當邊緣計算遇見區塊鏈
前 言
Gartner發布的2020年十大戰略科技發展趨勢中分別提及了邊緣計算以及區塊鏈技術。邊緣計算是一種在信息來源、存儲庫及使用者附近進行信息處理、內容收集和交付的計算拓撲結構。它試圖將網絡流量與計算處理保留在本地以減少延遲、發揮邊緣能力以及賦予邊緣更大的自治性。而區塊鏈可以通過提供交易透明度與可追溯性并將其記錄在公共賬本中實現信任。這兩種看似不相關的概念能否在一定程度上結合從而產生更巨大的能量呢?讓我們一探究竟!
什么是邊緣計算
在過去的十年中，由于云計算能夠提供海量的計算，存儲和網絡資源導致了許多新的基于云的應用程序以及許多互聯網公司(例如亞馬遜)的快速增長。云中心具有強大的處理性能，能夠處理海量的數據，但云計算模型的系統性能瓶頸在于網絡帶寬的有限性以及信息處理效率問題。此外，云計算模型中傳送及處理數據導致的時延問題進一步影響了用戶體驗。因此，近年來一種名為邊緣計算的新的計算范式正在興起。邊緣計算本質上是分散計算機服務并將它們更接近數據源的過程。
由于減少傳輸的數據量及其傳播距離，會大大降低延遲，并減少對帶寬的浪費。一般來說，邊緣計算的結構可分為三個級別：終端設備(前端)，邊緣服務器(近端)和核心云(遠端)。此層次結構表示邊緣計算元素的計算能力及其特征。前端的終端設備(例如傳感器，執行器)為用戶提供了更多的交互性和更好的響應能力。但是，由于設備容量有限，必須將資源的進一步需求轉發到服務器。近端的邊緣服務器可以支持網絡中的大多數流量以及大量資源需求，例如實時數據處理，數據緩存和計算分流。因此，邊緣服務器在延遲方面有少量增加的情況下為最終用戶提供了更好的性能，而在遠端的云服務器在傳輸延遲的情況下提供了更強大的計算能力(例如大數據處理)和更多的數據存儲。邊緣計算的基本結構如圖1所示，此體系結構的目標是執行邊緣網絡中應用程序的計算密集型和延遲敏感部分，并且邊緣服務器中的某些應用程序與核心云通信以進行數據同步。
圖1 邊緣計算基本架構
邊緣計算的興起主要由某些對延遲敏感的應用程序的(例如虛擬現實)需要，這些應用程序對延遲有嚴格的要求。因此，通過將云資源和服務推向邊緣的計算范式可實現移動性支持，位置感知和低延遲。圖二顯示了邊緣計算的典型特征。
圖2 邊緣計算的特征
- 位置感知和低延遲：在物理和邏輯意義上，邊緣計算都支持比遠程集中式的云能夠更有效的對傳感設備進行通信和信息分發。由于傳播距離短，邊緣計算有潛力在更多實時性要求高的應用中發揮更大的潛力。例如煤氣泄漏事件，當IoT設備收集到數據時，首先要做的是關閉煤氣閥門，而不是傳到云端再去處理，這樣的場景中邊緣計算能夠發揮巨大的價值。此外，由于邊緣計算靠近終端，因此對設備的移動更敏感，邊緣節點間的協同能夠實現物聯網的位置感知功能。
- 智能和自組織管理：現代邊緣節點的性能足以滿足一組本地用戶的高速率傳輸，大數據存儲和復雜的計算程序的需求。這為應用程序的自治管理和邊緣協調開辟了道路，從而可以將本地設備的計算和存儲卸載到本地邊緣計算節點，或有選擇地委派給其他節點或云核心。
- 分布式和隱私保護：許多邊緣計算服務器可能是私有的Cloudlet，而這些較少的信息集中度將減輕因所有權和數據管理分離而導致的云計算中信息泄漏的擔憂。例如，企業部署的邊緣計算節點間會敏感地交換信息，分布式的架構具有增強隱私的潛力。
- 異構和可擴展：云計算滿足不了目前大規模爆發的物聯網數據計算需求。IoT聯網設備和產生數據的增長量遠大于云計算的增長。邊緣節點由于其分布式架構，所以節點間可以大量擴展。因此，邊緣計算是實現設備可擴展的一種可行的方法。此外，邊緣節點能夠提供標準化接口，從而消除物聯網設備的異構型，進一步提供計算效率。
區塊鏈是什么
