從云計算跨越到邊緣計算

王 慶 英特爾開源技術(shù)中心網(wǎng)絡(luò)與存儲高級經(jīng)理 OpenStack基金會個人獨立董事

1 云計算的歷史

早在1983年，Sun公司就曾提出了“網(wǎng)絡(luò)即是電腦”概念，這就是云計算的最初雛形。隨后的幾十年里，計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的興起，似乎都在印證著這個概念提出的正確性和前瞻性。

在這幾十年里，為云計算畫上濃重一筆的是Amazon公司。Amazon創(chuàng)始人Jeff Bezos在2002年左右下達了一份強制命令，要求Amazon公司從內(nèi)部轉(zhuǎn)變成面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)體系。在此舉推動下，Amazon公司把一切以服務(wù)第一的系統(tǒng)架構(gòu)作為企業(yè)文化。在2006年3月，Amazon公司推出彈性計算云(EC2)，按照用戶使用的資源多少和時間長短進行收費，開啟了云計算商業(yè)化的元年。

緊隨Amazon公司推出AWS之后，Google、IBM、Yahoo、Intel、HP、VMware、Microsoft和阿里巴巴等各大公司開始蜂擁進入云計算領(lǐng)域，相繼開展云計算業(yè)務(wù)。Google推出了Google Cloud Platform，IBM推出了IBM Cloud ，Microsoft推出了Azure，阿里巴巴推出了阿里云，等等。

除了商業(yè)系統(tǒng)和軟件外，在開源軟件項目里，2010年7月，美國國家航空航天局(NASA)與Rackspace等宣布OpenStack開放源碼計劃，由此OpenStack登上歷史舞臺。其實，早在OpenStack誕生之初，就有四大開源云計算平臺項目割據(jù)，分別是OpenNebula、Eucalyptus、CloudStack和OpenStack本身，但是后來除了OpenStack項目外，其余三大項目都發(fā)展得不是很好，現(xiàn)在也鮮有人提及，OpenStack卻逐漸成為云計算基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)(IaaS)的事實標準。

2 邊緣計算的誕生和發(fā)展

1995年麻省理工大學(xué)教授、互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)明者Tim Berners-Lee預(yù)見了未來互聯(lián)網(wǎng)使用者會遇到網(wǎng)絡(luò)擁擠難題，并向他的同事們發(fā)起挑戰(zhàn)，要發(fā)明一種全新的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容分發(fā)方法。之后，在Tom Leighton的帶領(lǐng)下，麻省理工大學(xué)一干研究人員，先后加入難題攻堅隊伍，發(fā)明了內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)技術(shù)架構(gòu)。1998年，他們實施了商業(yè)計劃，在麻省理工學(xué)院組建了Akamai公司。當時Akamai推出的CDN網(wǎng)絡(luò)平臺，就是邊緣計算的雛形。與現(xiàn)代邊緣計算不同的是，當時的邊緣只負責(zé)存儲和數(shù)據(jù)邊緣化。

邊緣計算的發(fā)展，無不是與云計算的發(fā)展有著千絲萬縷的聯(lián)系。云計算用戶們遲早會遇到網(wǎng)絡(luò)擁擠、延遲高、實時性差和性能瓶頸，而逐漸滿足不了業(yè)務(wù)的需求。邊緣計算可以認為是云計算的擴展和延伸。在邊緣計算發(fā)展史里，為它畫上濃重一筆的是歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)。2014年，ETSI成立移動邊緣計算標準化工作組，開始推動相關(guān)標準化工作。ETSI提出的MEC概念，當初認為它是移動邊緣計算(Mobile Edge Computing)，到了2016年，ETSI把MEC擴展為多接入邊緣計算(Multi-Access Edge Computing)，把邊緣計算能力從電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)進一步延伸到其它接入網(wǎng)絡(luò)，并逐步形成邊緣計算標準和參考架構(gòu)，如圖1所示。

MEC翻譯成中文便是“多接入”“邊緣”“計算”，即有：

1)多接入：多種網(wǎng)絡(luò)接入模式，比如LTE、無線WiFi、有線、ZigBee、LoRa、NB-IoT等各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景；

