第1章邊緣計算概述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)（邊緣計算網(wǎng)關(guān)）1.1邊緣計算的基本概念1.2邊緣計算的相關(guān)知識1.3邊緣計算的發(fā)展歷程學(xué)習(xí)要點1.

什么是邊緣計算邊緣計算是在網(wǎng)絡(luò)邊緣給用戶提供IT服務(wù)環(huán)境以及云計算能力的分布式開放平臺?！斑吘墶边吘売嬎阒械摹斑吘墶边吘売嬎阒械倪吘墑t是相對的概念，是指從數(shù)據(jù)源到云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)路徑上的任意計算、網(wǎng)絡(luò)以及存儲資源。計算機網(wǎng)絡(luò)的“邊緣”計算機網(wǎng)絡(luò)中的邊緣是指互聯(lián)網(wǎng)中的所有主機的集合。1.

什么是邊緣計算邊緣設(shè)備是給終端設(shè)備提供邊緣服務(wù)的設(shè)備，也可稱為邊緣服務(wù)器、邊緣節(jié)點。一組獨立的邊緣設(shè)備的集合又被稱為邊緣云（EdgeCloud），而云計算平臺則被稱為遠(yuǎn)端云（RemoteCloud）。邊緣服務(wù)器的部署位置視情況而定。以移動網(wǎng)絡(luò)為例，對于對時延要求苛刻的場景，需要將邊緣服務(wù)器部署在終端設(shè)備現(xiàn)場；對于對時延要求相對寬松，并需要大數(shù)據(jù)分析的場景，可以將邊緣服務(wù)器部署在基站的位置。AB邊緣計算是云計算的補充和延伸，能實現(xiàn)智能化的實時數(shù)據(jù)處理以及隱私保護等功能。邊緣計算模型需要云計算中心的強大計算能力以及海量存儲能力，云計算中心也需要邊緣計算模型對海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，從而滿足低時延、隱私保護、低功耗等需求。2.邊緣計算的架構(gòu)邊緣計算是指能夠在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計算，以使得計算發(fā)生在靠近數(shù)據(jù)源一側(cè)的新型計算模式。邊緣計算的架構(gòu)如圖

