【摘 要】物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展開啟了萬物互聯(lián)時代，設備的爆炸式增長和應用的多樣化帶來了海量數(shù)據(jù)，對傳輸帶寬、時效性、異構(gòu)接入等提出了新要求。邊緣計算在靠近數(shù)據(jù)源側(cè)進行數(shù)據(jù)處理，有效地減少數(shù)據(jù)傳輸量、降低服務響應時延、增強網(wǎng)絡效能。本文在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的不同位置引入邊緣計算，形成端邊緣、網(wǎng)邊緣和云邊緣三類邊緣，分析三類邊緣的技術方案，總結(jié)邊緣計算目前存在的問題，為物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的發(fā)展提供參考。

1 概述

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，更為頻繁的人機交互、指數(shù)式增長的數(shù)據(jù)流量、持續(xù)增加的終端種類和不斷涌現(xiàn)的服務場景，對傳輸帶寬、時效性、異構(gòu)接入等提出了更高要求。邊緣計算在靠近物或數(shù)據(jù)源的一側(cè)，就近提供近端網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、計算和存儲服務。物聯(lián)網(wǎng)一般是“端、網(wǎng)、云”三層架構(gòu)：端，包括感知設備、執(zhí)行設備和通信控制網(wǎng)關，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設備控制；網(wǎng)，包括2/3/4G、WiFi，NB-loT、光寬等技術的泛在連接網(wǎng)絡，負責數(shù)據(jù)傳輸；云，包括云主機、負載、云服務等，負責數(shù)據(jù)存儲、處理，提供應用服務。因此，很有必要在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的不同層次引入邊緣計算，以滿足海量異構(gòu)設備快速接入，服務迅速響應，網(wǎng)絡效能提高等新需求。

目前國內(nèi)不少學者開展邊緣計算研究，文獻［1-4］介紹邊緣計算的網(wǎng)絡架構(gòu)、關鍵技術、開源項目和應用展望等，文獻［5-6］介紹移動邊緣計算（MEC）的標準情況、網(wǎng)絡架構(gòu)、關鍵技術和典型應用場景。但是缺乏整體介紹引入邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、不同層次邊緣計算的技術方案，以及邊緣計算在實際應用中遇到的問題。本文基于此，開展進一步的介紹、分析和總結(jié)。

2 引入邊緣計算的物聯(lián)網(wǎng)

如圖1所示，在物聯(lián)網(wǎng)的端、網(wǎng)、云三層引入邊緣計算，形成端邊緣、網(wǎng)邊緣和云邊緣三類物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算：

（1）端邊緣，在端層引入邊緣計算，提供數(shù)據(jù)本地解析、分析、決策和設備聯(lián)動等服務。

（2）網(wǎng)邊緣，在網(wǎng)層引入邊緣計算，提供數(shù)據(jù)分流、IaaS、PaaS和SaaS級的數(shù)據(jù)或應用服務。

（3）云邊緣，云層引入邊緣計算，負責云服務間的數(shù)據(jù)協(xié)同、解析和交互等公共服務。

通常情況下，端邊緣由物聯(lián)網(wǎng)服務商提供，網(wǎng)邊緣由電信運營商提供，云邊緣則由云計算服務商提供。

2.1 端邊緣

物聯(lián)網(wǎng)的端邊緣技術方案如圖2所示。物聯(lián)網(wǎng)設備（攝像頭、門禁、空氣監(jiān)測儀、水質(zhì)監(jiān)測器等）通過藍牙、NFC、ZigBee、Wi-Fi和有線等方式接入邊緣網(wǎng)關，邊緣網(wǎng)關提供網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)采集、設備控制以及邊緣服務，云端提供邊緣網(wǎng)關管理（邊緣網(wǎng)關的升級優(yōu)化、參數(shù)配置、資源分配和服務部署等）、物聯(lián)網(wǎng)云服務。邊緣網(wǎng)關提供的邊緣服務包括但不限于：

（1）本地暫存，數(shù)據(jù)緩存在本地，通信網(wǎng)絡恢復時再次上報，防止數(shù)據(jù)丟失。

（2）本地聯(lián)動，基于規(guī)則實現(xiàn)快速控制本地設備（比如，氨氣濃度過高，啟動風機通風），以及本地設備間的快速聯(lián)動（比如，開門和開燈聯(lián)動），防止斷網(wǎng)時設備云端控制、云端聯(lián)動無法執(zhí)行。

