物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論 課件 第5章　邊緣計(jì)算

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章邊緣計(jì)算5.1邊緣計(jì)算概述5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)5.3霧計(jì)算5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)第5章本章內(nèi)容邊緣計(jì)算背景在物聯(lián)網(wǎng)與智能化發(fā)展過(guò)程中，計(jì)算能力始終是發(fā)展的核心問(wèn)題之一，它的作用類似于人類社會(huì)中的能源。由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中存在的大量節(jié)點(diǎn)在分布位置、節(jié)點(diǎn)功能、性能、數(shù)據(jù)傳輸帶寬、計(jì)算能力、響應(yīng)時(shí)延等方面顯著不同，有些任務(wù)在云計(jì)算中心（或數(shù)據(jù)中心）中執(zhí)行可能無(wú)法滿足要求，尤其是物聯(lián)網(wǎng)中的智能化計(jì)算。5.1邊緣計(jì)算概述

物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算資源需求離不開(kāi)各類應(yīng)用場(chǎng)景，因此當(dāng)人們使用云計(jì)算技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)資源進(jìn)行集中式數(shù)據(jù)處理，雖然資源的高度集中使得計(jì)算變得更加通用，但面對(duì)終端設(shè)備數(shù)量暴增而帶來(lái)的諸多問(wèn)題，如計(jì)算服務(wù)的實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、資源消耗、數(shù)據(jù)安全保護(hù)等，云計(jì)算在計(jì)算能力上卻始終存在先天不足。5.1邊緣計(jì)算概述

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，傳感器數(shù)據(jù)的類型、精度、數(shù)據(jù)量具有顯著差異，數(shù)據(jù)的異構(gòu)性突出；尤其是在帶寬有限的環(huán)境下，終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸將會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)恼w效率，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜性又可以使傳輸時(shí)延變得更高，可能嚴(yán)重影響云計(jì)算的性能和效率。在通信環(huán)境惡劣的物聯(lián)網(wǎng)特殊應(yīng)用場(chǎng)景（如地下室、礦井、海島等）下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿与y以保障。5.1邊緣計(jì)算概述此外，盡管云計(jì)算的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力比較強(qiáng)大，但資源開(kāi)銷也非常巨大，能耗問(wèn)題極其突出。而優(yōu)化恰好可以完全解決不必要的計(jì)算或能耗問(wèn)題。除上述問(wèn)題外，物聯(lián)網(wǎng)中的感知安全、隱私保護(hù)等問(wèn)題也對(duì)云計(jì)算提出了挑戰(zhàn)。為了解決上述系列問(wèn)題，人們提出邊緣計(jì)算的概念。5.1邊緣計(jì)算概述

2016年11月，由華為、中國(guó)科學(xué)院、Intel等聯(lián)合成立了邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（EdgeComputingConsortium，ECC），該聯(lián)盟旨在集聚技術(shù)前沿力量，共同搭建邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)協(xié)作平臺(tái)，促進(jìn)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展。5.1邊緣計(jì)算概述邊緣計(jì)算定義由于5G、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用及場(chǎng)景發(fā)展迅猛，大量的智能終端被連接到網(wǎng)絡(luò)中，并且大部分任務(wù)產(chǎn)生在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，大量數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中心傳輸過(guò)程中時(shí)延過(guò)高。而大量計(jì)算任務(wù)放在數(shù)據(jù)中心完成也會(huì)增大計(jì)算量。因此，人們考慮將工作負(fù)載部署在物聯(lián)網(wǎng)邊緣上，形成一種特殊的計(jì)算模式，即邊緣計(jì)算。5.1邊緣計(jì)算概述

作為近幾年的專業(yè)熱詞，邊緣計(jì)算（EdgeComputing，EC）最早于2003年被提出，在2015年得到迅速發(fā)展并受到學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。此后，隨著人們認(rèn)識(shí)的不斷深入，邊緣計(jì)算的定義、規(guī)范也逐步形成，相關(guān)技術(shù)也被應(yīng)用到智慧城市、智能家居等場(chǎng)景中。邊緣計(jì)算中的“邊緣”，在多數(shù)情況下是指從數(shù)據(jù)源（如傳感器或智能終端）到云計(jì)算中心之間的任意資源。5.1邊緣計(jì)算概述

