云計(jì)算與邊緣計(jì)算

崔佳

（珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 廣東省珠海市 519000）

隨著計(jì)算機(jī)硬件計(jì)算能力的飛速發(fā)展，主流計(jì)算領(lǐng)域已經(jīng)逐漸從傳統(tǒng)的分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算逐漸發(fā)展到大數(shù)據(jù)、云計(jì)算（CloudComputing）時(shí)代。但隨著物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步崛起，云計(jì)算也將難堪重負(fù)。著名的互聯(lián)網(wǎng)巨頭思科公司的曾經(jīng)對(duì)未來(lái)的云指數(shù)做過(guò)預(yù)測(cè)：網(wǎng)絡(luò)終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)全球數(shù)據(jù)中心所能承擔(dān)的IP 流量，如果不采用新的技術(shù)，必將造成巨大的數(shù)據(jù)延遲和處理上的困境。因此，學(xué)者們先后提出了霧計(jì)算（FogComputing）和邊緣計(jì)算（EdgeComputing）。顯然，各種主流的計(jì)算技術(shù)都是隨著客戶的需求和技術(shù)的發(fā)展而逐漸成熟起來(lái)，并獲得的廣泛的應(yīng)用；在諸多的應(yīng)用領(lǐng)域中，都會(huì)存在其獨(dú)特的特點(diǎn)，而發(fā)揮著其各自的作用。更進(jìn)一步講，各種技術(shù)在各自的發(fā)展的路徑圖上，可以不斷吸收其他優(yōu)秀技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)彌補(bǔ)其不足，從而擴(kuò)展其應(yīng)用。最終，各種技術(shù)可能會(huì)出現(xiàn)融合的趨勢(shì)。本文針對(duì)云計(jì)算和邊緣計(jì)算的各自應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析和討論，給出兩者之間的各自特征、相互聯(lián)系、應(yīng)用條件和彼此的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)等等，從而在應(yīng)用中對(duì)兩種技術(shù)能更好地把握。

1 主流計(jì)算技術(shù)的分析

前面提到，當(dāng)前主流的計(jì)算技術(shù)有云計(jì)算、霧計(jì)算和邊緣計(jì)算等。其中，云計(jì)算最早出現(xiàn)于Sun公司于1983年提出的“網(wǎng)絡(luò)即電腦”的概念。自此之后的幾十年中，云計(jì)算的概念逐步成型，其中比較關(guān)鍵的推動(dòng)者是Amazon 公司的創(chuàng)始人Jeff，在2002年下達(dá)的一份強(qiáng)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，至此Amazon 公司推出了EC2 彈性計(jì)算云，從此開(kāi)啟了云計(jì)算商業(yè)化模式。

隨著云計(jì)算的廣泛應(yīng)用，以及互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的和處理需求的急劇增長(zhǎng)，也逐漸暴露出來(lái)云計(jì)算這種集中計(jì)算所存在的弊端，諸如計(jì)算能力無(wú)法匹配海量增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)的巨大延遲和個(gè)人數(shù)據(jù)隱私安全等都大大影響了用戶的使用體驗(yàn)。為此，催生了邊緣計(jì)算的出現(xiàn)。從某種意義上講，邊緣計(jì)算不是替代云計(jì)算，而是對(duì)于云計(jì)算的一種輔助方式，將大量本有云端處理的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)由邊緣一側(cè)的計(jì)算力實(shí)現(xiàn)，從而避免了大量數(shù)據(jù)的傳輸造成網(wǎng)絡(luò)延遲，同時(shí)也降低了云端處理業(yè)務(wù)的巨大壓力，使得邊緣大量閑置計(jì)算力得到應(yīng)用，并確保了個(gè)人隱私能夠在不上傳到云端的邊緣得以保存、處理，實(shí)現(xiàn)了隱私安全保護(hù)。

2 云計(jì)算與邊緣計(jì)算的架構(gòu)分析

2.1 云計(jì)算的架構(gòu)

