趙婉芳 杜輝 趙妍

(北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176)

0.前言

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量呈爆炸式增長。據(jù)估計，到2025年，超過750億臺設(shè)備將連接到互聯(lián)網(wǎng)[1]，對全球市場造成經(jīng)濟影響。物聯(lián)網(wǎng)包括連接物理世界和互聯(lián)網(wǎng)的軟件和硬件基礎(chǔ)設(shè)施。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常內(nèi)存小、低功耗、計算能力有限，各種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備和連接系統(tǒng)，包括主要的傳感器，在城市、家庭、交通和工業(yè)中大量使用，產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要被及時計算處理，但由于數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的延遲以及網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，因此，面對大量連接設(shè)備及數(shù)據(jù)量，集中云中心的數(shù)據(jù)處理模式變得不切實際，需要盡可能地減少數(shù)據(jù)傳輸量，盡量在本地進行數(shù)據(jù)計算處理。邊緣計算提出盡可能靠近數(shù)據(jù)源執(zhí)行數(shù)據(jù)的計算處理，避免出現(xiàn)大量的數(shù)據(jù)交換傳輸，很好地解決了這些問題，為物聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展提供了解決方案。

1.邊緣計算

邊緣計算將計算數(shù)據(jù)、應(yīng)用程序和服務(wù)從云服務(wù)器引導(dǎo)到網(wǎng)絡(luò)邊緣，它通過使服務(wù)接近最終用戶來減少延遲，是云計算的高級版本。邊緣計算通過在邊緣網(wǎng)絡(luò)中提供資源和服務(wù)來最小化云的負(fù)載。邊緣計算的特點是超低延遲、高帶寬以及對網(wǎng)絡(luò)信息的實時訪問，可供給多個應(yīng)用程序使用[2]。服務(wù)提供商部署新的邊緣計算標(biāo)準(zhǔn)和邊緣平臺，通過開放對新應(yīng)用程序和服務(wù)的訪問，向邊緣用戶提供無線接入網(wǎng)絡(luò)。邊緣計算可以實現(xiàn)多種服務(wù)，包括位置服務(wù)、增強現(xiàn)實、視頻分析和數(shù)據(jù)緩存，為企業(yè)和消費者提供了離他們更近的多種新服務(wù)[3]。

邊緣計算和云計算有服務(wù)相似之處，與云類似，邊緣服務(wù)提供商向最終用戶提供應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)計算和存儲服務(wù)。但這兩種計算范式之間仍存在著相當(dāng)大的差異。邊緣計算是云計算的高級版本，它們主要區(qū)別在于服務(wù)器的位置，邊緣計算中的服務(wù)位于邊緣網(wǎng)絡(luò)中，而云中的服務(wù)位于Internet中，目標(biāo)用戶是一般的Internet用戶。云服務(wù)在 Internet 中的終端用戶與云服務(wù)器之間的距離決定了其可用性，如果終端設(shè)備與云服務(wù)器之間距離較遠，則會在云計算中產(chǎn)生較高的延遲，同時也會具有很高的抖動。與使用集中式數(shù)據(jù)處理的云計算模式不同，邊緣計算使用了服務(wù)器分發(fā)的分布式模型，具有位置感知和高度支持的移動性，與云計算的全局范圍不同，邊緣計算的范圍是有限的。此外，邊緣硬件的能力有限，這使得它的可伸縮性不如云。

2.邊緣計算特性分析

邊緣計算是云計算的延伸，是一種自主計算模型。是為了解決延遲敏感服務(wù)和應(yīng)用程序中延遲較長的問題而開發(fā)的，它由許多分布式異構(gòu)設(shè)備組成，它們與網(wǎng)絡(luò)通信，執(zhí)行存儲和處理等計算任務(wù)。這些任務(wù)還可以支持用戶租賃設(shè)備并獲得獎勵的基于租賃的服務(wù)。它使計算服務(wù)更接近網(wǎng)絡(luò)邊緣的終端用戶。邊緣計算有利于提供給有可預(yù)測且非常低的延遲，位置感知，移動性支持等要求的應(yīng)用程序服務(wù)。

