朱軍軍

昆船物流信息產(chǎn)業(yè)有限公司，中國·云南 昆明 650000

邊緣計(jì)算；應(yīng)用；未來挑戰(zhàn)

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展使數(shù)據(jù)的增長速度大大增加，各種各樣的智能設(shè)備如智能眼鏡、智能手機(jī)等數(shù)量不斷增加，數(shù)據(jù)的增長速度已經(jīng)超過了網(wǎng)絡(luò)帶寬的增速，這也對網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和存儲能力提出了更高的要求。邊緣計(jì)算可以將網(wǎng)絡(luò)邊緣上的網(wǎng)絡(luò)存儲資源以及計(jì)算組成統(tǒng)一的平臺，為用戶提供可靠服務(wù)，有效處理數(shù)據(jù)庫，避免網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲的限制。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中有著十分重要的應(yīng)用前景，論文主要結(jié)合邊緣計(jì)算的應(yīng)用以及未來挑戰(zhàn)進(jìn)行闡述。

2 邊緣計(jì)算概述

2.1 邊緣計(jì)算定義

邊緣計(jì)算目前尚未有統(tǒng)一嚴(yán)格的定義，不同的研究者和科學(xué)家根據(jù)自身的角度來理解和闡述邊緣計(jì)算。美國某教授將邊緣計(jì)算描述為一種新的計(jì)算模式，可以將存儲、資源和計(jì)算部署在更貼近傳感器以及移動設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)邊緣。還有的學(xué)者認(rèn)為，邊緣計(jì)算指的是在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的新型計(jì)算模式，上行數(shù)據(jù)表示萬物互聯(lián)服務(wù)，下行數(shù)據(jù)表示云服務(wù)，邊緣計(jì)算的邊緣指的是從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的網(wǎng)絡(luò)資源以及任意計(jì)算?？偠灾?，有關(guān)邊緣計(jì)算的定義都強(qiáng)調(diào)避免計(jì)算是一種新型的計(jì)算模式，核心理念在于計(jì)算可以更貼近用戶，更靠近數(shù)據(jù)的源頭。邊緣計(jì)算中的貼近，首先可以表示網(wǎng)絡(luò)距離更近，可以有效避免網(wǎng)絡(luò)規(guī)模帶寬縮小、抖動以及延遲所造成的問題和故障。其次，也可以將這種貼近理解為空間距離更近，使用戶可以與邊緣計(jì)算的資源處在同一位置或者情景當(dāng)中，為用戶提供個性化和針對性的服務(wù)[1]。

2.2 邊緣計(jì)算的產(chǎn)生背景

隨著信息時代的全面到來以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，云計(jì)算服務(wù)技術(shù)在當(dāng)前各行各業(yè)中有著十分廣泛的應(yīng)用價值。云計(jì)算服務(wù)作為一種集中式的服務(wù)，可以為人們提供更加準(zhǔn)確和充足的數(shù)據(jù)支持。通過網(wǎng)絡(luò)可以將所有的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆朴?jì)算中心進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)資源的高度整合以及集中使云計(jì)算具有較高的通用性。但是，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的爆發(fā)式增長，基于云計(jì)算模型的聚合性服務(wù)，逐漸體現(xiàn)出在網(wǎng)絡(luò)制約實(shí)施性資源隱私保護(hù)方面的缺陷。

2.2.1 云計(jì)算過度依賴于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

雖然中國4G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率已經(jīng)高達(dá)九成以上，但是仍然存在一定的網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)，無法保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量[2]。但是云計(jì)算數(shù)據(jù)的傳輸對于網(wǎng)絡(luò)的依賴較高，在這些缺乏網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋的區(qū)域難以保證云計(jì)算服務(wù)的質(zhì)量。

2.2.2 云計(jì)算實(shí)時性的要求難以得到保障

通過將全部數(shù)據(jù)上傳到云計(jì)算中心進(jìn)行處理的方式為用戶提供服務(wù)，但是云計(jì)算的處理速度受中心計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及總計(jì)算任務(wù)量等多種因素的影響，各個環(huán)節(jié)的時延累計(jì)以及請求至響應(yīng)的鏈路較長，都可能會造成無法接受的處理時延[3]。