最為精準(zhǔn)的云計(jì)算定義是由NIST（國(guó)家科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)）作出的，即：將云計(jì)算看成類(lèi)似于我們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫乃㈦姟⒚簹獾荣Y源，同用戶提出需求，按照需求量進(jìn)行獲取，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算力的合理分配，用戶需求的即時(shí)滿足。這種云模型提升了可獲得性，并由五個(gè)基本特征、三個(gè)服務(wù)模型和四個(gè)有效使用模型組成。這些特征和模型表達(dá)量?jī)蓚€(gè)云計(jì)算的核心內(nèi)容，即虛擬化和云服務(wù)的概念。其中，虛擬化是云計(jì)算的根基，包含服務(wù)器虛擬化和應(yīng)用程序虛擬化兩種基本類(lèi)型。應(yīng)用程序虛擬化指將一臺(tái)主機(jī)上的應(yīng)用程序分享給大量用戶使用，雖然上載到云端的應(yīng)用程序需要高端虛擬機(jī)來(lái)運(yùn)行，但由于訪問(wèn)用戶數(shù)量眾多，成本得以分?jǐn)偂７?wù)器虛擬化常用的物理硬件（網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)或計(jì)算設(shè)備）來(lái)托管虛擬機(jī)。一臺(tái)物理主機(jī)可以運(yùn)行多臺(tái)虛擬機(jī)，不同虛擬機(jī)公用一套硬件，但能安裝獨(dú)立的操作系統(tǒng)和不同的應(yīng)用程序。這樣配置的目的可以實(shí)現(xiàn)一種稱(chēng)之為彈性機(jī)制的快速資源分配，從而使得服務(wù)器虛擬化可以大大降低部署的經(jīng)濟(jì)成本，提高運(yùn)營(yíng)效率。云服務(wù)就是指通過(guò)一系列相關(guān)聯(lián)的功能組件和資源，實(shí)施一項(xiàng)業(yè)務(wù)流程，從而為使用者提供商業(yè)價(jià)值。圖1 給出了云計(jì)算的常用架構(gòu)。

從圖1 中可以看出，數(shù)據(jù)生產(chǎn)者將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)即時(shí)傳送到云端，個(gè)人用戶將服務(wù)需求提交給云端，云端為用戶提供平臺(tái)或軟件等的服務(wù)，通過(guò)云端計(jì)算后，反饋結(jié)果給個(gè)人用戶已滿足其使用要求。從其運(yùn)行過(guò)程中，可見(jiàn)云計(jì)算必須滿足以下五個(gè)特征：隨處訪問(wèn)、按需自助、資源集中、快速?gòu)椥院陀昧靠蓽y(cè)。這些特征的滿足是通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施及服務(wù)（IaaS）、平臺(tái)即服務(wù)（PaaS）、軟件即服務(wù)（SaaS）、信息即服務(wù)（INaaS）和業(yè)務(wù)流程即服務(wù)（BPaaS）各個(gè)抽象層分別實(shí)現(xiàn)公有云、私有云的部署，來(lái)實(shí)現(xiàn)云計(jì)算的。顯然，這是集中計(jì)算的一種典型方式。

圖1：云計(jì)算架構(gòu)

2.2 邊緣計(jì)算的架構(gòu)

邊緣計(jì)算可以理解為一種和云計(jì)算共生的計(jì)算模型，其運(yùn)行方式是云計(jì)算的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。即將原有的數(shù)據(jù)產(chǎn)生設(shè)備（稱(chēng)之為邊緣設(shè)備）從原有的僅僅作為數(shù)據(jù)產(chǎn)生者轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)產(chǎn)生者和數(shù)據(jù)處理者，這樣可以大大利用邊緣一側(cè)設(shè)備的存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力，可以使得云端設(shè)備的傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)算壓力大大降低，并能實(shí)現(xiàn)云計(jì)算各種所遇到的瓶頸的釋放。

從邊緣計(jì)算的概念中可以獲知，邊緣計(jì)算是云計(jì)算的延伸和拓展，在其使用中會(huì)由于使用的場(chǎng)景不同，而有所不同，但都可以歸結(jié)為“終端設(shè)備——邊緣設(shè)備——云”為核心的體系架構(gòu)，其中：

（1）終端設(shè)備：終端設(shè)備種類(lèi)繁多，諸如各類(lèi)傳感器等會(huì)被部署在所有計(jì)算體系的前端，用于采集數(shù)據(jù)，本身不具有或者具有較弱的存儲(chǔ)、計(jì)算能力。在邊緣計(jì)算中，可以進(jìn)一步挖掘其能力；

（2）邊緣設(shè)備：可以理解為在原有云計(jì)算中提供數(shù)據(jù)的各種個(gè)人電腦、手機(jī)、平板以及類(lèi)似的各種設(shè)備。在傳統(tǒng)云計(jì)算中，它們的角色是數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者，并且是被服務(wù)的對(duì)象；而在邊緣計(jì)算中，它們除了提供數(shù)據(jù)之外，還兼有數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、保護(hù)隱私等功能；