2)邊緣：網(wǎng)絡(luò)功能和應(yīng)用部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，盡可能靠近最終用戶，降低傳輸時延；

3)計算：即聯(lián)合云計算和霧計算，充分有效利用計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)等有限資源。

因此，參考圖1架構(gòu)實現(xiàn)的邊緣計算實例系統(tǒng)，就應(yīng)該具備這些屬性。

在提到邊緣計算的時候，不得不引入另一個小插曲，叫霧計算。霧計算是一種系統(tǒng)級的水平架構(gòu)，它能夠分配從云到物這一連續(xù)區(qū)域內(nèi)任何地方的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)和控制的資源和服務(wù)。霧計算首先是在2011年由美國紐約Columbia大學(xué)Stolfo教授提出的，在2012年，Cisco公司正式提出霧計算的概念，并對其定義進行了詳細闡述。霧計算認為數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用程序都集中在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備中，而不是幾乎全部在集中式的數(shù)據(jù)中心里。該模式源自于霧比云更貼近“地面”而得名，且認為是云計算的延伸。

就理論而言，霧計算更具系統(tǒng)性，更具有層次性和可擴展性，且范圍更廣一些，它既包括網(wǎng)絡(luò)邊緣，也包括物到云延伸這部分的連續(xù)性服務(wù)。一般情況下，霧計算也可以進行邊緣計算，所以也可以認為霧計算包含邊緣計算。

圖1 Mobile edge system reference architecture

2015年11月，Cisco、ARM、Dell、Intel、Microsoft和Princeton大學(xué)等機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起成立開放霧計算聯(lián)盟OpenFog，定義了霧計算架構(gòu)，將計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源分布到更靠近用戶邊緣側(cè)的地方。該聯(lián)盟旨在加速采用與物聯(lián)網(wǎng)和人工智能相關(guān)的邊緣計算，建立最佳實踐和架構(gòu)框架，以及創(chuàng)建指南文檔。

言歸正傳，在MEC被提出之后，邊緣計算和MEC在電信行業(yè)蔓延開來，并成為未來5G的關(guān)鍵技術(shù)之一。

第三代合作伙伴計劃(3GPP)在RAN3及SA2兩個工作組分別發(fā)起MEC相關(guān)的技術(shù)報告，已經(jīng)正式接受MEC作為5G架構(gòu)關(guān)鍵議題。

下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)(NGMN)也已經(jīng)同意將MEC納入到5G需求和架構(gòu)中，并指出在網(wǎng)絡(luò)邊緣需要引入一種智能節(jié)點，可部分執(zhí)行核心網(wǎng)功能或者其它功能。

IMT-2020(5G)推進組在《5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計白皮書》中指出MEC將業(yè)務(wù)平臺下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，為移動用戶就近提供業(yè)務(wù)計算和數(shù)據(jù)緩存能力，并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)從接入管道向信息化服務(wù)使能平臺的關(guān)鍵跨越，是5G的代表性能力。

在我國，中國通信標準化協(xié)會(CCSA)在無線通信技術(shù)工作委員會也啟動了一項研究項目，將MEC系統(tǒng)稱為面向業(yè)務(wù)的無線接入網(wǎng)(SoRAN)，旨在研究SoRAN方案架構(gòu)、SoRAN應(yīng)用與需求、API接口規(guī)范及對現(xiàn)有無線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的影響。

乍一看，邊緣計算都是為了電信級應(yīng)用的。低時延高速率，大部分要求是跟電信運營商和電信設(shè)備制造商相關(guān)的技術(shù)和業(yè)務(wù)，但你逐漸會發(fā)現(xiàn)它不僅局限于電信行業(yè)。

例如，2016年9月，電信行業(yè)與汽車行業(yè)的全球跨行業(yè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(5GAA)成立，聯(lián)盟的使命在于研發(fā)、實驗和推動智能車聯(lián)、智慧交通等萬物互聯(lián)所需的通信解決方案和應(yīng)用，包括相關(guān)的標準化推進、商業(yè)機會挖掘，以及全球市場的拓展。5GAA發(fā)起方包括Audi、BMW、Daimler以及Ericsson、華為、Intel、Nokia、Qualcomm五家電信通訊公司，成立后該組織成員不斷擴大。