所示。2.邊緣計算的架構(gòu)當(dāng)前業(yè)界普遍承認(rèn)的邊緣計算架構(gòu)有3種。多接入邊緣計算（MEC）多接入邊緣計算最初由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）于2014年提出，定義為“在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境與云計算能力”。其組成結(jié)構(gòu)包括用戶終端、MEC節(jié)點、云計算中心。霧計算（FogComputing）霧計算是由思科公司在2011年提出的，它是針對物聯(lián)網(wǎng)的一種新型計算架構(gòu)，其組成結(jié)構(gòu)包括終端、霧、云。微云（Cloudlet）微云最早由卡耐基·梅隆大學(xué)提出，主要面向移動設(shè)備，其組成架構(gòu)包括移動終端、微云、云。MEC和微云主要為移動網(wǎng)絡(luò)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境和計算能力，前者更強調(diào)邊緣概念，后者更強調(diào)移動概念。而霧計算則更強調(diào)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用概念。3.邊緣計算的特點1342協(xié)同包括兩方面：邊緣與云的協(xié)同和邊緣設(shè)備與邊緣設(shè)備的協(xié)同。協(xié)同執(zhí)行很多時候，邊緣設(shè)備與終端設(shè)備處在同一個局域網(wǎng)中，甚至局域網(wǎng)路由器或網(wǎng)關(guān)就是邊緣設(shè)備。位置感知邊緣計算的核心理念是“邊緣計算應(yīng)當(dāng)更靠近數(shù)據(jù)源，更靠近用戶”。實時響應(yīng)可擴展性是指系統(tǒng)處理變化的應(yīng)用請求的能力?？蓴U展性1.2.1分布式計算基礎(chǔ)分布式系統(tǒng)01OPTION分布式系統(tǒng)可以定義為一組獨立的，能夠彼此通信的計算設(shè)備的集合，這個集合對于用戶來說就像是單個相關(guān)系統(tǒng)，如我們常用的萬維網(wǎng)（WorldWideWeb，WWW）和域名服務(wù)系統(tǒng)（DomainNameSystem，DNS）都屬于分布式系統(tǒng)。分布式系統(tǒng)中的處理器或?qū)嶓w（通常稱為節(jié)點）隨時處于活動狀態(tài)，節(jié)點有一定的自由度。各節(jié)點都有自己獨立的硬件和軟件。節(jié)點間需要通過相互傳遞消息進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)操作。近幾十年來，分布式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了前所未有的發(fā)展，應(yīng)用在各種各樣的領(lǐng)域中，如互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、云計算或并行計算、多核系統(tǒng)、移動網(wǎng)絡(luò)等。1.2.1分布式計算基礎(chǔ)分布式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)02OPTION客戶端-服務(wù)器架構(gòu)服務(wù)器向許多遠(yuǎn)程客戶端提供服務(wù)，是一對多的形式。客戶進(jìn)程與各服務(wù)器進(jìn)程交互以訪問它們所管理的共享資源。客戶端和服務(wù)器通常遵循“請求-回復(fù)”的信息交互形式。去中心化的P2P架構(gòu)客戶端和服務(wù)器的結(jié)構(gòu)呈水平分布，是多對多的形式。這個架構(gòu)中的所有節(jié)點扮演相同的角色，作為對等者協(xié)同交互，在沒有任何客戶與服務(wù)器差別的情況下執(zhí)行分布式存儲或計算操作。由于系統(tǒng)中節(jié)點進(jìn)程間的交互是對稱的，即每個進(jìn)程既是客戶同時也是服務(wù)器，因此該系統(tǒng)又稱為點對點系統(tǒng)。在點對點系統(tǒng)中，若節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，則主機進(jìn)程間的消息路由可利用分布式哈希表技術(shù)（如Chord協(xié)議等）來進(jìn)行資源定位；若節(jié)點組織為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)，則可借助鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（如OSPF協(xié)議等）來更新本地的路由表。1.2.1分布式計算基礎(chǔ)分布式計算03OPTION分布式計算，顧名思義，就是在分布式系統(tǒng)上執(zhí)行的計算。分布式計算本質(zhì)上就是基于網(wǎng)絡(luò)“分而治之”概念的計算方式。分布式計算包含同構(gòu)計算和異構(gòu)計算兩種。完成同構(gòu)計算的節(jié)點類型相同；異構(gòu)計算則由不同類型的節(jié)點（可能具有不同的功能、目標(biāo)等）完成。節(jié)點可以通過各種消息傳遞協(xié)議進(jìn)行直接通信，也可以通過共享存儲手段來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。1.2.1分布式計算基礎(chǔ)分布式計算系統(tǒng)設(shè)計04OPTION分布式計算不僅限于兩個節(jié)點之間的交互，它往往需要多個節(jié)點合作來實現(xiàn)共同目標(biāo)，這使分布式計算更加復(fù)雜化。分布式計算的難點主要在于如何在部分節(jié)點出現(xiàn)故障的情況下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的一致性和整個系統(tǒng)的可用性，所以設(shè)計分布式系統(tǒng)時要著重考慮以下3點。容錯性如果系統(tǒng)能夠容忍故障的發(fā)生并能從故障中恢復(fù)過來，則稱該系統(tǒng)具有容錯性。故障一般分為崩潰性故障、遺漏性故障、定時性故障、響應(yīng)性故障、拜占庭故障等類型。1一致性一致性模型實質(zhì)上是進(jìn)程和數(shù)據(jù)存儲之間的一個約定。即如果進(jìn)程同意遵守某些規(guī)則，那么數(shù)據(jù)存儲將正常運行。一致性模型分為強一致性、弱一致性和最終一致性3種。2安全性需要考慮4種安全威脅：竊聽、中斷、篡改、偽造。一個安全的分布式計算系統(tǒng)需要偵測提供的服務(wù)和數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的異常，并快速處理，使系統(tǒng)恢復(fù)。分布式計算系統(tǒng)的安全性涉及3個方面的問題：通道安全、訪問控制和管理安全。31.2.1分布式計算基礎(chǔ)分布式計算系統(tǒng)設(shè)計04OPTION分布式計算還需要解決3個重要問題：選舉、互斥鎖和共識機制。選舉是在若干節(jié)點中指定單個節(jié)點作為某個任務(wù)的組織者的過程?；コ怄i是一種并發(fā)控制的機制，是為了防止節(jié)點競爭而制定的，即避免兩個節(jié)點同時對同一公共資源進(jìn)行讀寫操作。共識機制則解決多個節(jié)點就單個事務(wù)或事務(wù)集執(zhí)行順序達(dá)成一致的問題。在系統(tǒng)運行過程中，某些節(jié)點可能出錯，因此共識協(xié)議必須具有容錯能力或彈性。1.2.1分布式計算基礎(chǔ)分布式計算系統(tǒng)設(shè)計04OPTION典型的分布式計算系統(tǒng)有如下幾種。信息傳播引擎01信息傳播引擎可以采用發(fā)布-訂閱模式來滿足信息傳播需求。發(fā)布者以通知的形式提供信息，訂閱者通過注冊它們感興趣的通知以接收相關(guān)信息。過程控制系統(tǒng)02過程控制是指通過軟件程序控制等一系列的物理活動，使程序得以準(zhǔn)確執(zhí)行的控制過程。過程控制通常通過應(yīng)用軟件來實現(xiàn)，如控制飛機動態(tài)位置。多用戶協(xié)同工作系統(tǒng)03協(xié)作的分布式應(yīng)用通過共享工作空間來實現(xiàn)有效的合作。用戶通過讀寫操作訪問分布式共享存儲器以存儲和交換信息。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)04分布式數(shù)據(jù)庫中的協(xié)議需要確保所有事務(wù)管理器獲得正在運行的事務(wù)的一致視圖，并可以就這些事務(wù)的序列化方式做出一致的決策。分布式存儲系統(tǒng)05大容量存儲系統(tǒng)把數(shù)據(jù)分配到許多存儲節(jié)點，每個存儲節(jié)點貢獻(xiàn)整個存儲空間的一小部分。用戶訪問數(shù)據(jù)通常涉及聯(lián)系多個節(jié)點，節(jié)點通過錯誤檢測代碼或錯誤校正代碼保護存儲系統(tǒng)免受節(jié)點數(shù)據(jù)丟失或損壞的影響。1.2.2云計算概述云計算的定義01OPTION“云計算”這一名詞自1996年首次出現(xiàn)以來便受到廣泛關(guān)注。隨著該技術(shù)發(fā)展愈發(fā)成熟，其定義也逐漸明確。1.從運營角度來看，云計算是“一種將可伸縮、共享的物理和虛擬資源池以按需自助服務(wù)的方式供應(yīng)和管理，并提供網(wǎng)絡(luò)訪問的模式”。2.根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的定義，云計算是“一種模型，用于實現(xiàn)對可配置計算資源（例如CPU資源、內(nèi)存資源、硬盤資源、網(wǎng)絡(luò)資源等）的共享，實現(xiàn)無處不在的、方便的按需供應(yīng)和訪問，這些資源可以通過最少的管理工作快速配置和發(fā)布”。1.2.2云計算概述云計算的定義01OPTION按需自助服務(wù)云計算具有5個特征廣泛的網(wǎng)絡(luò)訪問資源池化快速彈性可測量的服務(wù)1.2.2云計算概述云計算支撐技術(shù)02OPTION為了能夠讓用戶方便且個性化地使用各種云資源，首先需要對云服務(wù)商的所有設(shè)備進(jìn)行虛擬化。一般而言，其主要任務(wù)有CPU虛擬化、內(nèi)存虛擬化和I/O虛擬化。虛擬化技術(shù)通過設(shè)置一個虛擬化層來實現(xiàn)，該層又被稱作虛擬機監(jiān)視器（VirtualMachineMonitor，VMM）。根據(jù)底層操作系統(tǒng)的角色不同，其實現(xiàn)結(jié)構(gòu)主要分為Hypervisor模型和宿主模型。在Hypervisor模型中，VMM是擴充了虛擬化功能的操作系統(tǒng)；在宿主模型中，VMM是宿主操作系統(tǒng)中獨立的內(nèi)核模塊。同時，云服務(wù)商還需要對虛擬化資源進(jìn)行管理，主要包括對虛擬化資源的監(jiān)控、分配和調(diào)度等。（1）資源虛擬化技術(shù)1.2.2云計算概述云計算支撐技術(shù)02OPTION（2）分布式數(shù)據(jù)存儲技術(shù)布式文件系統(tǒng)分布式文件系統(tǒng)是一種基于網(wǎng)絡(luò)、在多臺設(shè)備上共享文件的系統(tǒng)。它具有高容錯性，即使部分節(jié)點失效，它也可以確保數(shù)據(jù)不丟失。分布式對象存儲系統(tǒng)分布式對象存儲系統(tǒng)主要存儲非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。它可以在存儲數(shù)量增長時更有效地將元數(shù)據(jù)平衡地分布到多個節(jié)點上。分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將物理上分散的多個數(shù)據(jù)庫單元連接起來，在邏輯上形成一個整體，主要用于存儲和處理海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。