區塊鏈這個名詞想來大家并不陌生了，國家強調要把區塊鏈作為核心技術自主創新重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。區塊鏈的概念首次由中本聰在論文《一種點對點的電子現金系統》中提出，區塊鏈是一種鏈條式的數據庫，鏈條的主體是區塊。每個區塊(Block)可以分為區塊頭和區塊體，區塊頭記錄了前一區塊的摘要，而區塊體則是交易賬本，包含大量交易內容、交易時間等。是后一區塊綁定了前一區塊的內容，多個區塊集合起來，構成鏈條結構。為了更加直觀的了解區塊鏈，其實我們可以將區塊鏈系統類比互聯網架構進行層級劃分，從下至上依次是數據，網絡，共識，帳本拓撲，激勵，智能合約和應用程序層，如圖3所示。
圖3 區塊鏈基本架構
數據層封裝了通過從不同應用程序以塊或事務的形式生成的數據。兩方之間的交易進行驗證并裝入一個區塊中，下一個區塊總是指向前一個區塊，從而產生塊的有序列表。網絡層定義了區塊鏈使用的網絡機制。該層的目標是傳播從數據層生成的數據。通常可以將網絡建模為P2P網絡，其中對等方是參與者，一旦生成交易，區塊將被分發給鄰居節點，并且僅轉發有效的交易。共識層由共識算法組成，從而在分散環境中的不信任節點之間達成共識。
在現有系統中，存在三種主要的共識機制：工作量證明(PoW)權益證明(PoS)和實用拜占庭容錯(PBFT)。賬本拓撲層主要是存儲共識層產生的認證數據。除了圖3所示的傳統區塊鏈(主鏈)結構外，一些新的鏈拓撲能夠大大增強區塊鏈的可擴展性。例如，閃電網絡可以提供小額支付渠道來發送交易，其價值轉移發生在區塊鏈之外。激勵層集成了經濟激勵措施，以激勵節點做出自己的努力來驗證數據。這對于保持分散的區塊鏈系統在沒有中央授權的情況下整體運作至關重要。
在比特幣和以太坊中，比特幣和以太幣將作為獎勵，向在鏈中添加區塊的節點進行獎勵。除了獎勵外，存款和罰款都被引入到區塊鏈中以保護外包計算。智能合約層將可編程特性帶入區塊鏈。比特幣腳本提供了多種花費硬幣的方式。基本上，事務的每個輸入都連接到先前的輸出，并且在輸入的輸入給出給定簽名的情況下，當輸出的腳本評估為true時，該連接才有效。在以太坊中，作為功能強大的腳本的智能合約是一組狀態響應規則，用于在用戶之間自動轉移數字資產，而不僅僅是貨幣。區塊鏈的最高層是應用程序，包括加密貨幣，物聯網(IoT)，智能城市等，這些應用程序可能會革新金融，管理和制造等許多領域。然而，區塊鏈仍處于起步階段，學術界和行業都在嘗試深化該技術以支持這些高級應用程序。區塊鏈被認為是“下一代顛覆式創新技術”，作為分布式記賬系統的核心技術，區塊鏈被認為在金融、物聯網、商業貿易、征信、資產管理等眾多領域都擁有廣泛的應用前景。
區塊鏈技術尚處于快速發展的早期階段，涉及分布式系統、密碼學、博弈論、網絡協議等諸多學科知識。其核心優勢就是通過去中心化，運用數據加密、時間戳、分布式共識等手段，構建全新信任機制和高效協同機制，從而催生諸多全新的應用場景。
二者結合賦能新模式
2018年中科院計算技術研究所信息技術戰略研究中心發布的《邊緣計算技術研究報告》中提到的內容：“邊緣計算目前的推進有一問題，海量的、分布式計算結果不用上傳到云平臺上，但云平臺后期要追溯某個計算的數據，就沒有辦法實現。”此報告認為，區塊鏈技術有望突破邊緣計算這一技術瓶頸，并將加速物聯網去中心化的趨勢。區塊鏈為什么可以和邊緣計算結合?因為邊緣計算面臨著安全的挑戰。我們知道，隨著物聯網的發展，大量部署在傳統數據中心、云內的基礎設施(存儲、計算、網絡)將不可避免的被推出機房，重新部署在邊緣和終端設備上。這樣發展的結果就是大量邊緣設備缺少機房的物理屏障，并且部署在防火墻外，將面臨以下嚴重的安全挑戰：
- 很多邊緣設備內部是計算能力較弱的嵌入式芯片系統，很難實現自我安全保護，容易成為黑客的接入點。
