近端計算，根治信息時代各種“心塞”

龐貝　毛艷玲

你是否有過這種經(jīng)歷：

為了一張春節(jié)回家的車票，眼睛一眨不眨地盯著電腦屏，然而就在出票的瞬間卡住了，等到一兩分鐘后再刷出網(wǎng)頁，已經(jīng)變成了“無票”……

為了一件心儀已久的寶貝凌晨數(shù)秒等“秒殺”，等到削尖腦袋擠進去的時候?qū)氊愐呀?jīng)“被搶光”……

你想重新編輯一下你的相冊空間，打開一幅照片卻費了5分鐘……

你在差兩分三點之前忽然想要買點基金、證券，卻無論如何跳轉(zhuǎn)不到支付頁面……

2008年，我國移動互聯(lián)網(wǎng)用戶才1.1億。2016年年底，這個數(shù)字已經(jīng)超過9億。

——無論我們愿不愿意，移動互聯(lián)網(wǎng)時代都已經(jīng)不容置疑地降臨到這個世界，以潮水般的速度席卷生活的方方面面，給我們帶來新的生活方式的同時，也帶來了新的“心塞”。

類似上文列舉的種種“心塞”，根源就是移動互聯(lián)網(wǎng)用戶爆發(fā)帶來的計算和數(shù)據(jù)處理請求在數(shù)據(jù)中心得不到及時處理所致。

在移動互聯(lián)網(wǎng)時代，計算和數(shù)據(jù)處理都是基于大型數(shù)據(jù)中心和云計算的集中式處理。然而最近幾年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)用戶的增多，出現(xiàn)了層出不窮的新型網(wǎng)絡應用，由于網(wǎng)絡帶寬發(fā)展的相對落后，這種集中式處理方式開始顯現(xiàn)一些缺陷和不足。這促使人們開始思考和研究后云計算時代的網(wǎng)絡計算模式。為了滿足這一需求，清華大學周悅芝老師帶領他的團隊，針對現(xiàn)有網(wǎng)絡計算模式集中式計算和存儲的問題，提出了利用距離終端用戶較近服務器上的計算和存儲資源，甚至是與用戶終端對等的其他終端上的資源來完成用戶所需要的計算或存儲任務，從而加快終端任務的處理和響應速度，提高用戶體驗。由于這些計算和存儲發(fā)生在距離終端用戶較近的服務器或者對等終端上，可以將這種計算模式稱為“近端計算”或“近端（云）計算”。與此相對應，傳統(tǒng)意義上的云計算可以被稱為“遠端云計算”。

周悅芝，清華大學計算機科學與技術系副研究員，近年來一直從事計算機的應用基礎研究和成果推廣工作，在分布式系統(tǒng)、網(wǎng)絡計算和云存儲方面進行了創(chuàng)新性研究和實現(xiàn)，取得了多項創(chuàng)新性成果。

隨著計算機硬件、軟件和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，計算模式也在發(fā)生變革和演變。從大的維度來看，計算模式經(jīng)歷從大型主機到Pc機，再到上世紀七八十年代網(wǎng)絡流行后的網(wǎng)絡計算的演變過程。目前是以云計算為代表的網(wǎng)絡計算時代。大型主機是一種集中式的計算模式，計算和存儲均在主機上進行，啞終端或者智能終端只執(zhí)行輸入和輸出的人機交互功能。Pc計算模式則是一種分散式的計算模式，計算和存儲分散在每臺個人計算機上進行執(zhí)行，相互獨立。隨著網(wǎng)絡計算的發(fā)展，個人計算機開始相互連接并且和執(zhí)行專門功能的服務器連接起來，形成了以個人計算為主，其他計算機和服務器為輔的網(wǎng)絡計算模式。后Pc計算時代出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡計算模式，如網(wǎng)格計算、服務計算等，但是最終云計算在現(xiàn)階段獲得了最廣泛的認可和巨大的商業(yè)成功。云計算最核心的特征就是計算和存儲集中在大型云計算或數(shù)據(jù)中心來執(zhí)行，盡管其表現(xiàn)形態(tài)和技術與大型主機似乎完全不同，但其實質(zhì)是大型主機集中式計算模式的歷史性、螺旋性回歸。

從歷史上看，集中式和分散式計算模式，各有各的優(yōu)勢和缺點。由于技術發(fā)展和應用需求的變化，集中式和分散式計算模式在不同歷史時期取得了不同程度的主導式發(fā)展，呈現(xiàn)出歷史性的螺旋式發(fā)展規(guī)律。云計算發(fā)展到今天，雖然取得了巨大的成功，但是其固有的集中式特性，在滿足高速網(wǎng)絡發(fā)展和大規(guī)模計算和存儲需求的同時，也日益暴露其根本性的缺陷和發(fā)展瓶頸。

首先是智能終端能力的發(fā)揮問題。由于摩爾定律繼續(xù)成立，手機、平板電腦等智能終端在體積越來越小的同時，其計算、存儲和通信等能力越來越強大，終端處理、存儲和通信等能力在一定程度上出現(xiàn)了相對過剩和閑置。但是另—方面，另外一些終端設備處理、存儲或通信能力由于技術和應用需求而繼續(xù)維持在相對弱小的狀態(tài)，處理、存儲或通信能力則顯現(xiàn)明顯的不足。由于云計算是一種集中式計算模式，終端只是進行輸入輸出的人機交化互功能，因此一方面，云計算使得強大的終端設備處理、存儲和通信能力不能得到充分發(fā)揮，造成計算、存儲和通信等資源的浪費。而另外一個方面，能力不足的終端設備不能在云計算模式下充分利用周圍其他終端設備過剩的計算、存儲和通信等能力在完成自身的計算、存儲和通信等任務。這在整體上造成了計算、存儲和通信資源的低利用率和低效率，也造成了.總體資源的閑置和浪費。

