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边缘计算综述:应用、现状及挑战

2021-04-06 人浏览


摘要:通过对边缘计算概念、典型应用场景、研究现状及关键技术等系统性的介绍,认为边缘计算的发展还处在初级阶段,在实际的应用中还存在很多问题需要解决研究,包括优化边缘计算性能、安全性、互操作性以及智能边缘操作管理服务。


边缘计算模型中边缘设备具有执行计算和数据分析的处理能力,将原有云计算模型执行的部分或全部计算任务迁移到网络边缘设备上,降低云服务器的计算负载,减缓网络带宽的压力,提高万物互联时代数据的处理效率。边缘计算并不是为了取代云,而是对云的补充,为移动计算、物联网等相关技术提供一个更好的计算平台。边缘计算模型成为新兴万物互联应用的支撑平台,目前已是大势所趋。本文中,我们从概念、关键技术、典型应用、现状趋势和挑战等几个方面对边缘计算的模型展开详细介绍,旨在为边缘计算研究者提供参考。


1 边缘计算的概念

对于边缘计算,不同的组织给出了不同的定义。美国韦恩州立大学计算机科学系的施巍松等人把边缘计算定义为:“边缘计算是指在网络边缘执行计算的一种新型计算模式,边缘计算中边缘的下行数据表示云服务,上行数据表示万物互联服务”。边缘计算产业联盟把边缘计算定义为:“边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧,融合网络、计算、存储、应用核心能力的开发平台,就近提供边缘智能服务,满足行业数字在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求”。


因此,边缘计算是一种新型计算模式,通过在靠近物或数据源头的网络边缘侧,为应用提供融合计算、存储和网络等资源。同时,边缘计算也是一种使能技术,通过在网络边缘侧提供这些资源,满足行业在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。


1.1 边缘计算的体系架构

边缘计算通过在终端设备和云之间引入边缘设备,将云服务扩展到网络边缘。边缘计算架构包括终端层、边缘层和云层。图展示了边缘计算的体系架构。接下来我们简要介绍边缘计算体系架构中每层的组成和功能。

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(1)终端层

终端层是最接近终端用户的层,它由各种物联网设备组成,例如传感器、智能手机、智能车辆、智能卡、读卡器等。为了延长终端设备提供服务的时间,则应该避免在终端设备上运行复杂的计算任务。因此,我们只将终端设备负责收集原始数据,并上传至上层进行计算和存储。终端层连接上一层主要通过蜂窝网络。 


(2)边缘层

边缘层位于网络的边缘,由大量的边缘节点组成,通常包括路由器、网关、交换机、接入点、基站、特定边缘服务器等。这些边缘节点广泛分布在终端设备和云层之间,例如咖啡馆、购物中心、公交总站、街道、公园等。它们能够对终端设备上传的数据进行计算和存储。由于这些边缘节点距离用户距离较近,则可以为运行对延迟比较敏感的应用,从而满足用户的实时性要求。边缘节点也可以对收集的数据进行预处理,再把预处理的数据上传至云端,从而减少核心网络的传输流量。边缘层连接上层主要通过因特网。


(3)云层

云层由多个高性能服务器和存储设备组成,它具有强大的计算和存储功能,可以执行复杂的计算任务。云模块通过控制策略可以有效地管理和调度边缘节点和云计算中心,为用户提供更好的服务。


1.2 边缘计算的范例

与边缘计算类似的范例,如雾计算、移动边缘计算等,虽然与边缘计算不尽相同,但它们在动机、节点设备、节点位置等上与边缘计算范例类似。协同边缘计算[3]是一种新的计算范例,它使用边缘设备和路由器的网状网络来实现网络内的分布式决策。决策是在网络内部通过在边缘设备之间共享数据和计算而不是将所有数据发送到集中式服务器来完成的。这与通常执行集中计算的现有计算范例不同,并且诸如网关的边缘设备仅用于收集数据并将数据发送到服务器以进行处理。


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1.3 边缘计算的优势

边缘计算模型将原有云计算中心的部分或全部计算任务迁移到数据源附近,相比于传统的云计算模型,边缘计算模型具有实时数据处理和分析、安全性高、隐私保护、可扩展性强、位置感知以及低流量的优势。


(1)实时数据处理和分析。将原有云计算中心的计算任务部分或全部迁移到网络边缘,在边缘设备处理数据,而不是在外部数据中心或云端进行;因此提高了数据传输性能,保证了处理的实时性,同时也降低了云计算中心的计算负载。 


(2)安全性高。传统的云计算模型是集中式的,这使得它容易受到分布式拒绝服务供给和断电的影响。边缘计算模型在边缘设备和云计算中心之间分配处理、存储和应用,使得其安全性提高。边缘计算模型同时也降低了发生单点故障的可能性。


(3)保护隐私数据,提升数据安全性。边缘计算模型是在本地设备上处理更多数据而不是将其上传至云计算中心,因此边缘计算还可以减少实际存在风险的数据量。即使设备受到攻击,它也只会包含本地收集的数据,而不是受损的云计算中心。


(4)可扩展性。边缘计算提供了更便宜的可扩展性路径,允许公司通过物联网设备和边缘数据中心的组合来扩展其计算能力。使用具有处理能力的物联网设备还可以降低扩展成本,因此添加的新设备都不会对网络产生大量带宽需求。 


(5)位置感知。边缘分布式设备利用低级信令进行信息共享。边缘计算模型从本地接入网络内的边缘设备接收信息以发现设备的位置。例如导航,终端设备可以根据自己的实时位置把相关位置信息和数据交给边缘节点来进行处理,边缘节点基于现有的数据进行判断和决策。