2017年8月Ericsson、Intel、日本NTT與Toyota成立了一個名為汽車邊緣計算聯(lián)盟(AECC)的新聯(lián)盟，以開發(fā)連接汽車的網(wǎng)絡(luò)和計算生態(tài)系統(tǒng)，更多地關(guān)注使用邊緣計算和高效網(wǎng)絡(luò)設(shè)計來增加網(wǎng)絡(luò)容量，以適應(yīng)汽車大數(shù)據(jù)。它還定義要求，開發(fā)用例并鼓勵最佳實踐。有了這，不論智能輔助駕駛也好，自動駕駛也好，亦或是無人駕駛，都可以利用邊緣計算基礎(chǔ)設(shè)施計算，實現(xiàn)人工智能駕駛。

在我國，2016年12月，華為、中科院沈自所、中國信通院、Intel、ARM和軟通動力等機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起在北京成立邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC)。該聯(lián)盟旨在搭建邊緣計算產(chǎn)業(yè)合作平臺，推動OT和ICT產(chǎn)業(yè)開放協(xié)作，孵化行業(yè)應(yīng)用最佳實踐，促進邊緣計算產(chǎn)業(yè)健康與可持續(xù)發(fā)展。

各種聯(lián)盟如雨后春筍一般出現(xiàn)，加速推進邊緣計算的發(fā)展和相關(guān)標準架構(gòu)的形成。

3 邊緣計算的應(yīng)用案例

說起邊緣計算的應(yīng)用，著實十分廣泛，從智慧城市、智慧家居、智慧醫(yī)院、在線直播，到智能泊車、自動駕駛、無人機、智能制造、虛擬現(xiàn)實以及增強現(xiàn)實，舉不勝舉。而且新的應(yīng)用、新的用戶案例不斷挖掘出來，甚至未來的人工智能和5G，也與邊緣計算有著緊密的關(guān)聯(lián)。

例如，一個簡單的應(yīng)用——監(jiān)控頭判斷交通違法信息。在馬路監(jiān)控頭捕捉到了汽車交通違法視頻之后，可以傳到邊緣站點，對視頻進行圖像提取、車牌定位、字符分割以及最終車牌識別。如果沒有邊緣計算，監(jiān)控視頻需要傳到遠程數(shù)據(jù)中心做違法判斷以及車牌識別，而且隨著時間的推移，需要傳送的數(shù)據(jù)越來越多，對于網(wǎng)絡(luò)高帶寬和應(yīng)用實時性提出了很大的挑戰(zhàn)。然而，如果數(shù)據(jù)能在本地邊緣站點處理掉了，那么就節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，節(jié)約了連接網(wǎng)絡(luò)的帶寬。做一個簡單的比較，如果違法事件和違法車牌分別在本地被監(jiān)測和識別到了，只傳送結(jié)果信息，這是邊緣計算；如果需要把視頻傳到數(shù)據(jù)中心處理計算，那是云計算。通過比較，邊緣計算的優(yōu)勢一目了然。交通違法檢測只是一個方面，也許時延要求并不是十分高，但是對于一些關(guān)鍵應(yīng)用，諸如人臉識別、煙霧報警、人口密度指數(shù)預(yù)警防踩踏事件、動態(tài)監(jiān)測、雙攝像頭測距、森林防火、天氣監(jiān)測等等，邊緣計算的優(yōu)勢就大大地發(fā)揮出來了。

除此之外，邊緣計算還可以應(yīng)用在一些更加復(fù)雜的場景里，比如體育場周邊的在線視頻直播和點播、工廠工業(yè)互聯(lián)監(jiān)測和自動化、運輸快遞行業(yè)冷鏈監(jiān)測和管理、移動通信行業(yè)虛擬無線接入網(wǎng)(vRAN)和通用客戶端設(shè)備(uCPE)等等。

