邊緣計算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與對策

導(dǎo)讀：本報告為科技部科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“高新技術(shù)領(lǐng)域年度重點創(chuàng)新進展報告”( 編號：ZLY201633) 研究成果之一。

本報告為科技部科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“高新技術(shù)領(lǐng)域年度重點創(chuàng)新進展報告”( 編號：ZLY201633) 研究成果之一。作者是科學技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心的傅耀威老師和西北大學的孟憲佳老師。本文特約編輯：姜念云，本文首發(fā)于《科技中國》，邊緣計算社區(qū)整理。全文 4565 字，淺顯易懂，預(yù)計閱讀 15 分鐘。

邊緣計算是通過把計算、存儲、帶寬、應(yīng)用等資源放在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，減小傳輸延遲和帶寬限制的新興技術(shù)。這項技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)提供了前所未有的連接性、集中化以及智能化，滿足了敏捷連接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的需求，將是實現(xiàn)分布式自治、工業(yè)控制自動化的重要支撐。本文對邊緣計算技術(shù)、標準、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢進行了梳理分析，提出了我國的進一步發(fā)展對策。

一、關(guān)于邊緣計算技術(shù)

近年來，“物聯(lián)網(wǎng)”“云計算”等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但是隨著萬物互聯(lián)以及 5G 高帶寬、低時延時代的到來，各類業(yè)務(wù)如車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、4K/8K、虛擬現(xiàn)實 / 增強現(xiàn)實(VR/AR)等所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量爆炸式增長，對計算設(shè)施帶來了實時性、網(wǎng)絡(luò)依賴性和安全性等方面的要求，為了解決這些問題，國內(nèi)外學者們提出了邊緣計算的概念。

邊緣計算的“邊緣”指的是在數(shù)據(jù)源與云端數(shù)據(jù)中心之間的任何計算及網(wǎng)絡(luò)資源。例如，智能手機就是個人與云端的“邊緣”，智能家居中的網(wǎng)關(guān)就是家庭設(shè)備與云端的“邊緣”。邊緣計算的基本原理就是在靠近數(shù)據(jù)源的地方進行計算，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)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力，就近提供邊緣智能服務(wù)的開放平臺。與云計算相比較，邊緣計算就近布置，因而可以理解為云計算的下沉。

邊緣計算實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前所未有的連接性、集中化和智能化，由此可以滿足敏捷連接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的需求，是實現(xiàn)分布式自治、工業(yè)控制自動化的重要支撐。

邊緣計算是計算系統(tǒng)從扁平到邊緣，以及面向 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進的必然技術(shù)，同時也提供了一種新的生態(tài)系統(tǒng)和價值鏈。第三方數(shù)據(jù)分析機構(gòu) IDC 預(yù)測，到 2020 年，全球?qū)⒂屑s 500 億的智能設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，其中主要涉及智能手機、可穿戴設(shè)備、個人交通工具等，其中 40% 的數(shù)據(jù)需要邊緣計算服務(wù)。邊緣計算有著強大市場潛力，也引起了各研究機構(gòu)、標準組織、服務(wù)提供商和產(chǎn)業(yè)界極大的關(guān)注。

二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

目前，邊緣計算技術(shù)與應(yīng)用仍處于發(fā)展初期階段，亞馬遜、谷歌和微軟等云計算巨頭是該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

2017 年，亞馬遜攜 AWS Greengrass 進軍邊緣計算領(lǐng)域，走在了行業(yè)的前面。該服務(wù)將 AWS 擴展到設(shè)備上，這樣就可以“在本地處理它們所生成的數(shù)據(jù)，同時仍然可以使用云來進行管理、分析數(shù)據(jù)和持久的存儲”。

微軟公司計劃未來 4 年在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域投入 50 億美元，其中包括邊緣計算項目。2017 微軟發(fā)布了 Azure IoT Edge 解決方案，該方案“將云分析擴展到邊緣設(shè)備”，支持離線使用。該公司還希望聚焦于人工智能應(yīng)用。