(6)低流量。本地设备收集的数据可以进行本地计算分析,或者在本地设备上进行数据的预处理,不必把本地设备收集的所有数据上传至云计算中心,从而可以减少进入核心网的流量。


2 边缘计算的典型应用

边缘计算在很多应用场景下都取得了很好的效果。本节中,我们将介绍基于边缘计算框架设计的几个新兴应用场景,部分场景在欧洲电信标准化协会(ETSI)白皮书中进行了讨论,如视频分析和移动大数据。还有一些综述论文介绍了车辆互联、医疗保健、智能建筑控制、海洋监测以及无线传感器和执行器网络与边缘计算结合的场景。


(1)医疗保健。

(2)视频分析。

(3)车辆互联。


边缘计算可以为这一需要提供相应的架构、服务、支持能力,缩短端到端延迟,使数据更快地被处理,避免信号处理不及时而造成车祸等事故。一辆车可以与其他接近的车辆通信,并告知他们任何预期的风险或交通拥堵。


3 边缘计算现状和关键技术

目前,边缘计算的发展仍然处于初期阶段。随着越来越多的设备联网,边缘计算得到了来自工业界和学术界的广泛重视和一致认可。本节中,我们主要从工业界和学术界的角度介绍边缘计算的现状。


3.1 工业界

在工业界中,亚马逊、谷歌和微软等云巨头正在成为边缘计算领域的 领 先 者 。亚 马 逊 的 AWS Greengrass 服务进军边缘计算领域 ,走在 了 行 业 的 前 面 。AWS Greengrass 将 AWS 扩展到设备上,这样本地生成的数据就可以在本地设备上处理。微软在这一领域也有大动作,该公司计划未来 4 年在物联网领域投入50亿美元,其中包括边缘计算项目。谷歌宣布了2款新产品,意在帮助改善边缘联网设备的开发。


分别是硬件芯片Edge张量处理单元(TPU)和软件堆栈 Cloud 物联网(IoT)Edge。涉足边缘计算领域的并不只是这3大云巨头。2015年,思科、ARM、英特尔、微软、普林斯顿大学联合成立了开放雾计算(OpenFog)联盟;2016年11月30日,在北京正式成立了产学研结合的边缘计算产业合作平台,推动运行技术(OT)和信息与通信技术(ICT)产业开放协作,引领边缘计算产业蓬勃发展,深化行业数字化转型。


3.2 学术界

学术界也展开了关于边缘计算的研究,边缘计算顶级年会电气和电子工程师协会/国际计算机协会边缘计算研讨会、IEEE 国际分布式计算系统会议、国际计算机通信会议等重大国际会议都开始增加边缘计算的分会和专题研讨会。涉及主要关键技术及研究热点如下: 


(1)计算卸载。计算卸载是指终端设备将部分或全部计算任务卸载到资源丰富的边缘服务器,以解决终端设备在资源存储、计算性能以及能效等方面存在的不足。计算卸载的主要技术是卸载决策。卸载决策主要解决的是移动终端如何卸载计算任务、卸载多少以及卸载什么的问题。根据卸载决策的优化目标将计算卸载分为以降低时延为目标、以降低能量消耗为目标以及权衡能耗和时延为目标的3种类型。


(2)移动性管理。边缘计算依靠资源在地理上广泛分布的特点来支持应用的移动性,一个边缘计算节点只服务周围的用户。云计算模式对应用移动性的支持则是服务器位置固定,数据通过网络传输到服务器,所以在边缘计算中应用的移动管理是一种新模式。


4 挑战

目前边缘计算已经得到了各行各业的广泛重视,并且在很多应用场景下开花结果;但边缘计算的实际应用还存在很多问题[5]需要研究。本文中,我们对其中的几个主要问题进行分析,包括优化边缘计算性能、安全性、互操作性以及智能边缘操作管理服务。 


(1)优化边缘计算性能。在边缘计算架构中,不同层次的边缘服务器所拥有的计算能力有所不同,负载分配将成为一个重要问题。成本分析需要在运行过程中完成、分发负载之间的干扰和资源使用情况,都对边缘计算架构提出了挑战。


(2)安全性。边缘计算的分布式架构增加了攻击向量的维度,边缘计算客户端越智能,越容易受到恶意软件感染和安全漏洞攻击。在边缘计算架构中,在数据源的附近进行计算是保护隐私和数据安全的一种较合适的方法。 


(3)互操作性。边缘设备之间的互操作性是边缘计算架构能够大规模落地的关键。不同设备商之间需要通过制定相关的标准规范和通用的协作协议,实现异构边缘设备和系统之间的互操作性。


(4)智能边缘操作管理服务。网络边缘设备的服务管理在物联网环境中需要满足识别服务优先级,灵活可扩展和复杂环境下的隔离线。


5 结束语

本文主要从基本概念、应用场景、研究现状和关键技术、存在的挑战方面对边缘计算模型进行了系统性介绍。边缘计算的核心思想是为应用在网络边缘侧提供计算、存储和网络等资源,是一种新的计算架构。边缘计算架构可以满足用户对延迟敏感应用的需求和减少核心网络的负载压力。值得注意的是,单个边缘节点计算和存储资源有限且安全性低于云计算中心,如何实现边缘节点之间的安全、高性能协作和智能管理是目前亟待探索和研究的问题。



来源:边缘计算综述:应用、现状及挑战

(文章转自架构师技术联盟,鸣谢)

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