工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)（邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)）練習(xí)題及參考答案

目錄第1章邊緣計(jì)算概述 1第2章邊緣計(jì)算基本架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù) 20第3章邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) 40第4章邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)——開放性 56第5章邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)——可維護(hù)性與可靠性 86第6章邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)——安全性 96第7章邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例 106第8章基于邊緣計(jì)算的實(shí)驗(yàn)室實(shí)時數(shù)據(jù)采集方案 149

第1章邊緣計(jì)算概述選擇題1、以下哪一項(xiàng)不是邊緣計(jì)算產(chǎn)生的背景原因？

A.云計(jì)算模型在處理海量數(shù)據(jù)時面臨高時延挑戰(zhàn)。

B.物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

C.對數(shù)據(jù)隱私和可靠性保護(hù)的需求日益增長。

D.傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已完全滿足新興應(yīng)用的需求。2、邊緣計(jì)算中的“邊緣”指的是：

A.互聯(lián)網(wǎng)中所有的主機(jī)集合。

B.靠近用戶終端或數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡(luò)部分。

C.云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的邊緣服務(wù)器。

D.僅指智能手機(jī)和智能家居網(wǎng)關(guān)簡答題1、請簡述邊緣計(jì)算的定義及其產(chǎn)生的三個主要背景原因。2、邊緣計(jì)算中的“邊緣”是一個相對概念，請舉例說明其相對性。3、請比較邊緣計(jì)算與云計(jì)算、分布式計(jì)算、大數(shù)據(jù)之間的異同點(diǎn)。4、邊緣計(jì)算具有哪些主要特點(diǎn)？請至少列舉并解釋其中三個。簡答題參考答案選擇題

1.B2.D

簡答題1、邊緣計(jì)算是在網(wǎng)絡(luò)邊緣給用戶提供IT服務(wù)環(huán)境以及云計(jì)算能力的分布式開放平臺。主要背景原因包括：云計(jì)算的局限性：隨著物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展和新興應(yīng)用（如無人駕駛、AR/VR、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）的出現(xiàn)，云端數(shù)據(jù)量大大增加，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延增加，難以滿足時延敏感應(yīng)用的需求。海量數(shù)據(jù)傳輸壓力：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大（例如，到2019年，人和物產(chǎn)生的總數(shù)據(jù)量已達(dá)到500ZB），如果全部傳輸?shù)皆品?wù)器處理和存儲，會給整個網(wǎng)絡(luò)帶來巨大壓力。對低時延、高帶寬、隱私保護(hù)和可靠性的需求：新興應(yīng)用對這些方面提出了更高的要求，而單純依靠云計(jì)算模型難以滿足。2、邊緣計(jì)算中的“邊緣”是相對概念，指從數(shù)據(jù)源到云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)路徑上的任意計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)以及存儲資源。例如：智能手機(jī)是人和云之間的邊緣。智能家居網(wǎng)關(guān)是家居設(shè)備和云之間的邊緣。微型數(shù)據(jù)中心或微云是移動設(shè)備和云之間的邊緣。3、邊緣計(jì)算與云計(jì)算：相同點(diǎn)：兩者本質(zhì)上都是處理海量數(shù)據(jù)的一種計(jì)算方式。邊緣計(jì)算是云計(jì)算的補(bǔ)充和延伸，需要云計(jì)算中心的強(qiáng)大計(jì)算能力和海量存儲能力支撐；云計(jì)算中心也需要邊緣計(jì)算模型對海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，以滿足低時延、隱私保護(hù)、低功耗等需求。不同點(diǎn)：計(jì)算發(fā)生位置不同。邊緣計(jì)算執(zhí)行計(jì)算的位置在邊緣，更適合實(shí)時數(shù)據(jù)分析和智能化處理，更高效安全；云計(jì)算則在云端處理和分析數(shù)據(jù)，側(cè)重集中式大數(shù)據(jù)處理。邊緣計(jì)算與分布式計(jì)算：相同點(diǎn)：邊緣計(jì)算是分布式計(jì)算的一種形式。不同點(diǎn)：分布式計(jì)算的核心是將計(jì)算任務(wù)分解給更多計(jì)算節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成；邊緣計(jì)算的核心是將計(jì)算任務(wù)朝數(shù)據(jù)端遷移，利用靠近數(shù)據(jù)源的邊緣端完成運(yùn)算，減少大量數(shù)據(jù)上傳到云端的需求。邊緣計(jì)算與大數(shù)據(jù)：關(guān)系：邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力是大數(shù)據(jù)技術(shù)。大數(shù)據(jù)必然無法用單臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，必須采用分布式計(jì)算架構(gòu)；大數(shù)據(jù)技術(shù)必須依托云計(jì)算的分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫、云存儲和虛擬化技術(shù)。云計(jì)算平臺為大數(shù)據(jù)提供了各種服務(wù)支撐，大數(shù)據(jù)驅(qū)動了云計(jì)算的發(fā)展。邊緣計(jì)算可對龐大的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，過濾臨時數(shù)據(jù)，保護(hù)隱私，從而緩解大數(shù)據(jù)傳輸和處理壓力。4、邊緣計(jì)算作為分布式開放平臺，具有以下主要特點(diǎn)：可擴(kuò)展性：指系統(tǒng)處理變化的應(yīng)用請求的能力。通過快速增加軟硬件資源滿足新增需求，更容易滿足用戶對時延和吞吐量的更高要求。協(xié)同執(zhí)行：包括邊緣與云的協(xié)同（邊緣設(shè)備處理計(jì)算量小的任務(wù)，云處理計(jì)算量大的任務(wù)）和邊緣設(shè)備與邊緣設(shè)備的協(xié)同（將多余計(jì)算任務(wù)遷移至其他邊緣設(shè)備執(zhí)行，降低時延，提高性能）。實(shí)時響應(yīng)：邊緣計(jì)算興起的最大原因，旨在縮短處理時延。“靠近”體現(xiàn)在空間距離和網(wǎng)絡(luò)距離都較短，使得邊緣設(shè)備能快速響應(yīng)終端服務(wù)請求，減少網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定因素影響。位置感知：邊緣設(shè)備與終端設(shè)備通常處在同一局域網(wǎng)中，甚至路由器或網(wǎng)關(guān)就是邊緣設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)距離縮短使得基于位置的服務(wù)（LBS）成為可能，邊緣設(shè)備還能感知網(wǎng)絡(luò)狀況，動態(tài)提供服務(wù)。第2章邊緣計(jì)算基本架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)選擇題1、邊緣計(jì)算領(lǐng)域，多接入邊緣計(jì)算（MEC）主要致力于解決以下哪個問題？

