什么是邊緣計(jì)算？它是怎樣火起來的？終于有人講明白了

導(dǎo)讀：本文將介紹邊緣計(jì)算出現(xiàn)的背景、不同的概念。

作者：趙志為 閔革勇

來源：大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）

01 邊緣計(jì)算的歷史背景

1946年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)，電子晶體管計(jì)算機(jī)ENIAC攜170平方米、18000個(gè)晶體管的龐大身軀悄然問世，作為計(jì)算的載體，開啟了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展之路。

此后，晶體管代替了電子管，集成電路代替了晶體管，計(jì)算機(jī)的發(fā)展沿著摩爾定律的軌道一路狂奔，從巨大的機(jī)房一步步走進(jìn)了千家萬戶，登上了小小的桌面，甚至作為可穿戴嵌入式設(shè)備成為人體的一部分。伴隨這一過程，越來越多的物理世界需求被轉(zhuǎn)化為計(jì)算需求，計(jì)算的形態(tài)也經(jīng)歷了幾次重要變化。

1. 共享到獨(dú)占

在計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，由于高昂的成本，計(jì)算機(jī)主要用于大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)，幾乎不存在現(xiàn)代意義的個(gè)人計(jì)算機(jī)。因此，此時(shí)的計(jì)算過程往往是很多用戶采用分時(shí)的方式共享一臺(tái)計(jì)算機(jī)，這一需求也造就了后來人們熟知的UNIX系統(tǒng)和類UNIX系統(tǒng)。

雖然此時(shí)所有的計(jì)算需求是在大型機(jī)“本地”執(zhí)行的，但其任務(wù)來源通常是多個(gè)用戶，資源也是由多用戶共享的。因此從計(jì)算模式的角度而言，大型機(jī)的計(jì)算采用了多用戶共享的模式。

而隨著集成電路的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)體積沿著“摩爾定律”的軌跡不斷縮小，計(jì)算成本不斷降低，使得用戶逐漸能夠通過個(gè)人計(jì)算機(jī)來滿足各類計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求，計(jì)算的形態(tài)也從多用戶分時(shí)共享為主流變?yōu)榱霜?dú)占資源的個(gè)人計(jì)算機(jī)為主流。

2. 本地到云端

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)再也不僅僅是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算的載體，而是承擔(dān)了越來越多的信息傳輸和交互任務(wù)。與此同時(shí)，智能手機(jī)、交互式Web服務(wù)、社交網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和普及，使得大量的用戶信息由本地遷移到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器當(dāng)中。

伴隨著“信息網(wǎng)絡(luò)化”這一過程，在數(shù)據(jù)被帶到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的同時(shí)，一部分運(yùn)算過程也被帶到了服務(wù)器上，例如網(wǎng)站托管、推薦算法、各類在線服務(wù)等。不僅如此，隨著通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的計(jì)算業(yè)務(wù)得以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，從而一步步形成了如今云計(jì)算的形態(tài)。

3. 云端到邊緣

隨著智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等智能化計(jì)算設(shè)備的普及，以及高清視頻、人工智能算法等需求的涌現(xiàn)，各類游戲、應(yīng)用、視頻業(yè)務(wù)對(duì)于數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)性的要求越來越高，例如風(fēng)靡一時(shí)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）游戲口袋妖怪（PoKeMon GO），對(duì)攝像頭實(shí)時(shí)采集的圖像進(jìn)行識(shí)別和處理，并在識(shí)別出的目標(biāo)位置顯示不同種類的“口袋妖怪”。

對(duì)于此類應(yīng)用業(yè)務(wù)，一方面本地計(jì)算會(huì)出現(xiàn)能力不足或者電量消耗過快的問題；另一方面若采用云計(jì)算架構(gòu)，則無法達(dá)到游戲的延遲要求，不僅如此，當(dāng)應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，云計(jì)算架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)帶寬將會(huì)成為瓶頸，難以支撐來自海量前端設(shè)備的大規(guī)模實(shí)時(shí)計(jì)算和數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

即便對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，越來越多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，也會(huì)使得云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不堪重負(fù)，甚至使得云計(jì)算中心成為許多地區(qū)能源消耗的最大來源。

與此同時(shí)，隨著5G/6G、Wi-Fi 6等通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的快速發(fā)展，用戶端到網(wǎng)絡(luò)接入端的直接延遲可以降到個(gè)位數(shù)毫秒級(jí)。此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，在云計(jì)算架構(gòu)中，數(shù)據(jù)從接入點(diǎn)到云計(jì)算中心的傳輸過程已經(jīng)占據(jù)了絕大部分的延遲。考慮到互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過主干網(wǎng)多級(jí)路由的過程，這一延遲幾乎無可避免。