谷歌 2017 年以來已宣布了兩款相關(guān)的新產(chǎn)品，即硬件芯片 Edge TPU 和軟件堆棧 Cloud IoT Edge，意在幫助改善邊緣聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開發(fā)。谷歌表示，“Cloud IoT Edge 將谷歌云強大的數(shù)據(jù)處理和機器學習功能擴展到數(shù)十億臺邊緣設(shè)備，比如機器人手臂、風力渦輪機和石油鉆塔，這樣它們就能夠?qū)碜云鋫鞲衅鞯臄?shù)據(jù)進行實時操作，并在本地進行結(jié)果預(yù)測?！?/p>

國際上許多公司也在開發(fā)軟件和技術(shù)幫助邊緣計算實現(xiàn)騰飛。惠普公司計劃在未來 4 年內(nèi)向邊緣計算領(lǐng)域投資 40 億美元。該公司的 Edgeline Converged Edge Systems 系統(tǒng)的目標客戶是那些希望獲得數(shù)據(jù)中心級計算能力，且通常在邊遠地區(qū)運營的工業(yè)合作伙伴。其系統(tǒng)承諾在不依賴于將數(shù)據(jù)發(fā)送到云或數(shù)據(jù)中心的情況下，為工業(yè)運營(比如石油鉆井平臺、工廠或銅礦)提供來自聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的洞見。

人工智能芯片制造商英偉達于 2017 年推出了 Jetson TX2，這是一個面向邊緣設(shè)備的人工智能計算平臺。它的前身是 Jetson TX1，它號稱要“重新定義將高級 AI 從云端擴展到邊緣的可能性”。

有關(guān)邊緣計算的標準化工作也逐漸受到各大標準化組織的關(guān)注，主要國際標準化組織紛紛成立相關(guān)工作組，開展邊緣計算標準化工作。2014 年，歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)成立移動邊緣計算標準化工作組;2015 年，思科、ARM、戴爾、英特爾、微軟、普林斯頓大學等機構(gòu)聯(lián)合發(fā)起成立開放霧計算聯(lián)盟;2017 年 ISO/IECJTC1SC41 成立了邊緣計算研究小組，以推動邊緣計算標準化工作。2017 年 IEC 發(fā)布了 VEI(Vertical Edge Intelli-gence)白皮書，介紹了邊緣計算對于制造業(yè)等垂直行業(yè)的重要價值。2018 年初，ITU-TSG20(國際電信聯(lián)盟物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市研究組)成功立項首個物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域邊緣計算項目“用于邊緣計算的 IOT 需求”。

三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

2016 年 11 月 30 日，我國邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC，Edge Computing Consortium)在北京成立。該聯(lián)盟由華為技術(shù)有限公司、中國科學院沈陽自動化研究所、中國信息通信研究院、英特爾公司、ARM 和軟通動力信息技術(shù)有限公司創(chuàng)始成立，首批成員單位共 62 家，涵蓋科研院校、工業(yè)制造、能源電力等不同領(lǐng)域。2016 年和 2017 年分別出版了國內(nèi)的《邊緣計算參考架構(gòu)》1.0 和 2.0 版本，梳理了邊緣計算的測試床，提出了邊緣計算在工業(yè)制造、電力能源、智慧城市、交通等行業(yè)應(yīng)用的解決方案。

邊緣計算是 5G 的核心能力之一，是實現(xiàn) 5G 性能提升的關(guān)鍵。2017 年，中國通信標準化協(xié)會(CCSA)發(fā)起了邊緣計算研究項目。CCSA 無線通信技術(shù)委員會(TC5)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特設(shè)任務(wù)組(ST8)都分別立項了有關(guān)邊緣計算的項目。在 CCSA ST8 中，重點討論面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算和邊緣云標準化內(nèi)容。目前，ST8 任務(wù)組已經(jīng)立項標準包括：《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算總體架構(gòu)與要求》，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算技術(shù)研究》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算邊緣節(jié)點模型與要求》，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算需求》。