A.實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)分析和挖掘。

B.為移動終端和用戶減少延遲。

C.建立跨行業(yè)的統(tǒng)一物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

D.降低云計(jì)算中心的運(yùn)營成本。2、5G技術(shù)的三大應(yīng)用場景不包括：

A.增強(qiáng)型移動寬帶(eMBB)B.海量機(jī)器類通信(mMTC)C.超可靠低時延通信(uRLLC)D.太空星際通信(SIC)簡答題1、邊緣計(jì)算領(lǐng)域業(yè)界普遍認(rèn)可的三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是哪些？請簡述它們在部署位置、應(yīng)用場景和實(shí)時交互方面的異同。2、請闡述5G技術(shù)的三大應(yīng)用場景及其各自特點(diǎn)，并說明5G技術(shù)如何支撐邊緣計(jì)算發(fā)展。3、請?jiān)敿?xì)解釋計(jì)算卸載的概念，并根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)將其進(jìn)行分類。在實(shí)際應(yīng)用中，如何進(jìn)行計(jì)算卸載的決策？4、邊緣計(jì)算資源管理主要解決什么問題？請列舉當(dāng)前該領(lǐng)域研究的幾個優(yōu)化指標(biāo)或方向。參考答案選擇題

1.D2.B

簡答題業(yè)界普遍認(rèn)可的三種邊緣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是多接入邊緣計(jì)算（MEC）、霧計(jì)算和微云（Cloudlet）。它們的基本模型一致，都是“端-邊-云”結(jié)構(gòu)。部署位置：MEC、微云和霧計(jì)算都位于終端和云端之間，可與接入點(diǎn)、基站、流量匯聚點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)等共址。微云側(cè)重移動和計(jì)算，還可以直接部署到移動設(shè)備上（如車輛、飛機(jī)）。應(yīng)用場景：MEC主要致力于為應(yīng)用降低時延，適合物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、AR/VR等。微云側(cè)重計(jì)算服務(wù)，主要針對移動設(shè)備，適用于移動增強(qiáng)型應(yīng)用及物聯(lián)網(wǎng)等。霧計(jì)算依賴智能網(wǎng)關(guān)和路由器等，應(yīng)用于需要分布式計(jì)算和存儲的物聯(lián)網(wǎng)場景，可應(yīng)用于移動和非移動設(shè)備。實(shí)時交互：MEC只提供終端從一個邊緣節(jié)點(diǎn)移動到另一個邊緣節(jié)點(diǎn)時的移動性管理。微云提供虛擬機(jī)鏡像從一個邊緣節(jié)點(diǎn)到另一個邊緣節(jié)點(diǎn)切換的支持。霧計(jì)算完全支持霧節(jié)點(diǎn)分布式應(yīng)用之間的通信。5G技術(shù)的三大應(yīng)用場景為：增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）：實(shí)現(xiàn)10Gbit/s傳輸速率，為用戶提供超高清視頻、VR/AR等身臨其境的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。海量機(jī)器類通信（mMTC）：以每平方千米百萬設(shè)備連接技術(shù)，支撐智慧城市、智能樓宇等海量設(shè)備接入與互聯(lián)。超可靠低時延通信（uRLLC）：憑借超低時延、超高可靠性等技術(shù)優(yōu)勢，深入車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等垂直行業(yè)，提升運(yùn)營效率。