所謂邊緣計(jì)算，是指靠近用戶并在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種計(jì)算模型或服務(wù)，也是一種能夠在網(wǎng)絡(luò)邊緣、云計(jì)算下行傳輸數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)上行傳輸數(shù)據(jù)中進(jìn)行計(jì)算的技術(shù)。通俗理解，邊緣計(jì)算是更靠近用戶和智能終端，使用戶近距離體驗(yàn)到高效率的計(jì)算。5.1邊緣計(jì)算概述

邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）聯(lián)合發(fā)布的《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0（2018年）》中對(duì)邊緣計(jì)算做出如下定義：“邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的分布式開(kāi)放平臺(tái)（架構(gòu)），就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵要求。”5.1邊緣計(jì)算概述邊緣計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀目前，邊緣計(jì)算的研究日益廣泛，涉及領(lǐng)域較多，但比較集中地反映在移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)、霧計(jì)算、邊緣云、體系結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。5.1邊緣計(jì)算概述通用邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)

目前研究以通用邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)為典型，多圍繞基礎(chǔ)設(shè)備層、統(tǒng)一接口層、應(yīng)用服務(wù)層、動(dòng)態(tài)智能層、安全保障、運(yùn)維管控等方面進(jìn)行。基礎(chǔ)設(shè)備層主要為分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，且靠近用戶的海量異構(gòu)智能終端設(shè)備，它們是計(jì)算、存儲(chǔ)、帶寬、緩存等資源調(diào)配的資源池，能夠?yàn)檫吘売脩籼峁┓?wù)的邊緣基礎(chǔ)設(shè)施。

5.1邊緣計(jì)算概述

統(tǒng)一接口層能整合海量智能設(shè)備形成有效統(tǒng)一的接口，實(shí)現(xiàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的通信方式，解決設(shè)備異構(gòu)問(wèn)題，有利于資源調(diào)度和提高資源利用效率。應(yīng)用服務(wù)層靠近應(yīng)用服務(wù)商，能夠?yàn)橛脩籼峁?yīng)用和系統(tǒng)程序，協(xié)同調(diào)配資源來(lái)滿足用戶需求。動(dòng)態(tài)智能層涵蓋基礎(chǔ)設(shè)備層、統(tǒng)一接口層、應(yīng)用服務(wù)層，可以實(shí)現(xiàn)高效、智能、自動(dòng)的計(jì)算管理。5.1邊緣計(jì)算概述移動(dòng)邊緣計(jì)算

智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備的數(shù)量逐年劇增，移動(dòng)計(jì)算地位不斷上升，有學(xué)者提出移動(dòng)邊緣計(jì)算（MobileEdgeComputing，MEC）概念并對(duì)其開(kāi)展研究。5.1邊緣計(jì)算概述

截至目前，MEC得到快速發(fā)展，并將成為下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分。業(yè)界一致認(rèn)為MEC能夠降低物聯(lián)網(wǎng)中的時(shí)延和提高其可靠性，可被應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織（ETSI）對(duì)MEC定義了計(jì)算框架，如圖5-1所示。5.1邊緣計(jì)算概述圖5-1ETSI定義的MEC計(jì)算框架5.1邊緣計(jì)算概述

在ETSI定義的MEC計(jì)算框架中，自下而上分為網(wǎng)絡(luò)層、移動(dòng)邊緣主機(jī)層和邊緣計(jì)算系統(tǒng)層，其中移動(dòng)邊緣主機(jī)層又被分為移動(dòng)邊緣主機(jī)及移動(dòng)邊緣主機(jī)級(jí)管理。移動(dòng)邊緣主機(jī)由虛擬基礎(chǔ)設(shè)施（如網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施解決方案，即NFVI，實(shí)現(xiàn)虛擬資源統(tǒng)一分配、管理、配置和故障信息處理）、移動(dòng)邊緣平臺(tái)（實(shí)現(xiàn)平臺(tái)管理、規(guī)則設(shè)定等）及移動(dòng)邊緣應(yīng)用（各應(yīng)用的部署、實(shí)例化和標(biāo)準(zhǔn)化等）構(gòu)成。5.1邊緣計(jì)算概述

相比較，網(wǎng)絡(luò)層與邊緣計(jì)算系統(tǒng)層的結(jié)構(gòu)劃分更為簡(jiǎn)單。整個(gè)MEC計(jì)算框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，脈絡(luò)清晰，易于理解。5.1邊緣計(jì)算概述多種解決方案促進(jìn)邊緣計(jì)算發(fā)展