4 開源軟件項目

在開源技術(shù)方面，與邊緣計算相關(guān)的開源軟件項目確實不是很多，最先出場的應(yīng)該是CORD。

CORD項目早先是由AT&T提出的一個ONOS用戶場景。我們知道，局端(CO)提供關(guān)鍵的接入?yún)R聚網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如有線、光纖、DSL和無線。AT&T在2013年11月發(fā)布了一個Domain2.0白皮書，目標是使AT&T網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施能夠像數(shù)據(jù)中心云服務(wù)一樣具備敏捷性、可伸縮性和經(jīng)濟性，可以方便地編排、調(diào)度、管理和使用。這就是為什么CORD稱作“重新組織局端為數(shù)據(jù)中心”，實際就是將電信局端云化。

2015年1月，AT&T與開放網(wǎng)絡(luò)實驗室(ON.Lab)對CORD的概念驗證進行了定義，并在同年6月的ONS大會進行了演示。2016年7月，CORD放到Linux基金會下成為獨立的開源項目。最初CORD目標不是針對邊緣計算的，它是基于SDN、NFV和云計算技術(shù)，逐漸融合成為一套全新端到端的解決方案。CORD建立在OpenStack或Docker之上，使用ONOS為SDN控制器，并使用XOS為編排工具。通過利用分布式、開源軟件和白盒交換機來實現(xiàn)創(chuàng)新，降低企業(yè)成本，使它們具備了快速創(chuàng)新的能力。后來由于邊緣計算的興起，從2017年開始CORD逐漸涵蓋了邊緣計算MEC領(lǐng)域的內(nèi)容，慢慢成為邊緣計算的平臺，旨在采用開源技術(shù)提供邊緣云實現(xiàn)方案。CORD場景可以適用于電信局端和接入端、家庭乃至整個企業(yè)環(huán)境，也可以在塔、汽車、無人機或任何地方運行。目前，CORD用戶包括AT&T、SK Telecom、中國聯(lián)通以及NTT。

在2017年6月，OPNFV北京峰會上又亮相了一個名為虛擬局端(vCO)的項目，它是由OPNFV開源工作組基于開源SDN控制器ODL和OpenStack開發(fā)的。該工作組成員包括Cisco、Cumulus、Ericsson、F5、Intel、聯(lián)想、Mellanox、Netscout、Nokia和Red Hat等公司。vCO可以使用ODL和OpenStack啟動具有虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的VNF，比如vCPE和vRAN，而且還能使用ONAP作為端到端平臺管理VNF。不僅如此，越來越多的新服務(wù)正在轉(zhuǎn)向局端，使其成為電信運營商NFV戰(zhàn)略的關(guān)鍵組成部分，這其中就包括多接入邊緣計算MEC。與CORD一樣，vCO認為局端是托管邊緣計算的最佳位置，MEC中涉及到需要在用戶側(cè)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)功能，都可以通過vCO進行編排和管理。另外，vCO可以認為是另一個CORD，但與CORD不同的是，vCO除了能支持OpenFlow白盒交換機之外，還能支持邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP)。

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，2017年4月，Linux基金會發(fā)布了一個開源物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算項目：EdgeX Foundry。該項目構(gòu)建于Dell早期的基于Apache2.0協(xié)議的FUSE物聯(lián)網(wǎng)中間件框架之上，其中包括十幾個微服務(wù)和超過12.5萬行代碼。在FUSE合并了類同項目AllJoyncompliant IoTX之后，Linux基金會協(xié)同Dell創(chuàng)立了EdgeX Foundry。在其架構(gòu)中，南側(cè)包括所有的物聯(lián)網(wǎng)物理設(shè)備，以及與這些設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器或者其他對象直接通信的網(wǎng)絡(luò)邊緣器件，北側(cè)負責(zé)數(shù)據(jù)匯總、存儲、聚合、分析和轉(zhuǎn)換為決策信息的云平臺，以及負責(zé)與云平臺通信。該項目主要目的是，創(chuàng)造一個互操作性的、即插即用組件的物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的生態(tài)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)各種傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與多種云平臺及分析平臺，充分挖掘橫跨邊緣計算、安全、系統(tǒng)管理和服務(wù)等模塊間的互操作性，打造并推廣EdgeX這種面向物聯(lián)網(wǎng)的通用開放標準。