在 CCSA TC5 中，三大運營商分別在邊緣計算領(lǐng)域立項，涉及邊緣計算平臺架構(gòu)、場景需求、關(guān)鍵技術(shù)研究和總體技術(shù)要求。中國聯(lián)通發(fā)起并主導(dǎo)的“5G 邊緣計算平臺能力開放技術(shù)研究”項目，將結(jié)合邊緣計算平臺架構(gòu)以及移動網(wǎng)絡(luò)能力，進行 5G 邊緣計算能力開放的場景分析和方案研究，進一步標準化網(wǎng)絡(luò)信息開放框架與內(nèi)容。中國移動和中國電信也分別牽頭立項《邊緣計算總體技術(shù)要求》和《邊緣計算關(guān)鍵技術(shù)研究》，內(nèi)容涵蓋了 5G MEC 的關(guān)鍵技術(shù)，包括：本地分流、業(yè)務(wù)緩存和加速、本地內(nèi)容計費、智能化感知與分析、網(wǎng)絡(luò)能力開放、移動性管理和業(yè)務(wù)連續(xù)性保障。

三大運營商在邊緣計算方面已經(jīng)展開廣泛探索。其中，中國聯(lián)通 2018 年 2 月宣布正式啟動全國范圍內(nèi) 15 個省市的 Edge-Cloud 規(guī)模試點和數(shù)千個邊緣數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃建設(shè)工作;中國移動在江蘇、浙江等地通過核心網(wǎng)下沉網(wǎng)關(guān)分流至 CDN 邊緣節(jié)點，并探索了一些商用場景;中國電信在 2018 年搭建了基于邊緣計算的 vCDN 概念驗證解決方案環(huán)境，測試結(jié)果理想。

目前，運營商的邊緣計算主要處于技術(shù)研究、實驗室測試，以及相對簡單場景的預(yù)商用階段。英特爾和阿里云聯(lián)合在重慶瑞方渝美壓鑄有限公司打造的工業(yè)邊緣計算平臺，采用了英特爾開發(fā)的深度學習算法和數(shù)據(jù)采集到協(xié)議轉(zhuǎn)換的軟件，以及阿里云開發(fā)的基于 Yocto 的操作系統(tǒng)(AliOS Things)、數(shù)據(jù)接入云端 Link Edge。該平臺可以運行在工業(yè)邊緣計算節(jié)點本地，并將結(jié)果聚合并存儲在邊緣服務(wù)器上，再通過阿里云的 LinkEdge 實現(xiàn)數(shù)據(jù)上云。該平臺采用的機器視覺解決方案在 0.695 秒的時間內(nèi)，幾乎可以實時地識別制造缺陷，檢測精度約為 100%。

總體來說，我國的邊緣計算研究還處于起步階段。

四、邊緣計算面臨的挑戰(zhàn)

目前，關(guān)于邊緣計算的研究才剛剛起步，雖然已經(jīng)取得了一定成果，但從實際應(yīng)用來說，還存在很多問題需要研究，下面對其中的幾個主要問題進行分析。

第一，多主體的資源管理。邊緣計算資源分散在數(shù)據(jù)的傳輸路徑上，被不同的主體所管理和控制，比如用戶控制終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)運營商控制通信基站、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供商控制路由器、應(yīng)用服務(wù)供應(yīng)商控制邊緣服務(wù)器與內(nèi)容傳輸網(wǎng)絡(luò)。而云計算中的資源都是集中式的管理，因此云計算的資源管理方式并不適用管理邊緣計算分散的資源。而目前關(guān)于邊緣計算的研究也主要集中在對單一主體資源的管理和控制，還未涉及多主體資源的管理，實現(xiàn)靈活的多主體資源管理是一個十分富有挑戰(zhàn)性的問題。