1.2.2云計算概述云計算支撐技術(shù)02OPTION（3）并行計算技術(shù)云計算的一大優(yōu)勢就是可以將巨大的計算任務(wù)分解，并使用低算力節(jié)點以極低成本完成計算任務(wù)。這就需要使用優(yōu)秀的并行計算方案來驅(qū)動。在云計算環(huán)境中，常用的方案有MapReduce模型和Dryad模型。云計算的關(guān)鍵任務(wù)有以下幾個方面。任務(wù)劃分任務(wù)調(diào)度容錯機制1.2.2云計算概述云計算服務(wù)模式03OPTION云計算的產(chǎn)業(yè)模式主要分為軟件即服務(wù)（SoftwareasaService，SaaS）、平臺即服務(wù)（PlatformasaService，PaaS）和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（InfrastructureasaService，IaaS）3種類型。如圖所示。1.2.2云計算概述云計算服務(wù)模式03OPTION云服務(wù)的3種模式是對資源不同程度的抽象，通過這3種類型的服務(wù)，云服務(wù)商可分別為用戶提供不同層次的服務(wù)。（1）SaaSSaaS是可以提供軟件服務(wù)的一種應(yīng)用模式。在該模式中，用戶通過網(wǎng)絡(luò)請求云端的軟件提供服務(wù)，而無須在本地安裝全部執(zhí)行代碼。用戶通?？赏ㄟ^精簡的客戶端或經(jīng)網(wǎng)頁瀏覽器來訪問云端服務(wù)。主流的SaaS業(yè)務(wù)如右側(cè)所示。1.2.2云計算概述云計算服務(wù)模式03OPTION（2）PaaS云安全的標(biāo)準(zhǔn)化組織云安全聯(lián)盟（CSA）給出的PaaS定義如下：以服務(wù)的方式交付的計算平臺和解決方案包。在該模式中，云服務(wù)商將軟件研發(fā)的平臺做成一種服務(wù)對外提供，如提供虛擬服務(wù)器和操作系統(tǒng)。消費者能控制部署的應(yīng)用程序，也可能控制運行應(yīng)用程序的托管環(huán)境配置，但不掌握操作系統(tǒng)。主流的PaaS業(yè)務(wù)如下所示。公司名稱業(yè)務(wù)名稱業(yè)務(wù)描述GoogleGoogleAppEngine是一個開發(fā)、托管網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的平臺，可在全托管式的平臺上構(gòu)建和部署應(yīng)用AmazonAWSLambda是一項計算服務(wù)，可使用戶無須預(yù)配置或管理服務(wù)器即可運行代碼SHeroku是一個支持多種編程語言的云平臺，它允許開發(fā)者完全基于云來創(chuàng)建，運行應(yīng)用程序MicrosoftAzureAppService可供用戶使用如.NET等常用框架在任意操作系統(tǒng)上快速地創(chuàng)建、部署和運行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用RedHatOpenShift可供用戶創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。開發(fā)者可以使用Git在平臺上發(fā)布自己的web應(yīng)用程序1.2.2云計算概述云計算服務(wù)模式03OPTION（3）IaaSIaaS提供的是基礎(chǔ)設(shè)施層面的服務(wù)。云安全聯(lián)盟給出的IaaS定義如下：消費者能夠獲得處理能力、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其他基礎(chǔ)計算資源，從而可以在其上部署和運行包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用在內(nèi)的任意軟件。在該模式中，消費者可以通過調(diào)用接口或者登錄網(wǎng)頁使用云服務(wù)商提供的基礎(chǔ)計算資源，如處理能力、存儲空間、網(wǎng)絡(luò)組件（防火墻、負(fù)載平衡器）等。常見的IaaS業(yè)務(wù)就是虛擬機的租用服務(wù)。國際IaaS服務(wù)商主要有亞馬遜公司和微軟公司。國內(nèi)IaaS服務(wù)商則主要有阿里巴巴公司、騰訊公司和百度公司等，它們主要提供虛擬機租用服務(wù)。1.2.2云計算概述云計算部署模型04OPTION（1）公有云公有云由第三方提供，用戶可以通過Internet對公有云進(jìn)行使用。多個用戶可以通過云服務(wù)商共享系統(tǒng)資源。使用公有云服務(wù)的成本比較低，甚至有些是免費的。對于一些小企業(yè)來說選擇這種服務(wù)模式有很多好處。1.它們不用花費資金去購買基礎(chǔ)設(shè)備，降低了開發(fā)成本的同時還可以享受很專業(yè)的服務(wù)和豐富的資源。2.它們可以按需申請相應(yīng)的服務(wù)，當(dāng)規(guī)模擴大需要更多的服務(wù)時，直接向云服務(wù)商申請即可。3.當(dāng)有技術(shù)更新時，企業(yè)可以隨時向云服務(wù)商提出升級要求，不用考慮硬件資源的問題。1.2.2云計算概述云計算部署模型04OPTION（2）私有云私有云是為某個用戶或者企業(yè)單獨使用而構(gòu)建的。私有云的運作方式和公有云類似，但企業(yè)必須自己設(shè)計數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備等。企業(yè)可以在私有云上部署它們自己的防火墻，這樣保障了一些關(guān)鍵性數(shù)據(jù)和用戶隱私的安全，缺點是這樣做的成本費用就會很高。1.2.2云計算概述云計算部署模型04OPTION（3）混合云混合云結(jié)合了公有云和私有云兩種服務(wù)模式，利用兩種服務(wù)的優(yōu)點，提供靈活的服務(wù)。對于安全問題，用戶可以將關(guān)鍵的數(shù)據(jù)放在私有云上。當(dāng)數(shù)據(jù)劇增或者私有云負(fù)載過重時，就可以申請公有云服務(wù)。這樣做的缺點是在公有云和私有云共同使用的時候，必須有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，但這樣會增加維護的難度。1.2.2云計算概述云計算存在的問題05OPTION可用性有待提高數(shù)據(jù)的一致性較弱信息保密及法律法規(guī)問題接口標(biāo)準(zhǔn)性較差1.2.2云計算概述云計算的發(fā)展趨勢06OPTION自云計算誕生以來，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)一直以超高的速度發(fā)展。云計算重新定義了服務(wù)模式，軟件即服務(wù)（SaaS）、平臺即服務(wù)（PaaS）和基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）的采用率將以不同的增長率持續(xù)增長。據(jù)Gartner預(yù)計，至2020年底，全球云計算規(guī)模有望達(dá)到3546億美元。目前來看，全球的云計算服務(wù)已經(jīng)被幾家巨型互聯(lián)網(wǎng)公司壟斷，規(guī)模效應(yīng)凸顯。尤其在IaaS領(lǐng)域，市場基本已經(jīng)被瓜分完畢。不過隨著各大云服務(wù)商對開源形成了共識，其各種業(yè)務(wù)的創(chuàng)新性依然高漲，各種新技術(shù)層出不窮。5G移動云計算機器學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)1.2.3大數(shù)據(jù)概述大數(shù)據(jù)的由來01OPTION由于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高速擴張，人們越來越多地使用更多的應(yīng)用來解決自己的問題。隨之而來的就是人們在網(wǎng)絡(luò)中留下的痕跡越來越多，從而產(chǎn)生了各種類型的海量數(shù)據(jù)，如郵件數(shù)據(jù)、圖片、視頻、物聯(lián)網(wǎng)收集的數(shù)據(jù)等。當(dāng)前，企業(yè)常用的數(shù)據(jù)量級已經(jīng)從TB級變成了PB、EB甚至ZB級。此外，在Instagram上，用戶每天共分享9500萬張照片和視頻；Twitter用戶每天共發(fā)送5億條信息。由此，大數(shù)據(jù)（BigData）一詞誕生了，它被用來描述和定義信息爆炸時代產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。類型繁多，包含各種數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)量特別大，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理手段無法處理。價值密度低，因為數(shù)據(jù)量過大，冗雜信息和無用信息就多，需要利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)過濾和提純。數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快，有效時間短。1.2.3大數(shù)據(jù)概述大數(shù)據(jù)的由來01OPTION結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以MySQL這種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理的數(shù)據(jù)，就是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)沒有固定模式的數(shù)據(jù)，比如大多數(shù)多媒體數(shù)據(jù)半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)是非關(guān)系型的，它有基本固定的模式，如一些有格式規(guī)定的文檔（XML、JSON、HTML）等。1231.2.3大數(shù)據(jù)概述大數(shù)據(jù)技術(shù)02OPTION數(shù)據(jù)存儲需要根據(jù)上述不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)選擇不同的存儲方案，也需要考慮數(shù)據(jù)安全和訪問帶寬等因素對存儲方式的影響。數(shù)據(jù)清洗是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理。對于殘缺的數(shù)據(jù)，需要補全；對于錯誤數(shù)據(jù)，需要修正；對于重復(fù)數(shù)據(jù)，需要先確認(rèn)再進(jìn)行整理。數(shù)據(jù)挖掘主要使用機器學(xué)習(xí)、模式識別等算法從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)其中隱藏的知識。比如沃爾瑪超市通過對男性購物數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)。數(shù)據(jù)建模分析指的是將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模來做預(yù)測。一般需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)問題，比如時序數(shù)值預(yù)測問題或分類問題選擇適合的模型。數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)清洗數(shù)據(jù)挖掘數(shù)據(jù)建模分析采集的數(shù)據(jù)主要來自于兩個部分，一是各種智能設(shè)備的傳感器采集的數(shù)據(jù)，如攝像頭采集的視頻、圖像數(shù)據(jù)；二是通過網(wǎng)絡(luò)，如網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲取的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集1.2.3大數(shù)據(jù)概述大數(shù)據(jù)技術(shù)02OPTION目前比較流行的大數(shù)據(jù)處理傳統(tǒng)架構(gòu)是Hadoop和Spark分布式框架。