2.1 位置感知

為了減少物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換傳輸，邊緣計算主要選擇就近服務(wù)節(jié)點對數(shù)據(jù)計進行計算處理。邊緣計算的位置感知屬性可以使得移動用戶從最接近其物理位置的邊緣服務(wù)器訪問服務(wù)。這種位置識別可以用于多種需要位置信息的邊緣計算應(yīng)用程序。使用中用戶可以通過手機基礎(chǔ)設(shè)施、無線接入點或GPS等多種技術(shù)方法找到電子設(shè)備的位置，例如車輛安全應(yīng)用程序和基于邊緣的災(zāi)難管理應(yīng)用程序，用戶都可以通過位置感知功能及時定位。

2.2 密集分布與低延遲

為了使云服務(wù)更接近用戶，邊緣計算通過在邊緣網(wǎng)絡(luò)中部署許多計算平臺進行數(shù)據(jù)處理?；A(chǔ)設(shè)施密集的地理分布有助于更快、更準(zhǔn)確地執(zhí)行大數(shù)據(jù)分析。網(wǎng)絡(luò)管理員可以在不需要遍歷整個廣域網(wǎng)的情況下提供基于位置的移動服務(wù)。邊緣系統(tǒng)可以實現(xiàn)大規(guī)模的環(huán)境監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)和管道監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實時分析，由于系統(tǒng)中的邊緣服務(wù)器和計算資源更接近用戶，因此有效減少了用戶訪問服務(wù)的延遲。邊緣系統(tǒng)的低延時的屬性使得用戶能夠在專用服務(wù)器、路由器、基站等資源豐富的邊緣設(shè)備上執(zhí)行其資源密集型和延遲敏感的應(yīng)用程序。

2.3 異構(gòu)性

邊緣計算中包括了各類邊緣計算元素，其中包括邊緣服務(wù)器、終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)所使用的各種基礎(chǔ)設(shè)施、平臺、體系結(jié)構(gòu)、通信技術(shù)和計算等元素。這些元素使用了不同的接入技術(shù)，來自不同的運營商，這些差異導(dǎo)致了邊緣計算的異構(gòu)性。在設(shè)備的異質(zhì)性中，造成異質(zhì)性的主要因素是軟件、硬件和技術(shù)的變化。邊緣服務(wù)器端的異構(gòu)則主要是由于API、平臺和自定義策略存在的不同。邊緣系統(tǒng)的異構(gòu)性導(dǎo)致了系統(tǒng)間互操作性問題，使其成為邊緣計算成功部署的主要挑戰(zhàn)。其中通信技術(shù)的異構(gòu)也會影響到邊緣服務(wù)的交付。使得邊緣系統(tǒng)能夠發(fā)揮優(yōu)勢的關(guān)鍵是研究系統(tǒng)間融合的方式，使多得系統(tǒng)之間能取長補短。

2.4 情境意識

邊緣系統(tǒng)可以利用計算資源和服務(wù)來接近用戶，從而提高用戶的體驗。上下文感知是移動設(shè)備的特點，它與位置感知相互依賴。用戶位置和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載等實時網(wǎng)絡(luò)信息可用于向邊緣用戶提供上下文感知服務(wù)。本地附近的計算資源和服務(wù)的可用性允許用戶利用網(wǎng)絡(luò)上下文信息來進行卸載決策和服務(wù)使用決策。在邊緣計算中，服務(wù)提供商可以通過提取設(shè)備信息和分析用戶的行為來獲得移動用戶的信息，提供更符合用戶習(xí)慣的服務(wù)，更從而改善他們的服務(wù)和資源分配，改善用戶滿意度和體驗質(zhì)量。

3.面臨的挑戰(zhàn)