（3）云端：仍然是指云計(jì)算中的云計(jì)算中心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)、平臺(tái)即服務(wù)、軟件即服務(wù)等的大數(shù)據(jù)處理工作。在邊緣中，其工作分工沒(méi)變化，僅僅是將各類(lèi)處于邊緣的設(shè)備、終端的計(jì)算能力予以釋放，從而降低了數(shù)據(jù)傳輸和云端數(shù)據(jù)處理的巨大壓力。

邊緣計(jì)算到2017 和2018年，ECC 先后發(fā)不了邊緣計(jì)算參考架構(gòu)2.0 和3.0 版。圖2 是邊緣計(jì)算3.0 版的參考架構(gòu)。該架構(gòu)是采用基于模型驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)的。從圖2 中可以看出，該結(jié)構(gòu)分成了三層，其中第一層云對(duì)應(yīng)前面給出的云端，主要包括面向用戶的各種應(yīng)用和云服務(wù)；中間層對(duì)應(yīng)邊緣設(shè)備，其中還包括各種協(xié)調(diào)分配邊緣計(jì)算的各種服務(wù)和機(jī)制；最下面一層對(duì)應(yīng)終端設(shè)備，也稱(chēng)之為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，主要包括接口和設(shè)備。

顯然，邊緣計(jì)算近幾年來(lái)發(fā)展迅速，作為云計(jì)算的輔助計(jì)算模型得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用，但其模型一直處于不斷迭代和發(fā)展的進(jìn)程中，隨著新的計(jì)算范式和方法的不斷融入，邊緣計(jì)算也必將帶來(lái)更為廣闊的應(yīng)用前景。

3 云計(jì)算和邊緣計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)

從云計(jì)算發(fā)展出現(xiàn)瓶頸到邊緣計(jì)算范式的出現(xiàn)，以及逐漸獲得廣泛的應(yīng)用不難發(fā)現(xiàn)，其原因是在于應(yīng)用需求的驅(qū)動(dòng)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)井噴式的指數(shù)形式增加，不改變計(jì)算范式，則很難滿足這種現(xiàn)實(shí)的需求。從前面給出的云計(jì)算遇到的困境，剛好被邊緣計(jì)算所彌補(bǔ)，利用云計(jì)算的體系架構(gòu)，輔以邊緣計(jì)算可以很好的解決現(xiàn)有的瓶頸問(wèn)題。

不難預(yù)見(jiàn)邊緣計(jì)算的具有非常美好的發(fā)展前景。

（1）邊緣計(jì)算從本質(zhì)上是云計(jì)算的拓展和延伸，不會(huì)否定云計(jì)算，而會(huì)與云計(jì)算進(jìn)一步協(xié)作，解決云計(jì)算出現(xiàn)的困境，提高整個(gè)平臺(tái)架構(gòu)的服務(wù)效率；

圖2：邊緣計(jì)算3.0 架構(gòu)

（2）隨著物聯(lián)網(wǎng)、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等一系列新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，邊緣計(jì)算與一系列新技術(shù)的融合后，必將為諸多與邊緣計(jì)算技術(shù)愿景的實(shí)現(xiàn)與落地提供助力；

（3）隨著5G 技術(shù)的提出與落地，邊緣計(jì)算自身的低功耗、低負(fù)載、低延遲等特性，必將迎合5G 技術(shù)的快速發(fā)展，開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的局面。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)云計(jì)算、邊緣計(jì)算的產(chǎn)生于發(fā)展進(jìn)行了回顧，然后分別針對(duì)兩種技術(shù)的體系架構(gòu)進(jìn)行分析，就其界定、特征和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了描述，從而指出，邊緣計(jì)算是云計(jì)算進(jìn)一步發(fā)展的延伸和拓展，對(duì)解決云計(jì)算遇到的諸多困境能夠給出比較完美的解決方案，并能在新的歷史機(jī)遇期與云計(jì)算共同發(fā)展。最后對(duì)邊緣計(jì)算的發(fā)展趨勢(shì)給出了簡(jiǎn)短的展望，可以預(yù)見(jiàn)邊緣計(jì)算必將被更多的人所認(rèn)識(shí)，也將獲得更加廣泛的應(yīng)用。