它們都具有如下特點?？缮炜s性好。支持龐大的服務(wù)器集群?？勺x性好。支持容錯，任何節(jié)點宕機不會丟失所處理的計算結(jié)果。分布式處理。數(shù)據(jù)獲取、存儲和處理都是分布式的。并行化?？梢栽诠?jié)點上并行執(zhí)行。1.2.3大數(shù)據(jù)概述大數(shù)據(jù)技術(shù)02OPTIONHadoop計算平臺設(shè)計目標(biāo)是使用簡單的編程模型在跨計算機集群的分布式環(huán)境中存儲和處理大數(shù)據(jù)。它最主要的兩個組成部分是HDFS和apReduce。Hadoop基于Hadoop，用戶可以進(jìn)行更加深入的數(shù)據(jù)挖掘和建模工作。如今，Hadoop已經(jīng)被廣泛用于商業(yè)項目之中。SparkSpark也是人們經(jīng)常提到的一個大數(shù)據(jù)處理的框架。Spark主要關(guān)注對分布式存儲的大數(shù)據(jù)的低延遲處理計算。1231.2.3大數(shù)據(jù)概述大數(shù)據(jù)和云計算03OPTION大數(shù)據(jù)和云計算的相同點在于它們都涉及數(shù)據(jù)存儲和處理服務(wù)，都需要占用大量的存儲和計算資源，因而都要用到海量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)等。隨著數(shù)據(jù)量的遞增、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜程度的增加，相應(yīng)的性能和擴展瓶頸將會越來越大。在這種情況下，云計算所具備的彈性伸縮和動態(tài)調(diào)配、資源虛擬化、按需使用及綠色節(jié)能等基本功能正好契合新型大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的需求。在數(shù)據(jù)量爆發(fā)式增長和對數(shù)據(jù)處理要求越來越高的當(dāng)下，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)和云計算的結(jié)合，才能最大程度上發(fā)揮二者的優(yōu)勢，滿足用戶的需求，帶來更高的商業(yè)價值。（1）大數(shù)據(jù)和云計算的相同點1.2.3大數(shù)據(jù)概述大數(shù)據(jù)和云計算03OPTION（2）大數(shù)據(jù)和云計算的區(qū)別1342大數(shù)據(jù)的對象是數(shù)據(jù)，云計算的對象是互聯(lián)網(wǎng)資源和應(yīng)用等。對象不同大數(shù)據(jù)的價值在于發(fā)掘數(shù)據(jù)的有效信息，云計算則可以大量節(jié)約使用成本。價值不同大數(shù)據(jù)的出現(xiàn)主要是由于用戶和社會各行各業(yè)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)幾何級數(shù)的增長；云計算的出現(xiàn)主要是由于用戶服務(wù)需求的增長，以及企業(yè)處理業(yè)務(wù)的能力的提高。背景不同大數(shù)據(jù)是為了發(fā)掘信息價值，而云計算主要是通過互聯(lián)網(wǎng)管理資源，提供相應(yīng)的服務(wù)。目的不同1.2.4邊緣計算概述邊緣計算的產(chǎn)生背景01OPTION因為云計算模型并不能滿足萬物互聯(lián)時代的全部應(yīng)用需求（包括響應(yīng)時延、存儲能力、隱私保護等需求），業(yè)界才提出了邊緣計算的概念。邊緣計算可以在邊緣設(shè)備處對龐大的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。根據(jù)思科公司2015—2020年的全球云指數(shù)報告，2020年全球的設(shè)備會產(chǎn)生600ZB的數(shù)據(jù)，但其中只有少量是關(guān)鍵數(shù)據(jù)，大多數(shù)是臨時數(shù)據(jù)。因此可以過濾掉臨時數(shù)據(jù)，只保留關(guān)鍵數(shù)據(jù)用于分析。1.2.4邊緣計算概述邊緣計算和云計算02OPTION1.2.3.邊緣計算和云計算的本質(zhì)是相同的，都是處理海量數(shù)據(jù)的一種計算方式，只是計算發(fā)生的位置不一樣：邊緣計算執(zhí)行計算的位置在邊緣，云計算則在云端。邊緣計算是云計算的延伸和擴展，邊緣計算需要云計算的強大計算能力及海量存儲能力的支撐；云計算中心也需要邊緣計算模型對海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，從而滿足低時延、隱私保護、低功耗等需求。云計算側(cè)重在云端處理和分析數(shù)據(jù)，而邊緣計算則側(cè)重在邊緣設(shè)備處理和分析數(shù)據(jù)，更適合實時的數(shù)據(jù)分析和智能化處理，更加高效而且安全。5G1.2.4邊緣計算概述邊緣計算和云計算02OPTION邊緣計算和云計算之間的協(xié)同主要體現(xiàn)在以下幾個方面。連接協(xié)同數(shù)據(jù)協(xié)同管理協(xié)同安全協(xié)同1.2.4邊緣計算概述邊緣計算和云計算02OPTION邊緣計算具有以下優(yōu)勢。321實時性數(shù)據(jù)聚合性在邊緣節(jié)點可以完成智能性網(wǎng)絡(luò)中的大量功能1.3.1分布式數(shù)據(jù)庫分布式存儲面臨的需求比較復(fù)雜，大致可以分為以下3類。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括文檔、文本、圖像、圖片、音頻和視頻信息等。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)一般存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，可以用二維表結(jié)構(gòu)來表示。半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)介于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)之間，如HTML文檔、JSON文檔、XML文檔都屬于半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。1231.3.1分布式數(shù)據(jù)庫分布式數(shù)據(jù)庫屬于分布式存儲的一部分，分為兩類：12關(guān)系型數(shù)據(jù)庫非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，典型的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫包括Oracle、MySQL、PostgreSQL等。非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫多存儲半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，在NoSQL里比較有名的有Redis、HBase等。分布式數(shù)據(jù)庫和邊緣計算最大的區(qū)別就是分布式數(shù)據(jù)庫只為大數(shù)據(jù)處理提供了存儲能力，但是沒有提供計算能力。1.3.2內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（ContentDeliveryNetwork，CDN）是構(gòu)建在計算機網(wǎng)絡(luò)之上的用于內(nèi)容分發(fā)的網(wǎng)絡(luò)。CDN依靠部署在各地的邊緣服務(wù)器，通過中心平臺的負(fù)載均衡、內(nèi)容分發(fā)、調(diào)度等功能模塊，使用戶就近獲取所需內(nèi)容。CDN的基本原理是廣泛采用各種緩存服務(wù)器，將這些緩存服務(wù)器部署到用戶訪問相對集中的地區(qū)或網(wǎng)絡(luò)中，在用戶訪問網(wǎng)站時，利用全局負(fù)載技術(shù)將用戶的訪問指向距離最近的工作正常的緩存服務(wù)器，由緩存服務(wù)器直接響應(yīng)用戶請求。CDN被認(rèn)為是早期的邊緣計算。但是和現(xiàn)在的邊緣計算不同的是，其邊緣節(jié)點僅限于CDN服務(wù)器?，F(xiàn)在的邊緣節(jié)點的類型眾多，有網(wǎng)關(guān)、個人計算機（PC）、路由器、手機等。CDN功能單調(diào)，節(jié)點只負(fù)責(zé)靜態(tài)內(nèi)容分發(fā)。邊緣計算節(jié)點則是在邊緣提供云計算能力和IT服務(wù)環(huán)境的設(shè)備。1.3.3對等網(wǎng)絡(luò)對等（P2P）網(wǎng)絡(luò)是一種在對等者（Peer）之間分配任務(wù)和工作負(fù)載的分布式應(yīng)用架構(gòu)，是對等計算模型在應(yīng)用層形成的一種組網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)形式。在P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，彼此連接的多臺計算機相互都處于平等地位，無主從之分，每臺計算機既可以充當(dāng)服務(wù)器，又能充當(dāng)客戶端，共享它們擁有的一部分計算機資源。P2P模型和邊緣計算模型很像，但是P2P模型沒有考慮云計算中心，總計算能力偏小，很難支持智能化大數(shù)據(jù)場景。1.3.4微云微云是由卡耐基·梅隆大學(xué)在2009年提出的針對移動設(shè)備的邊緣計算架構(gòu)。相比于后來的MEC，微云更強調(diào)移動性。微云不僅可以和接入點、基站、網(wǎng)關(guān)等組件共址，還可以直接運行在車輛、飛機等終端上。微云的架構(gòu)為“終端-微云-云”，是一種位于互聯(lián)網(wǎng)邊緣的用于增強移動性的小型云數(shù)據(jù)中心。其主要目的是通過為移動設(shè)備提供額外的計算能力來支持更多計算密集型和交互式的移動應(yīng)用。1.3.5霧計算霧計算是思科公司于2011年提出的針對物聯(lián)網(wǎng)場景的邊緣計算架構(gòu)，其架構(gòu)為“終端-霧-云”。霧計算使用邊緣設(shè)備，以分布式架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，或進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸通信，進(jìn)行相關(guān)分布式控制或管理。通常霧計算節(jié)點性能并不強，只是一些性能較弱的通用計算設(shè)備。1.3.6多接入邊緣計算多接入邊緣計算（MEC）由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（ETSI）于2014年提出。它是移動邊緣計算的擴展。原本移動邊緣計算僅限于在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣提供云計算能力與IT服務(wù)環(huán)境，多接入邊緣計算則將邊緣計算能力從移動網(wǎng)絡(luò)延伸至Wi-Fi、PSTM等接入網(wǎng)絡(luò)。MEC也是5G的一項關(guān)鍵支撐技術(shù)。本章主要介紹了邊緣計算的基本概念、相關(guān)知識及發(fā)展歷程。了解這些邊緣計算的基礎(chǔ)知識會為后續(xù)邊緣計算技術(shù)的學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(chǔ)。