第二，應(yīng)用的移動管理。邊緣計算依靠資源在地理上廣泛分布的特點來支持應(yīng)用的移動性，一個邊緣計算節(jié)點只服務(wù)周圍的用戶，應(yīng)用的移動就會造成服務(wù)節(jié)點的切換，而云計算對應(yīng)用移動性的支持則是“服務(wù)器位置固定，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器”。所以，在邊緣計算中應(yīng)用的移動管理也是一種新模式，涉及到資源發(fā)現(xiàn)和資源切換等問題。

第三，虛擬化技術(shù)。為了方便資源的有效管理，邊緣計算需要虛擬化技術(shù)的支持，為系統(tǒng)選擇合適的虛擬化技術(shù)是邊緣計算的一個研究熱點。目前，新型的虛擬化技術(shù)層出不窮，如何打破虛擬機和容器的規(guī)則與界線，將兩者充分融合，同時具備兩者的優(yōu)勢，設(shè)計適應(yīng)邊緣計算特點的虛擬化技術(shù)，也是一大挑戰(zhàn)。

第四，數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)量越大，往往提取出的價值信息就越多。但是收集數(shù)據(jù)需要時間，價值信息往往也具有時效性。邊緣計算使數(shù)據(jù)可以在匯集的過程中被處理與分析，很多數(shù)據(jù)如果被過早地分析，可能會丟失很多有價值的信息，所以如何權(quán)衡提取信息的價值量與時效性是一個關(guān)鍵性問題。

第五，編程模型。邊緣計算資源動態(tài)、異構(gòu)與分散的特性使應(yīng)用程序的開發(fā)十分困難。為減少應(yīng)用的開發(fā)難度，需要可以適應(yīng)邊緣計算資源的編程模型。

五、我國進一步發(fā)展對策

據(jù)估算，2017—2026 年美國在邊緣計算方面的支出將達到 870 億美元，歐洲則為 1850 億美元。因此，為應(yīng)對新的發(fā)展機遇，對我國發(fā)展邊緣計算技術(shù)，建議采取以下對策。

第一，加強邊緣計算的技術(shù)標準和規(guī)范建設(shè)。邊緣計算涉及到海量的終端設(shè)備、邊緣節(jié)點，是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理的前端，而這些設(shè)備往往存在異構(gòu)性，來自于不同的生產(chǎn)廠商、不同的數(shù)據(jù)接口、不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、不同的傳輸協(xié)議、不同的底層平臺等。為此，統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標準亟待達成一致。這些標準和規(guī)范的制定，也將大大節(jié)約邊緣云等的建設(shè)成本。

第二，注重將邊緣計算技術(shù)發(fā)展與新一代信息技術(shù)結(jié)合。應(yīng)將邊緣計算技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用與“互聯(lián)網(wǎng) +”、云計算、大數(shù)據(jù)和新一代通信技術(shù)等研發(fā)計劃發(fā)展協(xié)同起來。邊緣計算是與云計算相生相伴的一種技術(shù)，并且與大數(shù)據(jù)、5G 通信和智能信息處理技術(shù)等高度聯(lián)接。因此，我國在制定相關(guān)研發(fā)計劃的時候，要將對邊緣計算技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展納入進去，加快相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)，促進邊緣計算技術(shù)成熟度的提升。

第三，加強邊緣計算的開源生態(tài)建設(shè)。邊緣計算本身由海量的終端設(shè)備構(gòu)成，而眾多智能終端如采用統(tǒng)一的開源操作系統(tǒng)，便可形成邊緣計算的開源生態(tài)環(huán)境。利用開源生態(tài)來維持核心代碼，形成業(yè)界認可的技術(shù)接口、關(guān)鍵功能、發(fā)展路徑等，將會給各廠商提供均等的發(fā)展機會。