2.2.3 云計(jì)算對于資源量的要求較高

隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加數(shù)據(jù)傳輸而造成的網(wǎng)絡(luò)流量開銷也不斷增大，這也對云計(jì)算中心的存儲功能和計(jì)算功能提出了較高的要求，造成了較大的能耗。同時，云計(jì)算系統(tǒng)也無法良好保證用戶的隱私，云計(jì)算數(shù)據(jù)的獲取可能會包含用戶隱私數(shù)據(jù)，例如，工廠內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及家庭內(nèi)的監(jiān)控?cái)z像頭等，服務(wù)提供商對于數(shù)據(jù)的實(shí)際使用情況是不受法律約束和不透明的。例如，2017年8月華為技術(shù)有限公司被報(bào)道根據(jù)用戶的聊天內(nèi)容自動加載天氣、地址等相關(guān)信息，嚴(yán)重侵犯了用戶的隱私權(quán)利。

邊緣計(jì)算的概念是為了彌補(bǔ)集中式云計(jì)算的不足而產(chǎn)生的，邊緣計(jì)算更靠近數(shù)據(jù)的源頭，融合了計(jì)算分析網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用存儲等核心能力，是一種分布式的開放平臺，可以為人們提供邊緣智能服務(wù)。邊緣計(jì)算傳輸鏈路相對較短，可以在數(shù)據(jù)產(chǎn)生測高效快捷的響應(yīng)客戶和業(yè)務(wù)的需求，提升隱私保護(hù)程度。同時，邊緣計(jì)算能有效減少數(shù)據(jù)傳輸過程中和服務(wù)提供期間對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度，在離線狀態(tài)下也能為人們提供基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)服務(wù)[4]。

3 邊緣計(jì)算的應(yīng)用

隨著數(shù)據(jù)量的逐年增長，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇罅康臄?shù)據(jù)會給網(wǎng)絡(luò)資源帶來極大的負(fù)擔(dān)。在此背景下，基于數(shù)據(jù)源頭以及附近進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，并將有價值的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心更有效率和意義，在很多應(yīng)用場景下都取得了良好的效果，部分場景已經(jīng)在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會白皮書中進(jìn)行了討論。同時，邊緣計(jì)算近期廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、車輛互聯(lián)、海洋監(jiān)測、智能建筑控制以及無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)與邊緣計(jì)算結(jié)合的場景[5]。

3.1 為醫(yī)療保障提供輔助幫助

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，邊緣計(jì)算的應(yīng)用可以為醫(yī)療保障提供輔助幫助。例如，在具體中風(fēng)患者案例當(dāng)中，可以針對患者的實(shí)際情況進(jìn)行輔助的醫(yī)療保健，通過智能醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建采取邊緣計(jì)算技術(shù)，利用智能手機(jī)和智能傳感器實(shí)時感應(yīng)患者的運(yùn)動檢測，同時也可以幫助健康顧問協(xié)助病人進(jìn)行醫(yī)療干預(yù)，不會受到時間和空間的限制。邊緣計(jì)算也可以使智能手機(jī)從患者的智能傳感器收集具體的生理信息，將之發(fā)送到云服務(wù)器進(jìn)行存儲、共享以及同步，使醫(yī)護(hù)人員能及時發(fā)現(xiàn)患者病情的變化，并為患者提供針對性的治療方案，減少醫(yī)療事故的發(fā)生，提高治療效果和治療質(zhì)量。

3.2 為車輛提供便利

邊緣計(jì)算在車輛互聯(lián)中的應(yīng)用主要是通過信息網(wǎng)絡(luò)為車輛提供便利，使車輛可以與道路上的其他車輛智能連接。如果將車輛收集到的數(shù)據(jù)全部上傳到終端處理，會造成互聯(lián)網(wǎng)負(fù)擔(dān)過大而影響傳輸效果，因此，邊緣設(shè)備的應(yīng)用可以有效解決這個問題。通過邊緣設(shè)備本身具有的音頻視頻以及信號處理能力，提高信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和效率，電源設(shè)備可以為車輛互聯(lián)服務(wù)提供相應(yīng)的服務(wù)支持、架構(gòu)支持，解決互聯(lián)終端之間的數(shù)據(jù)延遲問題，使數(shù)據(jù)可以更好地被處理和分析，有效避免信號處理不及時而造成的車禍?zhǔn)鹿?。一輛車可以通過車輛互聯(lián)系統(tǒng)與其他接近的車輛進(jìn)行通信，并告知可能存在的交通擁堵現(xiàn)象以及風(fēng)險問題，使行車更加安全和可靠。