小結(jié)第2章邊緣計算基本架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)（邊緣計算網(wǎng)關(guān)）2.1邊緣計算基本架構(gòu)2.2邊緣計算關(guān)鍵技術(shù)學(xué)習(xí)要點2.1.1移動邊緣計算移動邊緣計算（MEC）是位于云和移動設(shè)備之間的計算層。作為一種新興的生態(tài)系統(tǒng)，MEC旨在融合通信和IT服務(wù)，在無線接入網(wǎng)的邊緣提供云計算平臺。MEC在邊緣提供存儲和計算資源，從而減少了移動終端和用戶的延遲，更有效地利用了移動回程及核心網(wǎng)絡(luò)。MEC支持模塊化、開放的解決方案，提供可編程的生態(tài)系統(tǒng)，改變用戶體驗，同時允許應(yīng)用提供者和第三方獲得客戶更多的信息。2.1.1移動邊緣計算下圖從底層網(wǎng)絡(luò)層、移動邊緣主機層和移動邊緣系統(tǒng)層3個方面描述了MEC架構(gòu)。可以看出該架構(gòu)是一個完整的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括所涉及的實體和功能。2.1.1移動邊緣計算下圖詳細(xì)地展示了MEC框架，主要從移動邊緣主機層和移動邊緣系統(tǒng)層兩個方面進(jìn)行描述。2.1.1移動邊緣計算移動邊緣主機層01OPTIONMEC框架的移動邊緣主機層由移動邊緣主機和移動邊緣平臺管理器組成。移動邊緣平臺管理器對移動邊緣主機和其上的移動應(yīng)用進(jìn)行管理。其中，移動邊緣主機由虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施、移動邊緣應(yīng)用和移動邊緣平臺3部分組成。AB虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施為移動應(yīng)用平臺提供基礎(chǔ)資源，比如為移動邊緣應(yīng)用提供計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲空間。移動邊緣應(yīng)用是運行在主機層的用于完成特定任務(wù)的應(yīng)用程序，相當(dāng)于運行在虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施上的虛擬機實例，通過兩部分的交互進(jìn)行服務(wù)。C移動邊緣平臺相當(dāng)于移動邊緣平臺管理器和移動邊緣主機之間的中轉(zhuǎn)器和溝通橋梁。它按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)指令，從移動邊緣平臺管理器、移動邊緣應(yīng)用處接收流量轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。2.1.1移動邊緣計算移動邊緣系統(tǒng)層02OPTION移動邊緣提供的核心功能是移動邊緣編排器。移動邊緣編排器宏觀掌控移動邊緣網(wǎng)絡(luò)的資源和容量，包括已經(jīng)部署好的移動邊緣主機和服務(wù)、每個主機中的可用資源、已經(jīng)被實例化的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涞?。從移動邊緣系統(tǒng)角度來看，操作支持系統(tǒng)是支持系統(tǒng)運行的最高水平的管理實體。操作支持系統(tǒng)從面向用戶服務(wù)門戶和用戶終端接收實例化的應(yīng)用或終止移動邊緣應(yīng)用的請求，檢查應(yīng)用數(shù)據(jù)分組和請求的完整性和授權(quán)信息。通常開發(fā)商使用CFS接口將自己開發(fā)的各種應(yīng)用接入運營商的移動邊緣系統(tǒng)中，企業(yè)或個人用戶也可以通過該接口選擇自己感興趣的應(yīng)用，同時指定其使用的時間和地點。用戶應(yīng)用生命周期代理是提供移動邊緣用戶請求應(yīng)用相關(guān)的實例化和終止等服務(wù)的實體。該實體可以實現(xiàn)外部云和移動邊緣系統(tǒng)之間的應(yīng)用重定位，負(fù)責(zé)對所有來自外部云的請求進(jìn)行認(rèn)證。2.1.2邊緣計算參考架構(gòu)邊緣計算參考架構(gòu)可以采用基于模型驅(qū)動的工程方法（Model-DrivenEngineering，MDE）設(shè)計。基于模型的方法可以將物理和數(shù)字世界的知識模型化，從而可實現(xiàn)：①物理世界和數(shù)字世界的協(xié)作；②跨產(chǎn)業(yè)的生態(tài)協(xié)作；③減少系統(tǒng)異構(gòu)性，簡化跨平臺移植；④有效支撐系統(tǒng)的全生命周期活動?；诖?，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）提出了下圖所示的邊緣計算參考架構(gòu)。2.1.2邊緣計算參考架構(gòu)邊緣計算的基礎(chǔ)資源包括網(wǎng)絡(luò)、計算和存儲3個基礎(chǔ)模塊，以及虛擬化服務(wù)。邊緣計算的業(yè)務(wù)執(zhí)行離不開通信網(wǎng)絡(luò)的支持，其網(wǎng)絡(luò)既要滿足與控制相關(guān)的業(yè)務(wù)傳輸時間的確定性和數(shù)據(jù)完整性，又要能夠支持業(yè)務(wù)的靈活部署和實施。網(wǎng)絡(luò)01異構(gòu)計算是邊緣側(cè)最主要的計算硬件架構(gòu)。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和AI技術(shù)應(yīng)用的普及對計算能力的要求較高。邊緣設(shè)備既要處理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，同時也要處理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。計算02數(shù)字世界需要實時跟蹤物理世界的動態(tài)變化，并按時間序列存儲完整的歷史數(shù)據(jù)。時序數(shù)據(jù)庫（TimeSeriesDataBase，TSDB）用于存儲時序數(shù)據(jù)并以時間（點或區(qū)間）建立索引。存儲03虛擬化服務(wù)可以快速自動地重新配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、變更數(shù)據(jù)流線路及應(yīng)用身份認(rèn)證和訪問規(guī)則。虛擬化服務(wù)042.1.3霧計算霧計算（FogComputing）一詞最早出現(xiàn)于計算機網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域。思科公司將其生動地定義為一種更接近“地面”的云計算：霧計算是云計算的一種擴展，在物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備與傳統(tǒng)的云計算中心之間為用戶提供計算、存儲以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。霧計算基于分布式協(xié)作的框架。通過利用智能網(wǎng)關(guān)和路由設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源，霧計算可以在最接近終端的位置提供服務(wù)。霧計算把云端的計算功能延伸到網(wǎng)絡(luò)邊際，化解可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)堵塞，以提高服務(wù)效率。2.1.3霧計算下圖所示，云計算的系統(tǒng)在引入“霧層”后架構(gòu)可以分成5層，分別是終端用戶層（EndUserLayer）、接入網(wǎng)絡(luò)層（AccessNetworkLayer）、霧層（FogLayer）、核心網(wǎng)絡(luò)層（CoreNetworkLayer）和云層（CloudLayer）。2.1.3霧計算01OPTION02OPTION終端用戶層主要由移動性網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備組成。在這一層中，這些設(shè)備將起到內(nèi)容的生產(chǎn)者（ContentProducer）和內(nèi)容的消費者（ContentConsumer）的作用。任務(wù)在該層產(chǎn)生之后往上層傳遞，最后把處理的結(jié)果返回到該層。此外，終端設(shè)備還需要發(fā)現(xiàn)并指定對應(yīng)任務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的霧節(jié)點。該網(wǎng)絡(luò)層包括有線局域網(wǎng)和無線接入網(wǎng)絡(luò)。下層終端用戶產(chǎn)生內(nèi)容發(fā)送任務(wù)之后，會將信息發(fā)送到接入網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備，再由這些設(shè)備將信息發(fā)送到對應(yīng)的霧節(jié)點上。在發(fā)送的過程中必須遵循一定的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。終端用戶層接入網(wǎng)絡(luò)層2.1.3霧計算03OPTION該層是霧計算的核心。該層最重要的組成部分就是霧節(jié)點。霧節(jié)點部署在霧層，貼近用戶端，具備相當(dāng)強大的計算能力和存儲能力。霧節(jié)點內(nèi)部由底層系統(tǒng)和上層服務(wù)組成，底層系統(tǒng)又由硬件、虛擬層和資源管理層組成。底層系統(tǒng)主要的工作是提供虛擬化資源并對資源進(jìn)行管理和監(jiān)控。上層服務(wù)由服務(wù)層和應(yīng)用層組成，主要工作是通過對底層硬件的交互為相應(yīng)的應(yīng)用程序提供服務(wù)?？梢愿鶕?jù)在霧層的部署位置的不同把霧節(jié)點分為3類：霧層霧邊緣節(jié)點微云霧服務(wù)器2.1.3霧計算04OPTION霧層也有一定的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)運輸能力，但是如果任務(wù)巨大超過了霧層的處理能力，這時霧層中的服務(wù)器可通過核心網(wǎng)絡(luò)層把任務(wù)發(fā)送到云層，利用云層的強大的計算能力和存儲能力來處理這些任務(wù)。核心網(wǎng)絡(luò)層與云層2.1.4微云邊緣計算作為一種新的計算范式，將大量計算和存儲資源置于互聯(lián)網(wǎng)的邊緣，即靠近移動設(shè)備、傳感器、終端用戶和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的一端?！拔⒃啤蓖ǔＳ糜诒硎具@些小型的、置于邊緣的計算節(jié)點。微云使云服務(wù)器更靠近移動設(shè)備，這有助于克服云計算存在的缺點。微云是源自于移動計算和云計算的一種新的架構(gòu)。微云代表三層架構(gòu)（即“移動設(shè)備層-微云層-云層”）的中間層。微云可被視為“盒子里的數(shù)據(jù)中心”，其目標(biāo)是將云帶到更靠近設(shè)備的地方。物理靠近是邊緣計算的本質(zhì)，微云的這個關(guān)鍵屬性會對端到端延遲、經(jīng)濟可行的帶寬、信任的建立及生存的能力產(chǎn)生積極影響。2.1.4微云由于微云靠近相關(guān)物理設(shè)備，因此它具有以下4點優(yōu)勢。高響應(yīng)的云服務(wù)：微云與移動設(shè)備在物理上距離近，這使得它能很容易地實現(xiàn)較低的端到端時延、時延抖動及高帶寬。通過邊緣分析實現(xiàn)可伸縮：如果在微云上分析原始數(shù)據(jù)，那么從大量高帶寬物聯(lián)網(wǎng)傳感器（如攝像機）到云入口的帶寬需求將會低得多。隱私性的增強：通過充當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)中的第一個聯(lián)系點，微云可以在將數(shù)據(jù)發(fā)布到云端之前強制執(zhí)行其所有者的隱私策略。