5G技術(shù)支撐邊緣計(jì)算發(fā)展體現(xiàn)在：契合邊緣計(jì)算需求：邊緣計(jì)算通過對高帶寬業(yè)務(wù)的本地分流，降低核心網(wǎng)占用，提升網(wǎng)絡(luò)利用率；通過內(nèi)容和計(jì)算能力下沉，有效支撐未來時延敏感型及大計(jì)算、高處理能力需求的業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化：5G將控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，轉(zhuǎn)發(fā)面網(wǎng)關(guān)可下沉到無線側(cè)，與邊緣計(jì)算結(jié)合，實(shí)現(xiàn)低時延、高帶寬、均負(fù)載海量業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)切片：5G網(wǎng)絡(luò)切片通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，按需構(gòu)建端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)，為差異化服務(wù)提供特定操作，與邊緣計(jì)算共同實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)本地處理，減小核心網(wǎng)開銷，降低時延。推動物聯(lián)網(wǎng)普及：5G加快物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，而物聯(lián)網(wǎng)更大范圍的覆蓋又推動邊緣計(jì)算盡快成形成熟，兩者相輔相成，共同實(shí)現(xiàn)人類生產(chǎn)生活飛躍。計(jì)算卸載是將用戶設(shè)備（UE）的一部分或全部計(jì)算任務(wù)遷移至邊緣設(shè)備處執(zhí)行的技術(shù)。分類依據(jù)：卸載時間：靜態(tài)卸載（任務(wù)執(zhí)行前決策好卸載量和模塊）和動態(tài)卸載（根據(jù)程序運(yùn)行和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)實(shí)時調(diào)整策略）。卸載程度：全部卸載（全部任務(wù)卸載）和部分卸載（部分任務(wù)卸載，本地執(zhí)行可視為全部卸載變種）。卸載目標(biāo)數(shù)：單點(diǎn)卸載（卸載至單個邊緣設(shè)備）和多點(diǎn)卸載（任務(wù)切分給多個邊緣設(shè)備集群并行執(zhí)行）。計(jì)算卸載的決策：卸載決策是UE決定是否卸載、卸載多少以及卸載什么的問題。這涉及選擇全部卸載還是部分卸載。決策過程通常包括三步：代碼解析器：確定什么可以卸載，取決于應(yīng)用程序類型和代碼數(shù)據(jù)分區(qū)。系統(tǒng)解析器：監(jiān)控各種參數(shù)，如可用帶寬、UE剩余能量、卸載數(shù)據(jù)量大小、本地執(zhí)行功耗成本等。決策引擎：根據(jù)前兩步結(jié)果和不同服務(wù)的性能要求，制定優(yōu)化目標(biāo)（如降低時延、減少能耗或權(quán)衡兩者），最終決定是否卸載及卸載多少。邊緣計(jì)算資源管理主要解決的問題是如何分配計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源給卸載任務(wù)并讓時延和能耗最小。當(dāng)前該領(lǐng)域研究的優(yōu)化指標(biāo)或方向主要集中在能耗、延時等指標(biāo)的優(yōu)化上：聯(lián)合調(diào)度算法：協(xié)調(diào)分配無線電資源和計(jì)算資源，接納更多卸載請求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。聯(lián)合優(yōu)化問題：最小化總體用戶能量消耗，同時滿足延遲約束。層次模型：在終端設(shè)備、邊緣云、云層三個層次級別中提供計(jì)算資源，分配通信資源以滿足用戶QoS要求。能量感知移動性管理：在用戶長期能耗限制下優(yōu)化無線接入和計(jì)算兩者的延遲。在線聯(lián)合無線電和計(jì)算資源管理算法：最小化移動設(shè)備和MEC服務(wù)器的長期平均加權(quán)和功耗?；跁r間約束服務(wù)SLA的虛擬機(jī)調(diào)度決策：保證服務(wù)提供商之間的公平，最大化物理基礎(chǔ)設(shè)施所有者的收益。計(jì)算任務(wù)調(diào)度策略：基于任務(wù)緩沖器排隊(duì)狀態(tài)、本地處理單元執(zhí)行狀態(tài)及傳輸單元狀態(tài)，設(shè)計(jì)功率約束延遲最小化問題，找到最優(yōu)任務(wù)調(diào)度策略。。第3章邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)選擇題1、以下哪項(xiàng)能力是邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間最大的區(qū)別？

