有處理視頻、音頻、信號等數(shù)據(jù)的能力。邊緣計算可以為這一需要提供相應的架構、服務、支持能力，縮短端到端延遲，使數(shù)據(jù)更快地被處理，避免信號處理不及時而造成車禍等事故。一輛車可以與其他接近的車輛通信，并告知他們任何預期的風險或交通擁堵。

（4）移動大數(shù)據(jù)分析。無處不在的移動終端設備可以收集大量的數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)對業(yè)務至關重要，因為它可以提取可能有益于不同業(yè)務部門的分析和有用信息。大數(shù)據(jù)分析是從原始數(shù)據(jù)中提取有意義的信息的過程。在移動設備附近實施部署邊緣服務器可以通過網(wǎng)絡高帶寬和低延遲提升大數(shù)據(jù)分析。例如，首先在附近的邊緣服務器中收集和分析大數(shù)據(jù)，然后可以將大數(shù)據(jù)分析的結果傳遞到核心網(wǎng)絡以進一步處理，從而減輕核心網(wǎng)絡的壓力。

（5）智能建筑控制。智能建筑控制系統(tǒng)由部署在建筑物不同部分的無線傳感器組成。傳感器負責監(jiān)測和控制建筑環(huán)境，例如溫度、氣體水平或濕度。在智能建筑環(huán)境中，部署邊緣計算環(huán)境的建筑可以通過傳感器共享信息并對任何異常情況做出反應。這些傳感器可以根據(jù)其他無線節(jié)點接收的集體信息來維持建筑氣氛。

（6）海洋監(jiān)測控制?？茖W家正在研究如何應對任何海洋災難性事件，并提前了解氣候變化。這可以幫助人們快速采取應對措施，從而減輕災難性事件造成的嚴重后果。部署在海洋中某些位置的傳感器大量傳輸數(shù)據(jù)，這需要大量的計算資源和存儲資源。而利用傳統(tǒng)的云計算中心來處理接收到的大量數(shù)據(jù)可能會導致預測傳輸?shù)难舆t。在這種情況下，邊緣計算可以發(fā)揮重要作用，通過在靠近數(shù)據(jù)源的地方就近處理，從而防止數(shù)據(jù)丟失或傳感器數(shù)據(jù)傳輸延遲。

（7）智能家居。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)得到進一步發(fā)展，其利用大量的物聯(lián)網(wǎng)設備實時監(jiān)測控制家庭內部狀態(tài)，接收外部控制命令并最終完成對家居環(huán)境的調控，以提升家居安全性、便利性、舒適性。由于家庭數(shù)據(jù)的隱私性，用戶并不總是愿意將數(shù)據(jù)上傳至云端進行處理，尤其是一些家庭內部視頻數(shù)據(jù)。而邊緣計算可以將家庭數(shù)據(jù)處理推送至家庭內部網(wǎng)關，減少家庭數(shù)據(jù)的外流，降低數(shù)據(jù)外泄的可能性，提升系統(tǒng)的隱私性。

（8）智慧城市。預測顯示：一個百萬人口的城市每天將可能會產生200 PB的數(shù)據(jù)[7]。因此，應用邊緣計算模型，將數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡邊緣處理是一個很好的解決方案。例如，在城市路面檢測中，在道路兩側路燈上安裝傳感器收集城市路面信息，檢測空氣質量、光照強度、噪聲水平等環(huán)境數(shù)據(jù)，當路燈發(fā)生故障時能夠即時反饋給維護人員，同時輔助健康急救和公共安全領域。

3 邊緣計算現(xiàn)狀和關鍵技術

目前，邊緣計算的發(fā)展仍然處于初期階段。隨著越來越多的設備聯(lián)網(wǎng)，邊緣計算得到了來自工業(yè)界和學術界的廣泛重視和一致認可。本節(jié)中，我們主要從工業(yè)界和學術界的角度介紹邊緣計算的現(xiàn)狀。

3.1 工業(yè)界

在工業(yè)界中，亞馬遜、谷歌和微軟等云巨頭正在成為邊緣計算領域的領先者。亞馬遜的 AWS Greengrass 服務進軍邊緣計算領域，走在了行業(yè)的前面。AWS Greengrass 將AWS 擴展到設備上，這樣本地生成的數(shù)據(jù)就可以在本地設備上處理。微軟在這一領域也有大動作，該公司計劃未來4年在物聯(lián)網(wǎng)領域投入50億美元，其中包括邊緣計算項目。谷歌宣布了2款新產品，意在幫助改善邊緣聯(lián)網(wǎng)設備的開發(fā)。它們分別是硬件芯片 Edge張量處理單元（TPU） 和軟件堆棧 Cloud 物聯(lián)網(wǎng)（IoT） Edge。涉足邊緣計算領域的并不只是這3大云巨頭。2015年，思科、ARM、英特爾、微軟、普林斯頓大學聯(lián)合成立了開放霧計算（OpenFog）聯(lián)盟;2016 年11月30日，在北京正式成立了產學研結合的邊緣計算產業(yè)合作平臺，推動運行技術（OT）和信息與通信技術（ICT）產業(yè)開放協(xié)作，引領邊緣計算產業(yè)蓬勃發(fā)展，深化行業(yè)數(shù)字化轉型。

3.2 學術界

學術界也展開了關于邊緣計算的研究，邊緣計算頂級年會電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）/國際計算機協(xié)會（ACM）邊緣計算研討會（SEC）、IEEE國際分布式計算系統(tǒng)會議（ICDCS）、國際計算機通信會議（INFOCOM）等重大國際會議都開始增加邊緣計算的分會和專題研討會。涉及主要關鍵技術及研究熱點如下：