屏蔽云中斷：如果云服務(wù)因為網(wǎng)絡(luò)故障、云端故障或遭受拒絕服務(wù)攻擊而變得不可用，則移動設(shè)備附近微云上的備用服務(wù)可暫時屏蔽故障。添加標(biāo)題13422.1.4微云下圖所示為曼徹斯特大學(xué)提出的基于移動云的混合架構(gòu)（MobileCloudHybridArchitecture，MOCHA），該架構(gòu)可用于對響應(yīng)時間要求較高的計算密集型移動應(yīng)用。在MOCHA中，數(shù)據(jù)可以先發(fā)送到微云，而不是直接從移動設(shè)備傳送到云服務(wù)器。微云能夠存儲并更新網(wǎng)絡(luò)延遲和其變量的概要文件，以到達(dá)不同的云服務(wù)器。通過這種方法可以智能分割任務(wù)以選擇最佳的服務(wù)器，從而可以使得整體的通信延遲最小化。微云是由支持多網(wǎng)絡(luò)連接（如Wi-Fi、3G/4G、藍(lán)牙及互聯(lián)網(wǎng)）的商業(yè)硬件設(shè)計的專用服務(wù)器。微云根據(jù)不同鏈路/路由器上的服務(wù)質(zhì)量（如延遲、成本等）的估計，確定如何在云和多個服務(wù)器之間劃分計算任務(wù)以優(yōu)化整體的服務(wù)質(zhì)量。2.1.5小結(jié)邊緣計算就是介于云和端之間的技術(shù)，所以其3種基本架構(gòu)的基本模型一致，都是“端-邊-云”的結(jié)構(gòu)。移動邊緣計算（MEC）、霧計算和微云的部署位置基本相同，但在應(yīng)用場景和實時交互方面會有不同。下面主要從這3方面進(jìn)行分析。部署位置MEC、微云和霧計算都位于終端和云端（數(shù)據(jù)中心）之間，可以和接入點、基站、流量匯聚點、網(wǎng)關(guān)等共址。此外，微云側(cè)重于移動和計算，所以還可以直接部署到移動設(shè)備上，比如車輛和飛機等終端。實時交互就三者的移動性和不同邊緣節(jié)點上相同應(yīng)用的實時交互支持而言，MEC只提供終端從一個邊緣節(jié)點移動到另一個邊緣節(jié)點情況下的移動性管理，而微云提供虛擬機鏡像從一個邊緣節(jié)點到另一個邊緣節(jié)點切換的支持，至于霧計算，則完全支持霧節(jié)點分布式應(yīng)用之間的通信。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等多種應(yīng)用場景。微云側(cè)重于計算服務(wù)，它基于移動計算，主要針對移動性設(shè)備，適用于移動增強型應(yīng)用以及物聯(lián)網(wǎng)等諸多場景。霧計算依賴于智能網(wǎng)關(guān)和路由器等，可應(yīng)用于移動和非移動設(shè)備。霧計算的應(yīng)用場景為需要分布式計算和存儲的物聯(lián)網(wǎng)場景。1322.2.15G通信技術(shù)5G技術(shù)的定義01OPTION5G是最新一代蜂窩通信技術(shù)，它延續(xù)了2G（GSM）、3G（UMTS、LTE）和4G（LTE-A、WiMax）技術(shù)。5G技術(shù)的性能目標(biāo)是高數(shù)據(jù)速率、低延時、低能耗、低成本、高網(wǎng)絡(luò)容量和大規(guī)模的數(shù)據(jù)連接。5G的第1個版本在2019年4月發(fā)布；第2階段Release16已于2020年7月完成，作為IMT-2020技術(shù)的一個候選方案提交到國際電信聯(lián)盟（ITU）。其中ITUIMT-2020規(guī)范要求傳輸速率高達(dá)20Gbit/s，可以實現(xiàn)寬信道帶寬和大容量MIMO。2.2.15G通信技術(shù)5G技術(shù)的意義02OPTION通過引入新內(nèi)容（如360度視頻和全息圖）以及新的服務(wù)理念（如智能交通和機器類通信），5G服務(wù)將會朝數(shù)個方向發(fā)展，如無限數(shù)據(jù)傳輸、大量的動態(tài)連接和新型移動設(shè)備（尤其是可持續(xù)能源驅(qū)動的傳感器）。5G服務(wù)的范疇不僅限于個人通信，還延伸到社會領(lǐng)域，包括手機、可穿戴設(shè)備、傳感器、執(zhí)行器、車輛、機器人等。因此，5G網(wǎng)絡(luò)可以被視為創(chuàng)新社會以及ICT行業(yè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。國際電信聯(lián)盟無線通信部門5D工作組（ITU-RWP5D）規(guī)定5G的法定名稱為IMT-2020。ITU還定義了5G的三大應(yīng)用場景為：增強型移動寬帶（eMBB）海量機器類通信（mMTC）超可靠低時延通信（uRLLC）2.2.15G通信技術(shù)5G技術(shù)與智能技術(shù)的結(jié)合03OPTION2.2.15G通信技術(shù)5G之于物聯(lián)網(wǎng)04OPTION大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要連接大量智能設(shè)備，這些設(shè)備可以部署在運輸環(huán)境、智能家居（建筑物）和智能城市中，以及智能電源系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)監(jiān)控環(huán)境等領(lǐng)域。為保障并維持這些設(shè)備之間的互聯(lián)狀態(tài)，需要云端頻繁更新及較低的端到端成本。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)計要求如圖所示。2.2.15G通信技術(shù)5G之于物聯(lián)網(wǎng)04OPTION為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)?；⒃趽碛写艘?guī)模的同時保證其高效性，在大規(guī)模部署物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)時必須考慮到以下3點。AB低設(shè)備成本C低部署成本長電池壽命5G技術(shù)的出現(xiàn)正是為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模部署。智能設(shè)備互聯(lián)早已從使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)中獲益，而機器通信對于更大規(guī)模智能設(shè)備的互聯(lián)的需求日趨擴大，這也推動著5G新無線電（5GNR）網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，從而滿足大規(guī)模和關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)的需求。2.2.15G通信技術(shù)5G之于邊緣計算05OPTION邊緣計算是5G的重要支柱。根據(jù)國際電信聯(lián)盟（ITU）對5G的標(biāo)準(zhǔn)要求，其三大應(yīng)用場景，eMBB（增強型移動寬帶）、mMTC（海量機器類通信）和uRLLC（超可靠低時延通信），分別對應(yīng)高清視頻、VR/AR，智慧城市、智能家居，自動駕駛、工業(yè)控制等場景。邊緣計算正好契合這些需求：1.2.通過對4K/8K、VR/AR等高帶寬業(yè)務(wù)的本地分流，降低對核心網(wǎng)絡(luò)及骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)的占用，有效提升了通信服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)的利用率。通過內(nèi)容與計算能力的下沉，讓通信服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)能有效支撐未來時延敏感型業(yè)務(wù)及大計算和高處理能力需求的業(yè)務(wù)。5G2.2.15G通信技術(shù)5G之于邊緣計算05OPTION5G技術(shù)的出現(xiàn)加快了物聯(lián)網(wǎng)的普及與推廣，而物聯(lián)網(wǎng)在不同空間與領(lǐng)域內(nèi)更大范圍的覆蓋，也推動著邊緣計算這一計算模式的盡快成形甚至成熟。在如今逐漸形成的“終端-邊緣-云中心”3個層次協(xié)同的資源管理與共享的應(yīng)用場景中，邊緣計算模型將云中心從對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的壓力中解放出來，大大縮短了終端從發(fā)出請求到獲取響應(yīng)中間的時延，提升了用戶的設(shè)備使用體驗，尤其是為相當(dāng)一部分需要進(jìn)行實時響應(yīng)的領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用（如自動駕駛、精密儀器的實時制造等）提出了解決方案。這預(yù)示著右圖所示的場景（超清視頻、VR/AR、工業(yè)制造、智慧城市和智能樓宇）已經(jīng)離我們不再遙遠(yuǎn)。2.2.2計算卸載技術(shù)計算卸載技術(shù)可以說是邊緣計算模型最關(guān)鍵的技術(shù)之一。它最初是在移動云計算（MobileCloudComputing，MCC）中提出，是一種將計算任務(wù)遷移至資源豐富的云服務(wù)器中執(zhí)行的技術(shù)。任務(wù)是一個寬泛的概念，大到一個進(jìn)程，小到一個線程，都可以叫作任務(wù)。一般情況下，任務(wù)等同于進(jìn)程，而進(jìn)程是應(yīng)用程序在一個數(shù)據(jù)集合上的實現(xiàn)過程。前面已經(jīng)提到，云計算模型無法實時響應(yīng)萬物互聯(lián)時代應(yīng)用程序的請求，所以為了解決時延問題，邊緣計算引入了計算卸載技術(shù)。邊緣計算的計算卸載是將用戶設(shè)備（UserEquipment，UE）的一部分或全部計算任務(wù)遷移至邊緣設(shè)備處執(zhí)行，既減少了時延和主干網(wǎng)上的傳輸數(shù)據(jù)量，也緩解了網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，提升了用戶體驗。2.2.2計算卸載技術(shù)靜態(tài)卸載和動態(tài)卸載01OPTION按照卸載的時間來分，計算卸載可以分為靜態(tài)卸載和動態(tài)卸載。12靜態(tài)卸載動態(tài)卸載靜態(tài)卸載指的是卸載決策在任務(wù)執(zhí)行之前就已經(jīng)定好，開發(fā)者會在開發(fā)程序時規(guī)定卸載的任務(wù)量以及具體卸載的功能模塊。動態(tài)卸載則可以根據(jù)程序運行狀況以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)來實時調(diào)整卸載策略。2.2.2計算卸載技術(shù)全部卸載和部分卸載02OPTION按照卸載程度分，計算卸載可以分為全部卸載和部分卸載。按照卸載程度分全部卸載全部卸載指的是將全部計算任務(wù)卸載至邊緣設(shè)備處執(zhí)行。部分卸載部分卸載指的是將部分計算任務(wù)卸載至邊緣設(shè)備處執(zhí)行。2.2.2計算卸載技術(shù)全部卸載和部分卸載02OPTION計算任務(wù)卸載的結(jié)果有3種：本地執(zhí)行部分邊緣設(shè)備執(zhí)行全部邊緣設(shè)備執(zhí)行可以把本地執(zhí)行看成是全部卸載的變種，它和全部卸載的唯一區(qū)別就是卸載目標(biāo)不同，前者是UE，后者是邊緣設(shè)備。計算卸載的最小單位是模塊而非應(yīng)用，因為大部分應(yīng)用程序都由多個功能模塊組成。功能模塊的類型是決定是否卸載的關(guān)鍵因素之一。因此在進(jìn)行卸載之前，可以先根據(jù)功能模塊類型來決定是否卸載該功能模塊（有些模塊是不能卸載的，比如顯示模塊，因為它需要用到本地的顯示屏）。再根據(jù)應(yīng)用程序中功能模塊之間的依賴關(guān)系來決定是全部卸載還是部分卸載。2.2.2計算卸載技術(shù)全部卸載和部分卸載02OPTION右圖所示是一個AR應(yīng)用的主要模塊原理圖。該AR應(yīng)用包括5個關(guān)鍵模塊：