其次，由于泛在化網(wǎng)絡技術的發(fā)展，網(wǎng)絡帶寬和速度得到大幅度提高，寬帶無線接入隨時隨處可得。但是云計算中用戶終端和大型云計算中心之間需要跨越網(wǎng)絡，一般往往是長距離的廣域網(wǎng)絡或異構的無線網(wǎng)絡。相關研究表明，長距網(wǎng)絡在帶寬不斷增長的同時，在擁塞、延遲、抖動和失效等方面的性能提高和性能保證卻十分有限。因為延遲、擁塞等問題，由于網(wǎng)絡路由、中間網(wǎng)絡節(jié)點包處理、跨網(wǎng)絡服務提供商以及安全監(jiān)控等方面的原因，很難在近期甚至長期得到提高和改善。而無線網(wǎng)絡在網(wǎng)絡服務質(zhì)量方面也難以得到保證和有效提高，無線廣播機制會導致高峰時期的用戶擁塞，從而導致網(wǎng)絡丟包和網(wǎng)絡抖動現(xiàn)象的出現(xiàn)，這些都會降低交互式應用和服務的服務用戶體驗。由于云計算需要在數(shù)據(jù)中心進行集中處理，再加上網(wǎng)絡固有的延遲和擁塞等，在交互式應用中，云計算顯得力不從心。

最后，復雜新型網(wǎng)絡應用場景需求不斷更新和變化。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)以及普適化終端的發(fā)展，新型網(wǎng)絡應用、服務以及新型網(wǎng)絡應用場景不斷涌現(xiàn)，令人目不暇接。復雜多樣化的新型網(wǎng)絡應用和服務，其在終端類型和能力、網(wǎng)絡類型和能力，應用和服務需求等方面各不相同，這給云計算的普遍適用造成帶來了極大的挑戰(zhàn)。以物聯(lián)網(wǎng)應用場景為例進行分析，集中式的云計算難以滿足物聯(lián)網(wǎng)應用在無線接入和低延遲訪問、移動支持和位置及環(huán)境感知等方面的應用需求。在未來的5G應用場景，雖然網(wǎng)絡帶寬和延遲性能進一步提高，但是由于用戶數(shù)量和應用數(shù)量急劇增長帶來的巨大需求，使得云計算在內(nèi)容高效分發(fā)、移動大數(shù)據(jù)分析、智能交通/政務/醫(yī)療、端端協(xié)作與實時應用等方面還是難以滿足需求。因此，云計算難以滿足未來互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)或內(nèi)容分發(fā)以及實時或近實時應用的需求，嚴重阻礙了新型網(wǎng)絡應用和服務的發(fā)展，人們尋求云計算的替代模式已經(jīng)成為必然。

而近端計算就好比是《西游記》中彌勒佛的法寶“后天袋”，可根據(jù)需要任意縮放，使計算或者存儲的處理和運行快速高效，最大限度降低云計算集中式處理帶來的延遲。

近端計算的基本原理就是“讓云離地面更近”，實質(zhì)上就是將云計算從集中式的大型數(shù)據(jù)中心擴展到離用戶距離較近的網(wǎng)絡邊緣，從而克服集中式處理的網(wǎng)絡瓶頸，提高終端用戶服務請求的處理速度和用戶體驗。在技術途徑上，可以在距離用戶較近的網(wǎng)絡邊緣部署專門服務器和設備或者小型的數(shù)據(jù)中心，也可以利用周邊空閑的服務器或者其他用戶終端上空閑的資源來進行分散式的計算和存儲。很顯然，近端計算是云計算由集中走向分散式集中的一種自然擴展，是Pc分散式計算模式的一種歷史性回歸。

云計算是由終端和云計算處理中心組成的二層架構，而近端計算在中間增加了一層或多層計算，將原來的二層架構擴展到了三層或多層。一些計算和數(shù)據(jù)處理就近進行處理，然后再發(fā)送到遠端的云計算中心進行進一步處理。近端計算可以集中附近服務器或者終端節(jié)點的計算和存儲能力，因此可以認為是一種小型的集中式處理。從執(zhí)行時序上看，云計算中所有計算和處理均在數(shù)據(jù)中心上進行，終端必須等待云計算中心返回的處理結果才能進行下一步的處理。而在近端計算中，由于兩級或者多級中心的存在，計算和存儲可以在多個中心上進行并行處理。此外，計算、存儲或聯(lián)網(wǎng)等任務除了可以在服務器或微型數(shù)據(jù)中心上執(zhí)行外，還可以在終端本身或者周圍鄰近終端上進行；終端與終端之間還可以組成對等和分散的協(xié)作網(wǎng)絡，合作完成某項計算、存儲或聯(lián)網(wǎng)等不同任務。近端計算并非簡單的將云計算擴展到網(wǎng)絡邊緣，而是在體系結構、計算和存儲執(zhí)行模式、服務控制、可用性等諸多方面與云計算存在根本性的區(qū)別，是云計算集中式處理技術的全面提升和進化。

人口規(guī)模的巨大優(yōu)勢和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使我國具備無可匹敵的移動互聯(lián)網(wǎng)應用規(guī)模，由此帶來的技術挑戰(zhàn)也是艱巨而緊迫的。

面向市場需求解決實際問題，才能讓用戶滿意、讓企業(yè)滿意、讓國家產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展，讓各種“心塞”得到根治，這是周悅芝和其團隊一直奉行的理念。

推動產(chǎn)業(yè)繼續(xù)前行，周悅芝團隊仍在研究不輟。期待他們在“近端計算”領域，能夠帶來新的突破。endprint