3.3 對視頻流進(jìn)行分析

邊緣計(jì)算在視頻流分析中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在車牌識別、家庭安全監(jiān)測控制以及人臉識別等領(lǐng)域。視頻流操作主要包括目標(biāo)檢測以及目標(biāo)分類，視頻分析算法通常計(jì)算精度和計(jì)算復(fù)雜度較高，因此可以從視頻捕獲設(shè)備如攝像機(jī)中移除分析工作以簡化設(shè)備的工作量，減少設(shè)備的運(yùn)營成本。如果在云計(jì)算終端計(jì)算這些復(fù)雜度較高的任務(wù)，會造成視頻流分到核心網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中而消耗大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，將視頻流分析移到靠近邊緣設(shè)備的地方，有效解決系統(tǒng)延遲問題，而且可以避免大量視頻流上傳而造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象。結(jié)合邊緣計(jì)算的視頻流分析系統(tǒng)，要求邊緣服務(wù)器具有視頻分析以及視頻管理的能力，將有價值的視頻片段或者截圖備份到云數(shù)據(jù)中心中，便可以完成視頻分析和存儲的任務(wù)，使視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理和優(yōu)化更加簡便、快捷。

4 邊緣計(jì)算的未來挑戰(zhàn)

邊緣計(jì)算應(yīng)用的一個顯著優(yōu)勢是加快了網(wǎng)絡(luò)行動時間，并將響應(yīng)速度大幅度的縮短，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，但是邊緣計(jì)算并不能全面取代云計(jì)算技術(shù)，邊緣計(jì)算可能會面臨著重大的配置挑戰(zhàn)、許可挑戰(zhàn)以及安全挑戰(zhàn)。

4.1 從配置挑戰(zhàn)的角度來看

從配置挑戰(zhàn)的角度來看，除非設(shè)備管理是可靠、集中和科學(xué)的，否則管理人員可能會無意中造成安全漏洞。如果未能更改每個邊緣設(shè)備上的默認(rèn)密碼或者以一致的方式更新固件，會造成配置漂移問題而帶來安全問題，影響數(shù)據(jù)的可靠性和隱私度。

4.2 從挑戰(zhàn)的角度來看

從挑戰(zhàn)的角度來看，智能客戶端可能會有著隱藏的許可成本，雖然邊緣客戶端的基本版本最初價格較低，但是附加的功能可能會分開許可并增加價格。

4.3 從安全挑戰(zhàn)的角度來看

從安全挑戰(zhàn)的角度來看，邊緣計(jì)算的分布式架構(gòu)增加了攻擊向量的次數(shù)，隨著邊緣客戶端越來越智能化，邊緣客戶端受到惡意軟件感染以及安全漏洞攻擊的概率也大大增加。

第一，在邊緣計(jì)算實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要重點(diǎn)解決計(jì)算面臨的安全性問題、互操作性問題、邊緣計(jì)算性能問題以及智能邊緣操作管理服務(wù)問題等。在邊緣計(jì)算架構(gòu)的過程中不同層次的邊緣服務(wù)器計(jì)算能力也是各不相同的，負(fù)載分配將會成為一個嚴(yán)重的問題。在決定負(fù)載分配策略時，需要綜合考慮用戶需求、帶寬延遲成本以及能耗等相關(guān)指標(biāo)，針對不同的工作負(fù)載設(shè)置指標(biāo)的優(yōu)先級以及權(quán)重，使系統(tǒng)可以選擇最佳的分配策略。在運(yùn)行過程中也需要做好成本分析工作，明確負(fù)載分發(fā)和完成過程中的干擾和資源使用情況。

第二，在邊緣計(jì)算的過程中，還需要加強(qiáng)對邊緣設(shè)備之間互操作性功能的完善和重視，這也是邊緣計(jì)算架構(gòu)能大規(guī)模落地的群體，不同的設(shè)備商和供應(yīng)商之間需要通過制定一致的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和通用的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與異構(gòu)邊緣設(shè)備之間的互操作性。

第三，還需要針對智能邊緣操作管理服務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，在通信不可靠以及傳感器數(shù)據(jù)不真實(shí)的情況下，系統(tǒng)需要綜合考慮歷史數(shù)據(jù)記錄，利用多維參考數(shù)據(jù)源提供可靠的服務(wù)。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為新一代科技發(fā)展的制高點(diǎn)，邊緣計(jì)算可以為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的實(shí)施服務(wù)響應(yīng)以及海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍魬?zhàn)工作提供新的解決方案，受到了中國外政府和科學(xué)界的一致重視和認(rèn)可。論文通過對邊緣計(jì)算的產(chǎn)生背景、定義、架構(gòu)以及應(yīng)用和挑戰(zhàn)進(jìn)行分析，指出邊緣計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用方法以及未來發(fā)展過程中需要注意的問題和事項(xiàng)，并針對邊緣計(jì)算在安防監(jiān)控領(lǐng)域以及預(yù)測性維護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用和進(jìn)展進(jìn)行深入研究，希望能為邊緣計(jì)算項(xiàng)目的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供一定的參考，促進(jìn)智能化社會的構(gòu)建。