視頻源（從移動攝像機中獲取原始視頻幀）

追蹤器（追蹤用戶的位置）

成像器（建立環(huán)境模型）

目標(biāo)識別模塊（在環(huán)境中識別已知物體）

顯示模塊（顯示處理好的視頻幀）。在這5個模塊中，視頻源和顯示模塊需要用到攝像頭和顯示器，因此這兩個模塊需要在本地執(zhí)行，不能卸載到邊緣設(shè)備。但是，追蹤器、成像器和目標(biāo)識別模塊都是計算集中型模塊，不能在本地執(zhí)行，需要卸載到邊緣設(shè)備處執(zhí)行。2.2.2計算卸載技術(shù)全部卸載和部分卸載02OPTION假設(shè)這5個模塊是通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用（RemoteProcedureCall，RPC）通信的，那么這5個模塊之間的耦合就屬于數(shù)據(jù)耦合（最低程度的耦合）。此時應(yīng)該對該應(yīng)用程序采取部分卸載策略。在UE電量充足、傳輸時延較短的情況下，可以把視頻源、顯示模塊放在本地執(zhí)行，其他3個模塊卸載到邊緣設(shè)備。但是在UE電量充足、傳輸時延較長的情況下，就不適合將追蹤器、成像器和目標(biāo)識別模塊同時卸載到邊緣設(shè)備，因為傳輸時延的增加抵消了邊緣設(shè)備計算時延短的優(yōu)勢。此時，應(yīng)將計算量最小的成像器放在UE處執(zhí)行，只將追蹤器和目標(biāo)識別模塊卸載到邊緣設(shè)備，來減少傳輸時延以滿足實時性要求。2.2.2計算卸載技術(shù)單點卸載和多點卸載03OPTION計算卸載按照計算任務(wù)卸載的目標(biāo)數(shù)分類可以分為單點卸載和多點卸載。這兩種卸載策略針對的是單個或多個UE和多個邊緣設(shè)備通信的場景。AB當(dāng)一個任務(wù)內(nèi)部模塊高度耦合或只能分成兩部分時，就需要將全部或部分任務(wù)卸載至單個邊緣設(shè)備。當(dāng)一個任務(wù)內(nèi)部模塊低耦合時，就可以把任務(wù)切分成多個部分，傳輸給由多個邊緣設(shè)備組成的集群。考慮到傳輸時延和邊緣設(shè)備負(fù)載等因素，單點卸載策略會從UE連接的所有邊緣設(shè)備中動態(tài)地選擇卸載的目標(biāo)邊緣設(shè)備。一般情況下，UE會把任務(wù)卸載至最近的邊緣設(shè)備。當(dāng)最近的邊緣設(shè)備過載或任務(wù)傳輸時延過高時，UE會重新選擇卸載的目標(biāo)邊緣設(shè)備2.2.2計算卸載技術(shù)單點卸載和多點卸載03OPTION如右圖所示，MECServer1和MECServer2分別和eNodeB1和eNodeB2共址。UE1和UE2都可以連接到MECServer1和MECServer2。相比于MECServer2，MECServer1和UE1的網(wǎng)絡(luò)距離更短，因此UE1將計算任務(wù)卸載至MECServer1處執(zhí)行。同樣地，UE2也將計算任務(wù)卸載至MECServer2處執(zhí)行。但當(dāng)MECServer1過載或傳輸時延過高時，UE1就會選擇MECServer2作為卸載的目標(biāo)。2.2.2計算卸載技術(shù)單點卸載和多點卸載03OPTION卸載決策和卸載執(zhí)行是計算卸載技術(shù)的兩大關(guān)鍵技術(shù)。卸載決策就是選擇是全部卸載還是部分卸載的過程。STEP01UE針對不同服務(wù)的性能要求，制定不同的優(yōu)化目標(biāo)，比如降低時延、減少能耗及權(quán)衡時延和能耗等，從而進(jìn)行卸載決策做出正確的卸載決策卸載執(zhí)行指的是UE決定卸載到哪里的過程，它包括任務(wù)切分及卸載目標(biāo)的選擇。卸載執(zhí)行STEP022.2.2計算卸載技術(shù)單點卸載和多點卸載03OPTION依據(jù)不同的性能優(yōu)化目標(biāo)，可以把計算卸載決策分為3種：面向時延、面向能耗及權(quán)衡時延和能耗。在卸載決策系統(tǒng)中，UE一般由代碼解析器、系統(tǒng)解析器和決策引擎組成。卸載步驟分為3步：代碼解析器確定什么可以卸載，具體卸載內(nèi)容取決于應(yīng)用程序類型和代碼數(shù)據(jù)分區(qū)；系統(tǒng)解析器負(fù)責(zé)監(jiān)控各種參數(shù)，比如可用帶寬、UE剩余能量、卸載的數(shù)據(jù)量大小及本地執(zhí)行的功耗成本等；首先然后最后再由決策引擎決定是否卸載及卸載多少。2.2.3服務(wù)遷移技術(shù)服務(wù)遷移技術(shù)的意義01OPTION將計算服務(wù)遷移到網(wǎng)絡(luò)中靠近物聯(lián)網(wǎng)終端用戶的某些有利位置以最小化訪問延遲并降低網(wǎng)絡(luò)成本是一種有效方式。因此，服務(wù)遷移問題對于實時服務(wù)來說顯得異常重要。通過執(zhí)行服務(wù)遷移，保證用戶與服務(wù)之間的相對距離始終保持在一個較小的范圍內(nèi)，從而使得延遲也相對較小，這對于延遲敏感類服務(wù)是非常有用的。將計算服務(wù)遷移到離物聯(lián)網(wǎng)終端用戶較近的位置，不僅可以降低服務(wù)訪問延遲，還可以降低服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)租賃成本。憑借邊緣計算虛擬化技術(shù)，可將服務(wù)封裝在一組虛擬機中，并根據(jù)需要遷移到一個或多個不同的邊緣計算數(shù)據(jù)中心，從而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)終端用戶的就近訪問。2.2.3服務(wù)遷移技術(shù)服務(wù)遷移技術(shù)的分類02OPTION12離線遷移在線遷移離線遷移又叫靜態(tài)遷移，其最大的特點是需要先暫停虛擬機，再進(jìn)行虛擬機的遷移。在線遷移又稱為實時遷移，其最大的特點是不中斷用戶的服務(wù)。為了讓用戶能夠持續(xù)地接受服務(wù)，在線遷移將虛擬機的停機時間降到最低。與離線遷移一樣，在線遷移也需要一定的停機時間；不同的是，在線遷移可以在遷移的開始階段，先讓源主機為用戶提供服務(wù)，同時將需要遷移的內(nèi)容從源主機迭代地復(fù)制到目的主機，而無須停止正在遷移的虛擬機的執(zhí)行。2.2.3服務(wù)遷移技術(shù)服務(wù)遷移技術(shù)的分類02OPTION目前的研究工作大多集中在遷移機制上面，即如何以對用戶影響最小的方式，有效快速地將一個或一組虛擬機從一個地方遷移到另一個地方。用戶移動模型分別為一維用戶移動模型（馬爾可夫模型）和二維用戶移動模型。下圖展示了二維用戶移動模型下的遷移模型。2.2.3服務(wù)遷移技術(shù)服務(wù)遷移技術(shù)的分類02OPTION服務(wù)遷移機制的分類：利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D信息將服務(wù)遷移問題轉(zhuǎn)化為旅行圖問題利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D信息也可以將問題轉(zhuǎn)化為最短路徑選擇問題。服務(wù)遷移決策定義了成本和用戶感知質(zhì)量之間的權(quán)衡，可以使用馬爾可夫決策過程（MDP）對服務(wù)遷移過程進(jìn)行建模來解決這種權(quán)衡。其目的是制定一個決策策略，當(dāng)相關(guān)的用戶設(shè)備（UE）與源數(shù)據(jù)中心（DataCenter，DC）保持一定距離時，決定是否遷移服務(wù)。AB2.2.3服務(wù)遷移技術(shù)服務(wù)遷移模型定量化舉例03OPTION代價模型：將具有任意的n個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)G(V,E)作為云服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)，其中服務(wù)在k個虛擬服務(wù)器中運行。假設(shè)無線接入成本為μ，節(jié)點u和節(jié)點v之間的傳輸成本為