- 邊緣或終端設備可自組織地加入某一物聯網系統;
- 系統缺乏對設備的控制權，進而缺乏對惡意設備的識別及防范能力。
所以這個時候，區塊鏈最顯著的數據永久保存和防篡改就排上了用場。幸運的是，作為大規模分布式去中心化系統，區塊鏈通過哈希鏈及共識算法，提供了數據永久保存及防篡改特性，可以有效地輔助解決物聯網邊緣計算環境中各類安全問題。此外，通過有效利用區塊鏈的去中心化特性，亦可以構建去中心化文件系統、去中心化計算系統等，為物聯網的發展提供有效支撐。邊緣計算的網絡，一般是分布式的，在這個網絡之中也存在著不同的節點，而每個節點也運行著這樣或者那樣的運算服務，接入網絡的設備不僅僅有專用設備，甚至有的邊緣計算項目也提供了更多的小型設備專用軟件，如小米、tplink等智能路由器可以刷的openwrt固件、各種品牌電視盒子使用的安卓系統、樹莓派運行的Linux系統等等，而在這些小型系統之中完全可以根據設備實際網絡、存儲大小等分配一定的計算任務，這些計算設備利用一定的資源完成任務，最后獲得一定的代幣獎勵，這也是最簡單的邊緣計算模式，再利用區塊鏈的智能合約、分布式記賬機制和token形式的通證，完全可以實現無人值守的經濟網絡，甚至一些特殊算法的挖礦設備也可以利用邊緣計算的模式進行人工智能加速。圖4展示了區塊鏈在邊緣計算中應用的簡單示意圖。
圖4 區塊鏈賦能邊緣計算
智慧家居作為一個邊緣計算的一個典型應用場景，利用區塊鏈技術能夠提升系統整體的安全性和可信性。如果要減少中心化的智慧家居的負面影響，就需要引入去中心化的區塊鏈技術。因為智慧家居的設備都具有邊緣計算能力，以區塊鏈作為各設備彼此連接與交互的基礎，可以保證所有設備在網絡中的地位都是平等的，廠商們將專注于自家設備的精進而無需分心考慮爭奪智慧家居的制高點，智慧家居的單一最高控制權也將完全回歸用戶手中。區塊鏈的加密與共識機制，能夠保障設備之間的連接與交互不以犧牲網絡整體的最大利益為代價。因此，即使個別設備被人駭進控制，整個網絡不會因此的淪陷，同時，也能夠迅速將被滲透節點隔離出網絡、不影響其他節點繼續正常工作，更不會存在任何DDoS攻擊的空間。
道阻且長
尋找邊緣計算與區塊鏈技術的關聯與結合也許是一個新的突破口。然而，邊緣計算和區塊鏈的結合在目前并不是完美的。邊緣計算和區塊鏈在各自應用于物聯網的過程中，雖成果可觀，但也長期存在著大大小小的問題。邊緣計算作為物聯網領域對云計算的補充，除數據追溯問題外，在算力通用性、付費模式以及數據安全方面的問題著實令人頭疼。區塊鏈技術與物聯網邊緣計算的結合則始終面臨著服務托管、計算性能、響應時間和海量存儲等方面的困擾。在邊緣計算的應用場景下，解決數據安全、計算資源分配不均等問題須盡快提上日程。針對邊緣計算服務器實際計算力的局限性和物聯網的私有性特質，相關研究表示，“白名單制”是現下較為現實可行的解決辦法，即省略“挖礦”達成共識機制的過程。但這也意味著，一旦有其他設備冒充物聯網終端白名單設備與移動邊緣計算服務器進行交互，安全隱患也將大大增加。另外，由于移動物聯設備本身PoW能力較弱，甚至不具備挖礦能力，這便要求移動邊緣計算服務器的參與。然而，當眾多物聯終端委托統一的邊緣計算服務器進行計算時，資源分配該如何實現?又該通過怎樣的共識機制實現最優應用?“邊緣計算+區塊鏈”的嘗試依然任重道遠。
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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】
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