（1） 計算卸載。計算卸載是指終端設備將部分或全部計算任務卸載到資源豐富的邊緣服務器，以解決終端設備在資源存儲、計算性能以及能效等方面存在的不足。計算卸載的主要技術是卸載決策。卸載決策主要解決的是移動終端如何卸載計算任務、卸載多少以及卸載什么的問題。根據(jù)卸載決策的優(yōu)化目標將計算卸載分為以降低時延為目標、以降低能量消耗為目標以及權衡能耗和時延為目標的3種類型。

（2）移動性管理。邊緣計算依靠資源在地理上廣泛分布的特點來支持應用的移動性，一個邊緣計算節(jié)點只服務周圍的用戶。云計算模式對應用移動性的支持則是服務器位置固定，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌?，所以在邊緣計算中應用的移動管理是一種新模式。主要涉及2個問題：資源發(fā)現(xiàn)，即用戶在移動的過程中需要快速發(fā)現(xiàn)周圍可以利用的資源，并選擇最合適的資源。邊緣計算的資源發(fā)現(xiàn)需要適應異構的資源環(huán)境，還需要保證資源發(fā)現(xiàn)的速度，才能使應用不間斷的為用戶提供服務。另一個問題是資源切換，即當用戶移動時，移動應用使用的計算資源可能會在多個設備間切換。資源切換要將服務程序的運行現(xiàn)場遷移，保證服務連續(xù)性是邊緣計算研究的一個重點。一些應用程序期望在用戶位置改變之后繼續(xù)為用戶提供服務。邊緣計算資源的異構性與網(wǎng)絡的多樣性，需要遷移過程自適應設備計算能力與網(wǎng)絡帶寬的變化。文獻[8]中，作者通過選擇性地將虛擬機遷移到最佳位置來優(yōu)化遷移增益和遷移成本間的權衡。

除了以上2個關鍵技術，邊緣計算研究熱點還包括網(wǎng)絡控制、內容緩存、內容自適應、數(shù)據(jù)聚合以及安全卸載等問題。在網(wǎng)絡控制方面，文獻[9]的作者提出了一種有效的工作負載切片方案，用戶使用軟件定義網(wǎng)絡處理多邊緣云環(huán)境中的數(shù)據(jù)密集型應用程序。在內容緩存方面，文獻[10]的作者提出了一種用于自動駕駛服務的兩級邊緣計算框架，以便充分利用無線邊緣的智能來協(xié)調內容傳輸。在內容適應方面，文獻[11]的作者介紹了一種用于在多用戶移動網(wǎng)絡中優(yōu)化基于HTTP的多媒體傳送的新穎架構。在數(shù)據(jù)聚合方面，文獻[12]的作者提出了混合整數(shù)規(guī)劃公示和算法，用于物聯(lián)網(wǎng)邊緣網(wǎng)絡中傳感器測量數(shù)據(jù)的能量最優(yōu)路由和多宿聚合問題，以及聯(lián)合聚合和傳播。在安全卸載方面，文獻[13]的作者提出了一種名為MECPASS的新型協(xié)作DoS防御架構，以減輕來自移動設備的攻擊流量。

4 挑戰(zhàn)

目前邊緣計算已經得到了各行各業(yè)的廣泛重視，并且在很多應用場景下開花結果;但邊緣計算的實際應用還存在很多問題[5]需要研究。本文中，我們對其中的幾個主要問題進行分析，包括優(yōu)化邊緣計算性能、安全性、互操作性以及智能邊緣操作管理服務。

（1）優(yōu)化邊緣計算性能。在邊緣計算架構中，不同層次的邊緣服務器所擁有的計算能力有所不同，負載分配將成為一個重要問題。用戶需求、延時、帶寬、能耗及成本是決定負載分配策略的關鍵指標。針對不同工作負載，應設置指標的權重和優(yōu)先級，以便系統(tǒng)選擇最優(yōu)分配策略。成本分析需要在運行過程中完成、分發(fā)負載之間的干擾和資源使用情況，都對邊緣計算架構提出了挑戰(zhàn)。

（2）安全性。邊緣計算的分布式架構增加了攻擊向量的維度，邊緣計算客戶端越智能，越容易受到惡意軟件感染和安全漏洞攻擊。在邊緣計算架構中，在數(shù)據(jù)源的附近進行計算是保護隱私和數(shù)據(jù)安全的一種較合適的方法。但由于網(wǎng)絡邊緣設備的資源有限，對于有限資源的邊緣設備而言，現(xiàn)有數(shù)據(jù)安全的保護方法并不能完全適用于邊緣計算架構。而且，網(wǎng)絡邊緣高度動態(tài)的環(huán)境也會使網(wǎng)絡更加易受攻擊和難以保護。

（3）互操作性。邊緣設備之間的互操作性是邊緣計算架構能夠大規(guī)模落地的關鍵。不同設備商之間需要通過制定相關的標準規(guī)范和通用的協(xié)作協(xié)議，實現(xiàn)異構邊緣設備和系統(tǒng)之間的互操作性。

（4）智能邊緣操作管理服務。網(wǎng)絡邊緣設備的服務管理在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中需要滿足識別服務優(yōu)先級，靈活可擴展和復雜環(huán)境下的隔離線。在傳感器數(shù)據(jù)和通信不可靠的情況下，系統(tǒng)如何通過利用多維參考數(shù)據(jù)源和歷史數(shù)據(jù)記錄，提供可靠的服務是目前需要關注的問題。