由邊緣計(jì)算延伸出的諸多問(wèn)題都激發(fā)業(yè)界的研究興趣。例如，中國(guó)聯(lián)通提出云與虛擬化、大容量服務(wù)器、啟用應(yīng)用程序和服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)，旨在促進(jìn)邊緣計(jì)算成為下一代移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。此外，針對(duì)邊緣計(jì)算不同的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置不同的資源配置，使邊緣計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力具有良好表現(xiàn)，也是業(yè)界關(guān)注的話題之一。5.1邊緣計(jì)算概述

例如，以控制為目的的節(jié)點(diǎn)可以配置計(jì)算能力較弱的微控制單元（MCU），計(jì)算需求較大的應(yīng)用則分配矢量或多核處理的計(jì)算資源，甚至可以分配智能芯片資源以滿足龐大的計(jì)算需求。5.1邊緣計(jì)算概述

2016年11月，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式發(fā)布了《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)2.0》，該框架重點(diǎn)闡述邊緣計(jì)算的概念、特點(diǎn)等，從概念、功能、部署三類視圖對(duì)邊緣計(jì)算進(jìn)行框架介紹，并提出智能分布式開(kāi)放架構(gòu)。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0根據(jù)物理世界與數(shù)字世界的協(xié)作、跨產(chǎn)業(yè)生態(tài)協(xié)作、跨平臺(tái)移植性及有效支撐系統(tǒng)全生命周期活動(dòng)四大理念，邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合發(fā)布《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0（2018年）》，邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0如圖5-2所示。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)圖5-2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.05.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)

該架構(gòu)自下而上分為3層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、邊緣層和云層?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層將設(shè)備通過(guò)接口與邊緣層連接，云層向邊緣層提供云服務(wù)，而邊緣計(jì)算將負(fù)責(zé)整合所有邊緣資源。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層也叫作現(xiàn)場(chǎng)層，它可以利用網(wǎng)絡(luò)連接各類傳感器、執(zhí)行器、設(shè)備、控制系統(tǒng)和資產(chǎn)等現(xiàn)場(chǎng)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)總線和邊緣層中的邊緣網(wǎng)關(guān)等實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層和邊緣層之間的數(shù)據(jù)流與控制流雙向傳輸?shù)哪康摹?.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)邊緣層

邊緣層是邊緣計(jì)算的核心層，負(fù)責(zé)接收、轉(zhuǎn)發(fā)和處理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，并提供智能感知、信息安全、數(shù)據(jù)計(jì)算與分析、優(yōu)化與控制等業(yè)務(wù)。邊緣層包括邊緣節(jié)點(diǎn)和邊緣管理器兩個(gè)子層。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)