3.1 安全性和用戶信任問題

邊緣計算系統(tǒng)將部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)卸載到邊緣節(jié)點，減少了數(shù)據(jù)的傳輸量，防止了數(shù)據(jù)傳輸過程中的泄漏問題。但是由于邊緣計算的分布式數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)被傳輸?shù)礁黝愡吘壒?jié)點做計算處理，而邊緣計算的位置感知、分布式體系結(jié)構(gòu)、移動支持需求和海量數(shù)據(jù)處理等特征阻礙了邊緣計算范式中采用傳統(tǒng)的安全機制，因此邊緣系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性面臨全新的挑戰(zhàn)。與邊緣計算相關(guān)的安全威脅主要來自于個人角度的用戶、網(wǎng)絡(luò)運營商和第三方應(yīng)用程序提供商等，屬性角度的隱私、完整性、信任、認(rèn)證、驗證和測量以及對處理數(shù)據(jù)的合法訪問和需要符合當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)的合規(guī)性。

此外，用戶接受和采用邊緣系統(tǒng)的最重要因素之一是要對系統(tǒng)有信任，技術(shù)的安全性和性隱私與消費者的信任密切相關(guān)，如果用戶數(shù)據(jù)的安全性和隱私性得不到保證，肯定會破壞消費者的信任，成為邊緣系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的最大瓶頸。因此需要基于邊緣系統(tǒng)研究開發(fā)消費者信任模型，保證用戶對邊緣計算系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的采用和使用的信任。

為了解決邊緣計算中的上述安全問題，在訪問控制系統(tǒng)、入侵檢測系統(tǒng)、身份和身份驗證、隱私、信任管理等方向需要加以發(fā)展研究，提供適合邊緣系統(tǒng)的解決方案。區(qū)塊鏈技術(shù)的固有特征，如防篡改、冗余和自愈，也有助于實現(xiàn)一些特定的安全目標(biāo)，此外，在邊緣計算范式中還可以采用基于量子密碼的解決方案來進一步提升邊緣系統(tǒng)的安全性。

3.2 異構(gòu)平臺之間的協(xié)作及資源聯(lián)合管理

邊緣計算系統(tǒng)由一系列不同的異構(gòu)平臺組成，由不同的服務(wù)提供商擁有，并在不同的商業(yè)模式下工作，按照不同的經(jīng)營戰(zhàn)略和管理政策運營，同時根據(jù)其運營組織的規(guī)定，遵循不同的規(guī)章制度，例如邊緣數(shù)據(jù)中心和邊緣設(shè)備由不同的供應(yīng)商開發(fā)，并且有自己的接口，使用不同的4G或5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。雖然邊緣計算網(wǎng)絡(luò)的這種異構(gòu)性允許邊緣設(shè)備通過多種無線技術(shù)訪問服務(wù)，但同步性、互操作性、負(fù)載平衡、數(shù)據(jù)隱私性、異構(gòu)資源共享和無縫服務(wù)提供也是使異構(gòu)邊緣計算系統(tǒng)之間的協(xié)作具有挑戰(zhàn)性的因素，這使得此類系統(tǒng)之間的協(xié)作成為一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

在邊緣計算系統(tǒng)中，單個邊緣計算服務(wù)提供者對基礎(chǔ)設(shè)施的投資是有限的。這導(dǎo)致為特定數(shù)量的用戶提供的資源不足，影響服務(wù)的性能并產(chǎn)生較高的成本。另一方面，較低的服務(wù)需求導(dǎo)致收入較低。因此，服務(wù)提供商可以通過互相共享資源來給用戶提供更多的資源，增加其收入。在這些具有不同處理方法、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)資源的異構(gòu)邊緣計算系統(tǒng)中，為大量用戶提供服務(wù)的聯(lián)合資源管理是一項重要內(nèi)容。用戶服務(wù)需求的增加可能導(dǎo)致可變計算和網(wǎng)絡(luò)資源分配之間的卸載增加和高度優(yōu)化。為了克服上述問題，需要異構(gòu)平臺之間的協(xié)作及資源聯(lián)合管理，部署業(yè)務(wù)模型，以確保高性能，向最終用戶提供更有效，低成本服務(wù)。因此，未來需要在普適系統(tǒng)中做深入互操作性和協(xié)作的研究，用于設(shè)計和開發(fā)異構(gòu)邊緣計算系統(tǒng)之間的高效協(xié)作技術(shù)。