（3）數(shù)據(jù)分析，使用數(shù)據(jù)過濾、聚合計算、異常檢測、數(shù)據(jù)排序等技術分析流式數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)過濾、清洗、加工、聚合、質(zhì)量優(yōu)化（剔除壞數(shù)據(jù)）后再上云，減少數(shù)據(jù)傳輸成本和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化；

（4）數(shù)據(jù)分發(fā)，基于預定義規(guī)則、路由信息和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至其它設備、邊緣網(wǎng)關。

（5）協(xié)議適配，網(wǎng)絡協(xié)議的自動轉(zhuǎn)換，以及對數(shù)據(jù)格式進行標準化處理（比如，按照模板將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指定格式）。

（6）安全服務，包括身份安全、數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡安全和系統(tǒng)安全四方面，由于邊緣網(wǎng)關計算能力有限，安全服務要求輕量化。身份安全，主要是海量設備接入的身份認證；數(shù)據(jù)安全，包括數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)防篡改、數(shù)據(jù)脫敏等；網(wǎng)絡安全，包括網(wǎng)絡異常行為識別、DDoS防護等；系統(tǒng)安全，包括進程異常檢測、異常事件監(jiān)測等。

2.2 網(wǎng)邊緣

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)邊緣服務，目前多指移動邊緣計算（MEC）服務。MEC服務的部署形態(tài)，除了文獻同提出的4G網(wǎng)絡下MEC服務器以獨立設備部署在無線接入網(wǎng)（RAN）側(cè)、4G網(wǎng)絡下MEC服務器與PGW部署、4G網(wǎng)絡下MEC服務器和DGW部署和5G MEC四種形態(tài)之外，還有固移融合接入的MEC。目前，大力推進的只有5G MEC，固移融合接入的MEC正在探索實踐中，其它部署形態(tài)的MEC業(yè)界關注較少。

5G MEC結(jié)合UPF的邊緣技術方案如圖3所示，是目前電信運營商正在推廣和試點的5G MEC方案。此方案中，MEC管理平臺負責MEC服務管理、服務部署和規(guī)則配置；MEC服務負責提供IaaS、PaaS、SaaS級的數(shù)據(jù)和應用服務；邊緣UPF負責按照MEC管理平臺配置的數(shù)據(jù)分流規(guī)則，將流量轉(zhuǎn)發(fā)至MEC服務；通過三個步驟為用戶提供服務：

（1）MEC應用部署，MEC管理平臺為用戶分配MEC服務能力，并將用戶應用部署到MEC服務上。

（2）分流規(guī)則配置，用戶在MEC管理平臺上配置分流規(guī)則，經(jīng)PCF、SMF，下發(fā)到邊緣UPF。

（3）數(shù)據(jù)分流，邊緣UPF根據(jù)分流規(guī)則，將本地數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到MEC服務或集中UPF；MEC服務處理完數(shù)據(jù)以后，直接響應或通過SD-WAN，入云專線將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。

2.3 云邊緣

云邊緣，業(yè)界研究較少。本文認為云邊緣是云服務在邊緣側(cè)的延伸，邏輯上仍是云服務，提供的能力依賴于云服務或需要與云服務緊密協(xié)同。其提供的服務包括多維多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、基于輕量深度學習的模型訓練、圖像識別、視頻識別等。

3 對比分析

端邊緣、網(wǎng)邊緣和云邊緣是邊緣計算的三種形態(tài)，都是在靠近數(shù)據(jù)源側(cè)提供近端服務；不過它們在服務能力、功能和作用等方面都有所不同，具體如表1所示。端邊緣，服務能力一般，提供的服務側(cè)重于設備管理、數(shù)據(jù)本地預處理，可以看作是設備能力的擴展。網(wǎng)邊緣，服務能力較強，提供類似于云計算的IaaS、PaaS和SaaS服務，可以看作是云服務能力的下沉。云邊緣，服務能力強，提供的是公共云服務，可以看作是云服務能力的前置。

應用場景方面，端邊緣可以廣泛應用到需要采集設備數(shù)據(jù)、控制/聯(lián)動設備和自組網(wǎng)的本地服務場景，比如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的制造自動化，農(nóng)業(yè)的養(yǎng)殖自動化等，適用于本地設備聯(lián)動、本地數(shù)據(jù)清洗和區(qū)域組網(wǎng)；網(wǎng)邊緣更多的是應用到區(qū)域服務場景，比如園區(qū)綜合治理、社區(qū)管理以及車聯(lián)網(wǎng)等，適用于數(shù)據(jù)的區(qū)域治理；云邊緣則偏向于通用的云服務場景，比如視頻融合、消息轉(zhuǎn)發(fā)等，適用于數(shù)據(jù)的云端預處理。