A.協(xié)議轉(zhuǎn)換能力B.設(shè)備管理能力C.廣泛連接能力D.智能實(shí)時處理能力2、在邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的CROSS能力要求中，“Real-Time”主要強(qiáng)調(diào)什么？

A.網(wǎng)關(guān)的計(jì)算能力擴(kuò)展性。

B.網(wǎng)關(guān)對多協(xié)議的兼容性。

C.網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)處理上的低時延和實(shí)時響應(yīng)。

D.網(wǎng)關(guān)對多種硬件接口的支持。簡答題1、請解釋網(wǎng)關(guān)的概念，并將其與路由器進(jìn)行比較。同時，列舉網(wǎng)關(guān)的三種主要分類并簡要說明其功能。2、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)具備哪些核心能力？其中哪項(xiàng)能力是它與普通物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的最大區(qū)別？3、在設(shè)計(jì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)時，通常需要遵循哪些主要步驟？4、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的CROSS能力要求包含哪幾個方面？請?jiān)敿?xì)闡述其中“實(shí)時性處理能力（Real-Time）”的特點(diǎn)和優(yōu)勢。參考答案選擇題

1.D2.C

簡答題1、網(wǎng)關(guān)是一個網(wǎng)絡(luò)連接另一個網(wǎng)絡(luò)的“關(guān)口”，連接不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)。與路由器的區(qū)別：網(wǎng)關(guān)在不同協(xié)議間移動數(shù)據(jù)，路由器則在不同網(wǎng)絡(luò)間移動數(shù)據(jù)。路由器只能連接類似的網(wǎng)絡(luò)（例如IP網(wǎng)絡(luò)），而網(wǎng)關(guān)可以連接完全不同的網(wǎng)絡(luò)，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都不同的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)按功能大致分為三類：協(xié)議網(wǎng)關(guān)：在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，例如消除IEEE802.3、IEEE802.11等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議差異，實(shí)現(xiàn)非IP和IP的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用網(wǎng)關(guān)：為專門應(yīng)用設(shè)置，實(shí)現(xiàn)特定服務(wù)中數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，如語音網(wǎng)關(guān)。安全網(wǎng)關(guān)：最常用的是包過濾器，通過過濾數(shù)據(jù)包的原地址、目的地址、端口號和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行授權(quán)，保護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)。2、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的四大核心能力如下：協(xié)議轉(zhuǎn)換能力：實(shí)現(xiàn)感知層協(xié)議到接入網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一不同感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，封裝下層標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)，并解析上層協(xié)議。設(shè)備管理能力：包括網(wǎng)關(guān)自身管理（注冊、權(quán)限、應(yīng)用）和對連接設(shè)備（節(jié)點(diǎn)ID、狀態(tài)、能耗、屬性、遠(yuǎn)程升級/維護(hù)/控制/診斷/喚醒）的管理。廣泛連接能力：支持Wi-Fi、4G-LTE、RS232、RS485、CAN等多種物聯(lián)網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。智能實(shí)時處理能力：是邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵能力，也是其與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)最大的區(qū)別。它承擔(dān)上行萬物互聯(lián)任務(wù)（終端設(shè)備服務(wù)及內(nèi)容請求）和下行云任務(wù)，具備實(shí)時處理能力以響應(yīng)終端設(shè)備請求。3、設(shè)計(jì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)時，主要遵循以下步驟：確定系統(tǒng)功能與性能：通過需求調(diào)查，確定數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等功能目標(biāo)。確定系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)：選擇物理硬件和相關(guān)外設(shè)，以微控制器或SoC為核心，輔以存儲器和外圍接口電路。邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)最好以SoC作為主控芯片，并確定中央控制芯片型號、存儲器分配、I/O方式和網(wǎng)絡(luò)控制器。4、邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)的CROSS能力要求包括Connection（連接能力）、Real-Time（業(yè)務(wù)實(shí)時性處理能力）、Optimization（數(shù)據(jù)優(yōu)化能力）、Smart（智能能力）和Security（安全能力）。其中，“實(shí)時性處理能力（Real-Time）”的特點(diǎn)和優(yōu)勢如下：背景需求：在“大數(shù)據(jù)”和海量連接的物聯(lián)網(wǎng)場景下，低延遲和低功耗至關(guān)重要。傳統(tǒng)云計(jì)算模式下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫颂幚頃黾酉到y(tǒng)時延，難以滿足工業(yè)系統(tǒng)檢測、控制、執(zhí)行的毫秒級實(shí)時性要求。邊緣計(jì)算模式的優(yōu)勢：網(wǎng)