3.3 移動性管理及動態(tài)計費

在邊緣計算系統(tǒng)中，無縫服務(wù)交付可確保在消費者移動時，在不同邊緣計算系統(tǒng)之間不間斷地平滑遷移運行應(yīng)用程序，是系統(tǒng)的一項重要機制。但由于不同的邊緣計算服務(wù)提供商實施了不同的安全策略和計費方法，移動用戶無法從網(wǎng)絡(luò)外部訪問本地資源，這也使得無縫服務(wù)交付面臨很大的挑戰(zhàn)。為了克服這個問題，無線網(wǎng)絡(luò)的無縫切換和移動性管理計費方案需要做更合理的設(shè)計和實施。

邊緣系統(tǒng)中用戶的移動性以及多服務(wù)提供商和運營商的參與，導(dǎo)致了對用戶的收費機制面臨很大的挑戰(zhàn)。當(dāng)移動用戶獲得漫游邊緣服務(wù)時，邊緣計算系統(tǒng)的各種服務(wù)提供商之間需要對相應(yīng)的服務(wù)實行動態(tài)計費機制。動態(tài)計費機制的制定原因主要是由于不同移動用戶的數(shù)量，他們會根據(jù)應(yīng)用程序要求的不同，請求具有不同帶寬要求、數(shù)據(jù)傳可用性、延遲性及安全級別等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，還會請求如CPU和內(nèi)存的使用的一些特定的資源。因此，在開發(fā)動態(tài)計費機制時要充分考慮到資源的可用性，資源使用頻率以及資源使用持續(xù)時間。如果存在更多用戶，計費費用可能會有所不同，這將導(dǎo)致高資源需求。特定用戶使用資源的頻率高，或者資源使用持續(xù)時間較長，由于管理開銷，這些使用資源多的用戶與短時間使用資源的用戶的費用會不同。

由于用戶數(shù)量巨大，一個定價模型可能無法滿足眾多客戶，因此開發(fā)動態(tài)和敏捷的定價模型，為異構(gòu)邊緣計算系統(tǒng)提供最適合的定價系統(tǒng)面臨很大困難。邊緣計算范式的快速發(fā)展開啟了對動態(tài)定價模型的需求，該模型通過在客戶對較少延遲、服務(wù)質(zhì)量和價格的期望以及服務(wù)提供商的運營成本和效率之間達成的平衡，來滿足不斷變化的期望。此外，云服務(wù)的“按量付費”定價模型也可嘗試用于為邊緣計算系統(tǒng)開發(fā)動態(tài)定價模型。

4.結(jié)語

邊緣計算是云計算的延升和補充，通過使云計算的服務(wù)和實用程序更接近最終用戶，來確?？焖偬幚頂?shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序，因此邊緣計算是未來更好實現(xiàn)實時應(yīng)用程序、動態(tài)計費機制、資源管理、安全保障系統(tǒng)的解決方案。但是也由于邊緣系統(tǒng)的異構(gòu)特性、安全性和移動性特征，邊緣計算范式的發(fā)展受到一些限制，使得邊緣系統(tǒng)的發(fā)展面臨很大挑戰(zhàn)，未來可以在增強系統(tǒng)安全性，提升用戶信任方面，提升資源聯(lián)合管理促進異構(gòu)平臺之間的協(xié)作以及移動管理領(lǐng)域，如開發(fā)動態(tài)和敏捷的定價模型，為異構(gòu)邊緣計算系統(tǒng)提供最適合的定價系統(tǒng)方面做進一步研究。