知否 知否 邊緣計算那些事兒
隨著萬物互聯時代的到來，網絡邊緣設備產生的數據量飛速增長，帶來了更高的數據傳輸帶寬需求，同時，新型應用也對數據處理的實時性以及數據存儲也提出了更高的要求。傳統的云計算模型不能滿足現有的性能需求，因此，邊緣計算模型應運而生。本文從邊緣計算的產生背景入手，然后介紹了什么是邊緣計算以及基本邊緣計算模型架構，通過一些案例來介紹邊緣計算的相關實際應用。
為什么需要邊緣計算?
云中心具有強大的處理性能，能夠處理海量的數據，自提出以來就在不斷改變我們的生活、工作、學習的方式。但云計算模型的系統性能瓶頸在于網絡帶寬的有限性，傳送海量數據需要一定的時間，云中心處理數據也需要一定的時間，這就會加大請求響應時間，用戶體驗差。傳統云計算在以下方面存在問題：
網絡帶寬：據IDC統計，到2020年我國數據儲存量達到約39ZB，其中約30%的數據來自于物聯網設備的接入。網絡帶寬正在逐漸成為云計算的一大瓶頸。此外，未經處理的數據中可能包含大量的靜態畫面、空閑狀態等冗余數據，也極大的降低了網絡帶寬的利用率。
實時性：海量的數據為云端分析的準確性提供了保障，但傳統模式下云端也必須與物聯網設備聯機數據和控制通路來處理數據和實時交互，因此云計算平臺的計算性能也正逐漸達到瓶頸，無法滿足新興萬物互聯應用對延遲時間的要求，從而降低整個系統的可用性。
隱私保護：云計算平臺將醫療設備、網絡攝像頭等物聯網設備采集到的個人和家庭用戶的隱私數據傳輸到數據中心集中保存，傳輸、存儲和使用路徑過長，不但涉嫌將大量云端應用無關的用戶隱私數據泄露給第三方，還存在安全威脅、數據丟失等其他隱私風險。
能耗：云數據中心的能耗問題已經成為數據中心管理規劃的核心問題，將部分任務從云端遷移到設備端，可以大大降低云計算數據中心的計算負載，進而達到降低能耗的目的。
因此，在物聯網和云計算的推動下，考慮到大多數物聯網設備具有有限的計算和能量資源，我們假設了一種處理問題的新模型——邊緣計算，即在網絡的邊緣產生、處理、分析數據。在邊緣結點處理這些數據將會帶來極小的響應時間、減輕網絡負載、保證用戶數據的私密性。
圖1 邊緣計算需求
什么是邊緣計算?
邊緣計算是指在網絡邊緣節點來處理、分析數據。而網絡邊緣節點指的是在數據產生源頭和云計算中心之間具有計算資源和網絡資源的節點，比如手機就是人與云計算中心之間的邊緣節點，而網關則是智能家居和云計算中心之間的邊緣節點。
邊緣計算的構成包括兩大部分：
一是資源的邊緣化，具體包括計算、存儲、緩存、帶寬、服務等資源的邊緣化分布，把原本集中式的資源縱深延展，靠近需求側，提供高可靠、高效率、低時延的用戶體驗;
二是資源的全局化，即邊緣作為一個資源池，而不是中心提供所有的資源，邊緣計算融合集中式的計算模型(例如：云計算、超算)，通過中心和邊緣之間的協同，達到優勢互補、協調統一的目的。
邊緣計算不是為了取代云計算，而是對云計算的補充和延伸，為移動計算、物聯網提供更好的計算平臺。邊緣計算模型架構簡圖如下所示：
圖2 邊緣計算基本模型架構[1]
該架構模型包括了三個部分：
1)前端：終端設備(例如：傳感器)部署在邊緣計算結構的前端。
2)近端：在邊緣計算中，大多數數據計算和存儲將遷移到這種近端環境。近端通常由個人電腦、智能路由器、無線基站等設備構成，這些設備往往能夠提供計算或者存儲數據的能力，從而對采集到的數據進行進一步的分析處理。
3)遠端：遠端環境中的云服務器可以提供更多的計算能力和更多的數據存儲。
云計算需要把數據進行遠距離傳輸，這需要消耗大量的資源，而邊緣計算則沒有數據傳輸這樣的資源消耗，直接把計算任務攔截到本地，是一種優化的計算模型。圖3表示基于雙向計算流的邊緣計算模型，網絡邊緣設備不僅從云中心請求相關服務，同時可以執行部分計算任務，包括設備管理、數據分析、隱私保護等。從而，邊緣計算可以滿足敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的需求。
圖3 邊緣計算架構[2]
邊緣計算可以用在哪里?
1)云計算任務遷移：把云中心的計算任務卸載到邊緣節點這個過程叫做云計算任務遷移。數據的生產和消費往往都是發生在邊緣節點，因此邊緣節點也需要像云中心一樣，承擔一定的計算任務。例如針對在線購物應用，利用邊緣計算可以對購物車視圖實時更新，而不必將視圖更新操作發送至云端。
2)視頻分析：在本地對視頻進行簡單處理，智能算法選擇性存儲視頻數據，實現更小空間存儲更大價值的數據。例如公安機關在追捕逃犯的過程中，能夠分布式查詢節點內信息，最快的找到目標，進行抓捕。
3)智能交通：有關居民的出行問題一直是亟待解決的重要社會問題之一。智能交通系統利用邊緣計算技術來實時決策更優路線，并可根據路面實況來指示智能交通信號燈變化，從而減輕路面的擁堵情況。同時，一些智能停車場還能夠采集周圍環境信息，從而發布給附近用戶現有的車位信息等，并給出相應的指示。
4)協同邊緣：利用多個邊緣節點協同合作，創建一個虛擬的共享數據視圖，利用一個預定義的公共服務接口來將這些數據進行整合。同時，利用該接口編寫的應用程序能夠為用戶提供更復雜的服務。我們以流感病情為例闡述什么是協同邊緣。醫院能夠總結有關的流感病情信息以及提供病人的統計數據。藥房根據醫院提供的統計信息，備好庫存，以便最快遏制流感，同時檢索物流公司、制藥公司的相關運輸價格、制藥成本價格等，以便獲得更大利潤。保險公司可以及時報銷流感病人的有關開銷，如果患者愿意分享，還可以進一步提供個性化的保險政策。政府也能夠根據流感嚴重程度，發布流感預警信息。從而多數參與者能夠通過該協同邊緣提高服務效率并進行獲益。
圖4 協同邊緣案例
總結
邊緣計算有著廣泛的應用前景。自提出以來不過短短幾年，就獲得了爆發式的增長，本文作者相信，邊緣計算憑借其低時延、高性能、隱私保護性強的特點，一定能夠推動各行業的進一步發展， 但目前邊緣計算還處于發展階段，落地設備較少，如何努力攻克現有難題，加速邊緣計算的發展是未來的研究重點之一。
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【本文為51CTO專欄作者“中國保密協會科學技術分會”原創稿件，轉載請聯系原作者】