邊緣節(jié)點(diǎn)是計(jì)算業(yè)務(wù)的核心，根據(jù)業(yè)務(wù)及硬件的不同，邊緣節(jié)點(diǎn)包括邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣控制器、邊緣云、邊緣傳感器等。邊緣管理器主要對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一管理。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)邊緣節(jié)點(diǎn)一般具備計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲(chǔ)資源，而邊緣計(jì)算系統(tǒng)則通過(guò)對(duì)資源進(jìn)行封裝，對(duì)外提供API接口對(duì)邊緣管理器進(jìn)行調(diào)用。此外，通過(guò)建立控制領(lǐng)域功能模塊、分析領(lǐng)域功能模塊和優(yōu)化領(lǐng)域功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)和部署，能夠大大提高工作效率。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)云層云層也叫作云計(jì)算層，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)智能決策、智能處理、智能服務(wù)、智能管理和個(gè)性化定制等功能。云層接收從邊緣層傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)智能化處理與決策后向邊緣層發(fā)送控制信息，控制信息再經(jīng)過(guò)邊緣層向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層傳輸，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、邊緣層和云層之間的部署視圖可以充分體現(xiàn)三者之間的協(xié)作關(guān)系，如圖5-3所示5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)圖5-3邊緣計(jì)算參考架構(gòu)3.0中的邊緣計(jì)算部署視圖5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)由圖5-3可以看出，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層與邊緣層涉及內(nèi)容較多，既涉及工業(yè)以太網(wǎng)（一種結(jié)合以太網(wǎng)和TCP/IP技術(shù)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)）、現(xiàn)場(chǎng)總線，又涉及數(shù)據(jù)流和控制流。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包括各類傳感器、機(jī)器人、機(jī)床、AGV等。而邊緣層不僅包括各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣傳感器等，還涉及多種智能計(jì)算，無(wú)形中增加了復(fù)雜度。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)云層作為計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與邊緣層交互，傳輸數(shù)據(jù)流。注意，雖然由云層發(fā)出控制信息，但這些信息在沒(méi)有傳輸?shù)竭吘墝訒r(shí)仍然可被理解為數(shù)據(jù)。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)邊緣計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)在邊緣計(jì)算環(huán)境中，邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，然后將處理過(guò)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茖印Ｓ捎谔幚磉^(guò)的數(shù)據(jù)較原始數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)量更小，所以傳輸時(shí)自然降低網(wǎng)絡(luò)延遲和帶寬需求。邊緣計(jì)算量的大小取決于不同系統(tǒng)需求。理論上終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量越多，計(jì)算量越大，功耗也越大。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)此外，系統(tǒng)不同，優(yōu)化值也不同。尤其是當(dāng)邊緣節(jié)點(diǎn)自身安全無(wú)法得到保障時(shí)，該節(jié)點(diǎn)上計(jì)算的數(shù)據(jù)安全問(wèn)題更加突出。因此，邊緣計(jì)算主要涉及以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算涉及面廣泛，涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域，最終目的是尋求如何優(yōu)化和配置終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、軟件、存儲(chǔ)、計(jì)算等資源。這個(gè)過(guò)程不僅涉及算法改進(jìn)、算力優(yōu)化和數(shù)據(jù)調(diào)配，還涉及不同應(yīng)用場(chǎng)景和模式對(duì)邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的嚴(yán)重影響。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)終端設(shè)備配置及計(jì)算能力在不同應(yīng)用場(chǎng)景中，終端設(shè)備在功能、性能、功耗、計(jì)算能力、數(shù)據(jù)格式、精度、控制、網(wǎng)絡(luò)延遲等方面始終無(wú)法統(tǒng)一有的終端節(jié)點(diǎn)之間的差異很大。如智慧園區(qū)高清視頻監(jiān)控與溫濕度監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)中數(shù)據(jù)采集與智能軌道交通數(shù)據(jù)等，它們對(duì)數(shù)據(jù)要求、采集頻率、計(jì)算能力要求完全不同，因此需要對(duì)不同邊緣計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景配備不同配置、計(jì)算能力的終端處理器。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)邊緣計(jì)算算法邊緣計(jì)算涉及設(shè)備算力不同、配置不同、場(chǎng)景中的應(yīng)用需求不同，因此，即使是同樣的功能，涉及的算法也不同。例如，在對(duì)視頻數(shù)據(jù)的加密過(guò)程中，如果算力滿足不了需求，則應(yīng)該選擇簡(jiǎn)單的加密算法。再比如，有些邊緣計(jì)算要求高實(shí)時(shí)響應(yīng)，則研究者要在節(jié)點(diǎn)計(jì)算、算法及延遲方面進(jìn)行綜合考慮。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)邊緣計(jì)算的任務(wù)調(diào)度機(jī)制理論上講，當(dāng)邊緣計(jì)算環(huán)境復(fù)雜性越高時(shí)，建立高效的任務(wù)調(diào)試機(jī)制的難度就越高，這甚至成為一個(gè)需要重點(diǎn)突破的問(wèn)題。在邊緣計(jì)算系統(tǒng)中，由于計(jì)算設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等資源在種類、性質(zhì)、效能上存在顯著不同，邊緣計(jì)算執(zhí)行任務(wù)時(shí)需調(diào)用不同的加速計(jì)算資源；5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)而為減輕執(zhí)行時(shí)的負(fù)擔(dān)，甚至需要計(jì)算功能分布在多個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)上。研究人員試圖通過(guò)多種技術(shù)（如機(jī)器學(xué)習(xí)、博弈論、線性規(guī)劃、圖論等方法）來(lái)優(yōu)化任務(wù)多樣性和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，解決邊緣節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性，降低邊緣計(jì)算對(duì)任務(wù)調(diào)度的難度。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)邊緣計(jì)算安全邊緣計(jì)算涉及各類設(shè)備，同時(shí)聯(lián)接物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)，必然存在各類安全問(wèn)題。而邊緣節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力往往較弱，無(wú)法執(zhí)行傳統(tǒng)上多功能、多層次、多機(jī)制的安全保障措施。尤其是當(dāng)邊緣計(jì)算直接應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，潛在的安全問(wèn)題更為突出，因此邊緣計(jì)算安全成為研究人員關(guān)注的重要問(wèn)題。此外，邊緣計(jì)算與云計(jì)算之間的協(xié)同調(diào)度、有無(wú)中心化、負(fù)載均衡等問(wèn)題也需要研究和解決。5.2邊緣計(jì)算參考架構(gòu)盡管云計(jì)算具有低成本、高可靠性、易用性和高可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，其中心化服務(wù)模式及接入帶寬對(duì)其的限制卻使得云計(jì)算具有高延時(shí)、低帶寬、網(wǎng)絡(luò)擁堵和故障規(guī)模影響大等弊端。為解決該問(wèn)題，思科BonomiF等人曾于2011年提出一種網(wǎng)絡(luò)計(jì)算范式，并定義為霧計(jì)算（FogComputing，F(xiàn)C）。該技術(shù)以半虛擬化架構(gòu)的分布式計(jì)算為范式，融合了計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、應(yīng)用等資源與服務(wù)。5.3霧計(jì)算霧計(jì)算概念實(shí)際是基于云計(jì)算提出的，思科之所以將它描述為“霧”，是因?yàn)殪F氣可在空中飄浮，千變?nèi)f化，卻又離人們很近。與云計(jì)算相比，霧計(jì)算可以將地理位置更為分散、計(jì)算功能更弱的邊緣計(jì)算設(shè)備組合起來(lái)共同發(fā)揮計(jì)算功能。5.3霧計(jì)算在霧計(jì)算環(huán)境中，數(shù)據(jù)可以在本地智能終端上處理，計(jì)算后的數(shù)據(jù)再向云端發(fā)送，這在無(wú)形中減少了數(shù)據(jù)傳輸量，降低了網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力，因此霧計(jì)算適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。在霧計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域中存在多種技術(shù)。例如，將霧計(jì)算分成用戶層、霧層和云層。5.3霧計(jì)算再如，根據(jù)霧計(jì)算結(jié)構(gòu)特征可以將霧計(jì)算分為物理資源層、監(jiān)控層、預(yù)處理層、臨時(shí)存儲(chǔ)層、安全層和傳輸層6層結(jié)構(gòu)。此外，還有人將霧計(jì)算分成物理環(huán)境層、終端用戶層、接入網(wǎng)絡(luò)層、霧層、核心網(wǎng)絡(luò)層和云層，如圖5-4所示。5.3霧計(jì)算圖5-4霧計(jì)算的系統(tǒng)架構(gòu)5.3霧計(jì)算