4 發(fā)展挑戰(zhàn)

通過分析，可以看到物聯(lián)網(wǎng)引入邊緣計算，豐富了物聯(lián)網(wǎng)的端、網(wǎng)和云能力，可以為各種場景提供靠近數(shù)據(jù)源的不同層次的服務能力。產(chǎn)業(yè)屆對邊緣計算在消費物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧園區(qū)、智慧城市等領域發(fā)揮重要作用寄予厚望。但是，現(xiàn)階段邊緣計算面臨諸多挑戰(zhàn)，限制了邊緣計算的快速發(fā)展。面臨的挑戰(zhàn)，除了文獻［4］中提出的技術尚未成熟、體積架構(gòu)亟需統(tǒng)一、安全隱私存在挑戰(zhàn)之外，還包括：

（1）收費方式、商業(yè)模式不清晰。國內(nèi)典型的端邊緣服務有百度的智能邊緣BIE和阿里云的物聯(lián)網(wǎng)邊緣服務，前者正在公測，收費方式商業(yè)模式未知；后者暫時不收費，主要是作為一個輔助功能，拉動阿里物聯(lián)網(wǎng)IOT平臺的消息數(shù)量。網(wǎng)邊緣5G MEC的商業(yè)模式，文獻［7］提出了5種商業(yè)模式一“基礎設施資源的方式銷售5G邊緣計算服務”、“以能力開放、按照API的不同性質(zhì)采用不同收費模式”、“直接以應用的方式銷售”、“按照量化指標銷售”以及“與其它電信服務整合銷售”，商業(yè)模式豐富。但現(xiàn)實中，更多的是按照算力和存儲的大小，以及是否需要分流功能探索收費方式。云邊緣服務目前商業(yè)模式比較單一，基本上采用按調(diào)用量收費。

（2）業(yè)務需求不夠強烈。統(tǒng)一的、開放的端邊緣服務目前需求不強，更多的是物聯(lián)網(wǎng)服務商在網(wǎng)關里自實現(xiàn)端邊緣的數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)清洗、協(xié)議適配和本地聯(lián)動等服務中的若干項；并且端邊緣提供的服務，能力較弱，難以滿足不同行業(yè)的數(shù)據(jù)處理要求。5G MEC服務可以應用到物聯(lián)網(wǎng)領域的智慧園區(qū)、智慧社區(qū)等場景，但實際上社區(qū)、園區(qū)可能僅僅需要邊緣UPF將流量導到自建的邊緣服務器，而不是電信運營商提供的5G MEC。云邊緣的場景不夠豐富，并且其本質(zhì)上是云服務，邊緣作用體現(xiàn)不夠強。此外，邊緣計算可以應用到計算密集型應用（AR/VR）、車聯(lián)網(wǎng)等場景，但是AR/VR、車聯(lián)網(wǎng)等新型場景本身正處于摸索發(fā)展階段，邊緣計算需求不強。

（3）基礎設施建設存在困難。主要是針對網(wǎng)邊緣，包括：機房規(guī)模、供電等條件參差不齊，機房改造困難；機房改造需跟邊緣計算設備、通用硬件協(xié)同，改造流程復雜邊緣服務器的網(wǎng)絡與機房管理能力參差不齊，管理難度大。

5 結(jié)束語

關于邊緣計算在物聯(lián)網(wǎng)中的應用，本文提出“端邊緣”“網(wǎng)邊緣”和“云邊緣”三類邊緣概念，給出三類邊緣服務的方案，分析它們的能力、功能和應用場景，并總結(jié)實際應用中遇到的問題。通過研究分析，我們可以發(fā)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在端網(wǎng)云引入邊緣計算，物聯(lián)網(wǎng)的計算能力、數(shù)據(jù)處理能力將不斷豐富、不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)場景也將越來越智能化、高效化。但是，目前邊緣計算存在商業(yè)模式不清晰、業(yè)務需求不夠強和基礎設施建設難等方面的問題。只有產(chǎn)業(yè)界共同努力解決這些問題，邊緣計算方能在萬物互聯(lián)時代大顯身手。