EdgeX Foundry并不是一項新標準，而是統(tǒng)一標準和邊緣應(yīng)用的方式，是一個簡單的互操作性框架。它獨立于操作系統(tǒng)，支持任何硬件和應(yīng)用程序，促進設(shè)備、應(yīng)用程序和云平臺之間的連接。它的主要任務(wù)是簡化和標準化工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算，同時保持其開放性。

最后，我們來談?wù)勥吘売嬎沩椖啃聦檭篈kraino，這也是目前業(yè)界普遍認可的開源邊緣計算方案。2018年初，Linux基金會和AT&T宣布推出一個新的開源項目Akraino Edge Stack，旨在創(chuàng)建一個開源軟件棧，支持針對邊緣計算系統(tǒng)和應(yīng)用進行優(yōu)化的高可用性云服務(wù)。Akraino將有助于為電信運營商、提供商和物聯(lián)網(wǎng)提供商提供易用性高、可靠性強和性能高的服務(wù)。隨后，有包括Intel、中國移動、中國電信、中國聯(lián)通、華為、中興、騰訊和Wind River等公司先后加入該社區(qū)，并討論、商議、設(shè)計未來Akraino架構(gòu)。

2018年5月，在Akraino的框架下， AT&T開源了部分內(nèi)部代碼稱之為Airship。與此同時Intel和Wind River決定開源了大部分其電信行業(yè)云平臺拳頭產(chǎn)品Wind River Titanium Cloud的代碼，并命名為StarlingX，為在虛擬機和容器中運行的電信運營商級應(yīng)用程序提供邊緣計算服務(wù)，支持高可靠性和高性能的要求。除了這兩個項目之外，Akraino框架下其它各組件仍然不是十分完備或成熟，有些功能的代碼還是一片空白，等著將來別的開源軟件代碼進來填充，比如ONAP。而且，對于Airship和StarlingX，社區(qū)還在繼續(xù)增加更多功能、增強穩(wěn)定性和優(yōu)化性能。

另外，在OpenStack基金會，雖然OpenStack項目對于邊緣計算的支持還在早期階段，但是隨著云計算演化趨勢的需要，在OpenStack基金會組織下也成立了邊緣計算工作組。根據(jù)2017年5月OpenStack波士頓峰會的提議，在9月的舊金山舉行了一個為期2天的OpenDev研討會，討論的話題也就是邊緣計算。2018年2月，結(jié)合社區(qū)的反饋和邊緣計算工作組討論的工作成果，OpenStack基金會發(fā)布了邊緣計算白皮書。同年5月，OpenStack基金會吸收Airship和StarlingX進入其社區(qū)，在Linux基金會的Akraino框架下，合作開發(fā)一個支持邊緣計算業(yè)務(wù)的全棧方案。

綜上所述，未來Akraino將是一個跨社區(qū)、跨項目、多公司協(xié)同合作、共同開發(fā)的一個開源項目。其設(shè)計了一個宏偉的藍圖，并基于成熟代碼之上，又有眾多大公司和運營商的支持，我們相信通過社區(qū)共同努力，它的成熟度會不斷提高，功能性會不斷完善，最終將成為邊緣計算領(lǐng)域首選的開源解決方案。

邊緣計算發(fā)展到今天，仍處于初級階段。構(gòu)建分布式邊緣計算基礎(chǔ)設(shè)施工具和架構(gòu)目前還停留在紙面上，實際軟硬件方案還未成形。未來利用云計算成熟建設(shè)方案和經(jīng)驗，以及隨著5G技術(shù)的推出，具體邊緣計算的基礎(chǔ)架構(gòu)會迅速成形，各大運營商和云服務(wù)提供商將會很快推出邊緣計算平臺。在此基礎(chǔ)上，各種復(fù)雜智能實時有效的應(yīng)用程序和用戶場景將會一起伴隨出現(xiàn)，屆時我們將迎接一個嶄新時代的到來。