（1）物理環(huán)境層為底層，主要功能是支持霧計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施及物理設(shè)備。

（2）終端用戶層主要為終端用戶的智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、智能手環(huán)、智能傳感器等設(shè)備，它們能夠感知物理世界，產(chǎn)生、接收和利用數(shù)據(jù)。5.3霧計(jì)算

（3）接入網(wǎng)絡(luò)層以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為主，如無(wú)線路由器、無(wú)線熱點(diǎn)。同時(shí)，一些有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也屬于接入網(wǎng)絡(luò)層。這些設(shè)備能夠按照事前規(guī)則，轉(zhuǎn)發(fā)終端用戶數(shù)據(jù)或任務(wù)到對(duì)應(yīng)的霧節(jié)點(diǎn)上。

（4）霧層主要由霧邊緣節(jié)點(diǎn)、微霧、霧服務(wù)器組成，能夠提供計(jì)算服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通信。5.3霧計(jì)算

（5）核心網(wǎng)絡(luò)層以核心級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為主，將霧層計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力無(wú)法滿足的任務(wù)轉(zhuǎn)交給云層的數(shù)據(jù)中心來(lái)完成，適用于執(zhí)行計(jì)算量較大的任務(wù)。

（6）云層以云數(shù)據(jù)中心服務(wù)器為主，主要完成海量數(shù)據(jù)的備份、存儲(chǔ)，以及大計(jì)算量任務(wù)的處理。復(fù)雜度較高的計(jì)算往往在云數(shù)據(jù)中心完成。5.3霧計(jì)算KubeEdge