因此，計(jì)算資源從云中心下降到靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備（如移動(dòng)無線基站、家用路由等），則成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模實(shí)時(shí)計(jì)算的必然要求。如此，不僅徹底避免了廣域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)傳輸延遲，也提升了數(shù)據(jù)的隱私安全級(jí)別、訪問效率以及服務(wù)部署和管理的靈活性。

02 邊緣計(jì)算的概念

簡(jiǎn)而言之，邊緣計(jì)算是一種計(jì)算模式：在該計(jì)算模式下，服務(wù)與計(jì)算資源被放置在靠近終端用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備中。

與傳統(tǒng)的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心相比，邊緣計(jì)算中直接為用戶提供服務(wù)的計(jì)算實(shí)體（如移動(dòng)通信基站、WLAN網(wǎng)絡(luò)、家用網(wǎng)關(guān)等）距離用戶很近，通常只有一跳的距離，即直接相連。這些與用戶直接相連的計(jì)算服務(wù)設(shè)備稱為網(wǎng)絡(luò)的“邊緣設(shè)備”。

如圖1-1所示，對(duì)于校園、工業(yè)園區(qū)等場(chǎng)景，配備計(jì)算和存儲(chǔ)資源的設(shè)備即可作為邊緣設(shè)備，為其前端用戶提供邊緣計(jì)算服務(wù)；對(duì)于城市街區(qū)場(chǎng)景，移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的通信基站可作為邊緣計(jì)算設(shè)備提供服務(wù)；對(duì)于家庭住宅場(chǎng)景，家用路由器可作為邊緣計(jì)算設(shè)備。

▲圖1-1 邊緣計(jì)算系統(tǒng)示意圖

關(guān)于邊緣計(jì)算的概念，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工業(yè)界存在幾種不同的定義。根據(jù)其出發(fā)點(diǎn)的不同，本文將邊緣計(jì)算的定義整理如下：

• 邊緣計(jì)算作為云計(jì)算的延伸：邊緣計(jì)算是一種云計(jì)算優(yōu)化方法，“通過將網(wǎng)絡(luò)集中節(jié)點(diǎn)（云核心）上的應(yīng)用、數(shù)據(jù)和服務(wù)放置到邏輯邊界節(jié)點(diǎn)（邊緣）”，從而建立與物理世界的直接聯(lián)系。
• 邊緣計(jì)算作為前端設(shè)備和云計(jì)算的中介：邊緣計(jì)算是指那些使得計(jì)算發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)邊緣的技術(shù)合集，向下的數(shù)據(jù)流來自云計(jì)算服務(wù)，向上的數(shù)據(jù)流來自前端的各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
• 描述計(jì)算平臺(tái)的角度：根據(jù)中國(guó)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的定義，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)用核心能力的開放平臺(tái)，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)鍵需求。它可以作為連接物理和數(shù)字世界的橋梁，使能智能資產(chǎn)、智能網(wǎng)關(guān)、智能系統(tǒng)和智能服務(wù)。
• 泛化的云與用戶之間的補(bǔ)充：邊緣計(jì)算是指從數(shù)據(jù)源到云數(shù)據(jù)中心的路徑上任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)稱。該定義明確將邊緣計(jì)算看作云計(jì)算中心與用戶之間所有計(jì)算和資源的統(tǒng)稱。

本文從計(jì)算模式發(fā)展的角度給出邊緣計(jì)算的定義：邊緣計(jì)算是一種計(jì)算資源與用戶接近、計(jì)算過程與用戶協(xié)同、整體計(jì)算性能高于用戶本地計(jì)算和云計(jì)算的計(jì)算模式，是實(shí)現(xiàn)無處不在的“泛在算力”的具體手段。其中，邊緣設(shè)備可以是任意形式，其計(jì)算能力通常高于前端設(shè)備，且前端設(shè)備與邊緣設(shè)備之間應(yīng)當(dāng)具有相對(duì)穩(wěn)定、低延遲的網(wǎng)絡(luò)連接。

關(guān)于作者：趙志為，電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榈凸奈锫?lián)網(wǎng)與邊緣計(jì)算。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊/會(huì)議上發(fā)表60余篇學(xué)術(shù)論文，期刊包括IEEE/ACM Trans.on Networking、IEEE Trans.on Mobile Computing、IEEE JSAC、IEEE INFOCOM、IEEE ICNP、IEEE ICDCS等，并獲得3項(xiàng)國(guó)際會(huì)議論文獎(jiǎng)，主持國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。

閔革勇，英國(guó)埃克塞特大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、物聯(lián)網(wǎng)、分布式計(jì)算等領(lǐng)域取得了一系列創(chuàng)新性科研成果，在國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊/會(huì)議上發(fā)表300多篇論文，獲得10余項(xiàng)國(guó)際會(huì)議論文獎(jiǎng)。現(xiàn)任多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)期刊的編委并擔(dān)任多個(gè)國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的主席。

本文摘編自《邊緣計(jì)算：原理、技術(shù)與實(shí)踐》，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。（ISBN：9787111690894）

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