KubeEdge是一個(gè)提供容器化的開(kāi)源邊緣計(jì)算平臺(tái)，包含云端和邊緣端，能夠?qū)⒈緳C(jī)容器化的應(yīng)用程序編排和管理擴(kuò)展到邊緣端設(shè)備上。KubeEdge是基于K8s原生邊緣計(jì)算框架構(gòu)建的，能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用程序提供核心基礎(chǔ)架構(gòu)支持，并在云端與邊緣端之間進(jìn)行部署和同步元數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同、計(jì)算下沉、海量邊緣設(shè)備管理、邊緣自治等能力，具有固有的可擴(kuò)展性。KubeEdge框架如圖5-5所示。5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)圖5-5KubeEdge框架5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)KubeEdge不僅使用了Apache2.0許可協(xié)議，可以免費(fèi)用于個(gè)人或商業(yè)用途，還具有模塊化、輕量化（66MB足跡和30MB運(yùn)行內(nèi)存）等優(yōu)點(diǎn)，可以部署在資源不多的設(shè)備上。甚至，KubeEdge允許各邊緣節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)及配置存在不同，在連接方面支持標(biāo)準(zhǔn)MQTT等多種協(xié)議，有利于有效連接新的邊緣節(jié)點(diǎn)和邊緣設(shè)備來(lái)擴(kuò)展形成邊緣集群，解決當(dāng)前智能邊緣領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)程序員可以通過(guò)編寫常規(guī)的基于HTTP或MQTT的應(yīng)用程序，將程序放在云端和邊緣端上運(yùn)行，這既能簡(jiǎn)化程序開(kāi)發(fā)過(guò)程，也能減輕開(kāi)發(fā)人員的負(fù)擔(dān)。KubeEdgev1.4.0版本在邊緣監(jiān)控與設(shè)備管理方面進(jìn)行了重大改進(jìn)，如設(shè)備管理的增強(qiáng)，支持Metrics-Server從云端收集邊緣監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及邊緣節(jié)點(diǎn)證書輪轉(zhuǎn)等。KubeEdgev1.4.0下載頁(yè)面如圖5-6所示。5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)圖5-6KubeEdgev1.4.0下載頁(yè)面5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)騰訊云物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算平臺(tái)騰訊云物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算平臺(tái)（IoTEdgeComputingPlatform，IECP）功能比較強(qiáng)大，能夠快速地將騰訊云中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、AI、安全等云端計(jì)算能力擴(kuò)展到距離物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)源頭最近的邊緣節(jié)點(diǎn)上，使用戶能夠遠(yuǎn)程管控物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)、分析設(shè)備上的數(shù)據(jù)，甚至利用云端視頻匯聚、流式計(jì)算實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的本地化視頻處理、AI推理、流式分析。5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)IECP對(duì)用戶提供了低時(shí)延、安全、靈活、便捷的邊緣計(jì)算服務(wù)，可在運(yùn)維、開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)帶寬等方面為用戶節(jié)約成本，同時(shí)與騰訊云物聯(lián)網(wǎng)一起為用戶提供統(tǒng)一、可靠、彈性、聯(lián)動(dòng)、協(xié)同的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，IECP架構(gòu)如圖5-7所示。5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)圖5-7IECP架構(gòu)5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)部署IECP具有如下優(yōu)勢(shì)。實(shí)時(shí)響應(yīng)IECP能夠?qū)⑽锫?lián)網(wǎng)設(shè)備連接到本地邊緣節(jié)點(diǎn)上，然后利用本地邊緣計(jì)算服務(wù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)分析功能，從而滿足邊緣智能硬件對(duì)低時(shí)延的響應(yīng)處理需求。5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)離線處理通過(guò)部署IECP，可以將騰訊云的大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別等智能數(shù)據(jù)分析能力無(wú)縫集成到本地邊緣節(jié)點(diǎn)上。這樣，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)受限（如權(quán)限控制）或間隙斷網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)依然能夠?qū)崿F(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)分析的自治運(yùn)行，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再自動(dòng)連接云端，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的策略保存物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)和使用云端計(jì)算服務(wù)。5.4典型邊緣計(jì)算平臺(tái)簡(jiǎn)化部署通過(guò)部署IECP，可以在云端控制臺(tái)選擇和編排將要部署到本地的云計(jì)算服務(wù)。在邊緣節(jié)點(diǎn)和云物聯(lián)網(wǎng)中心網(wǎng)絡(luò)連通后，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的腳本和控制按鈕快速地完成邊緣網(wǎng)關(guān)的連接云端、數(shù)據(jù)分析及機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算等服務(wù)本地部署，