λu、v，根據(jù)目前云計算基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)的收費模式，這兩種代價都可以從基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供商獲得。節(jié)點ar是距離請求σij

最近的點，節(jié)點φ(r)是路由函數(shù)決定的服務(wù)節(jié)點，則節(jié)點ar和節(jié)點φ(r)之間的傳輸成本為arφ(r)

。接入代價：批請求為iσ

，請求的集合σi

=Uiσij

，批請求的總成本可簡寫如下。2.2.3服務(wù)遷移技術(shù)服務(wù)遷移模型定量化舉例03OPTION其中，是連接周圍節(jié)點的總代價，是從接入點到訪問服務(wù)的路徑的總代價。這樣，就可以通過上式看到，服務(wù)請求規(guī)模較小，而且網(wǎng)絡(luò)帶寬是沒有限制的這樣的假設(shè)，連接延遲成為了主要的問題。遷移代價：在時刻i，k個服務(wù)器或者邊緣服務(wù)器的位置定位狀態(tài)Si。經(jīng)過批請求之后，服務(wù)遷移的目標(biāo)是最小化確定狀態(tài)S1,S2,…,St的服務(wù)代價（遷移服務(wù)代價），這樣的遷移代價模型可以定義以下。其中，代表從

Si?1

到Si的最小遷移代價。此處的遷移代價模型是沒有考慮目標(biāo)邊緣主機的工作負(fù)載以及服務(wù)的運行成本的。2.2.3服務(wù)遷移技術(shù)服務(wù)遷移模型定量化舉例03OPTION服務(wù)遷移算法，本質(zhì)上都是根據(jù)用戶請求狀況并基于用戶移動模型設(shè)計的。因此，為了提升相關(guān)算法的效果，仍然需要對用戶請求狀況以及用戶移動模型的建模過程進(jìn)行深入研究，從而能夠更為精準(zhǔn)地進(jìn)行預(yù)測。隨著機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的不斷發(fā)展，越來越多的最優(yōu)化問題都可以利用相關(guān)的技術(shù)來幫助研究。后續(xù)將會結(jié)合移動邊緣計算進(jìn)行研究。有了這些更為強大的技術(shù)以后，研究的場景、建模過程等都可以更為復(fù)雜而深刻。隨著5G技術(shù)的迅速發(fā)展，通信成本和時延都將大幅度降低，構(gòu)建服務(wù)遷移模型的參數(shù)也將發(fā)生相應(yīng)的變化，這也是一個重要的研究方向。5G2.2.4邊緣計算資源管理邊緣計算資源管理主要對網(wǎng)絡(luò)邊緣的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行管理和優(yōu)化。邊緣計算資源管理和操作系統(tǒng)（OS）的資源管理類似，都是分配計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源給要執(zhí)行的任務(wù)。邊緣計算資源管理本質(zhì)也是計算卸載，只不過和前文提到的計算卸載技術(shù)不同的是，前文的計算卸載決策和執(zhí)行過程主要運行在終端設(shè)備，而邊緣計算資源管理則是由邊緣設(shè)備來執(zhí)行。邊緣計算資源管理主要解決的問題是如何分配計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源給卸載任務(wù)并讓時延和能耗最小。資源管理針對邊緣設(shè)備，主要用于優(yōu)化調(diào)度資源以達(dá)到更好的性能。01OPTION02OPTION03OPTION04OPTION05OPTION2.2.4邊緣計算資源管理邊緣計算資源管理問題可以分為兩類：一類是單個邊緣設(shè)備的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源的分配和調(diào)度問題，也就是單機邊緣計算資源管理；另一類是多個邊緣設(shè)備的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源的分配和管理問題，又可稱為面向協(xié)作機制的邊緣計算資源管理。AB由此可知，在資源管理與調(diào)度方面，邊緣計算中的資源優(yōu)化調(diào)度是核心問題之一。只有實現(xiàn)了資源的科學(xué)管理及合理調(diào)度與分配，才能面向?qū)嶋H需求，充分發(fā)揮出云、邊緣服務(wù)器、終端的節(jié)點優(yōu)勢，實現(xiàn)資源利用率、能耗、時延等全方面的優(yōu)化，最大限度地節(jié)省資源，提高收益，從而更好地滿足用戶體驗。2.2.4邊緣計算資源管理目前，許多面向協(xié)作機制的邊緣計算資源管理研究主要集中在能耗、延時等指標(biāo)的優(yōu)化上，主要研究成果列舉如下。艾哈邁德（Ahmed）等學(xué)者在移動邊緣計算系統(tǒng)中提出了一種聯(lián)合調(diào)度算法，協(xié)調(diào)地分配無線電資源和計算資源，通過在正交頻分復(fù)用接入（OFDMA）的多個移動設(shè)備系統(tǒng)中構(gòu)建一個邊緣計算云層，用于任務(wù)卸載的子載波分配和用于在該云層中執(zhí)行任務(wù)的CPU時間分配。這比單獨頻譜和計算的優(yōu)化能接納更多的卸載請求，同時實現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果。薩德克里提（Sardcllitti）等學(xué)者通過將MIMO多小區(qū)系統(tǒng)的多個移動用戶（MU）計算卸載到公共云服務(wù)器的問題轉(zhuǎn)化為無線電資源（MU的發(fā)射預(yù)編碼矩陣）和計算資源（由云分配給每個MU的CPU周期／秒）的聯(lián)合優(yōu)化問題，最小化了總體用戶的能量消耗，同時滿足延遲約束。并提出一種基于新穎的連續(xù)凸近似技術(shù)的迭代算法，收斂到原始非凸問題的局部最優(yōu)解，并且跨越多個無線接入點實現(xiàn)分布式和并行計算。1.2.2.2.4邊緣計算資源管理基亞尼（Kiani）等學(xué)者提出了一種新的層次模型，通過引入領(lǐng)域、淺層和深層云的概念，在終端設(shè)備、邊緣云、云層３個層次級別中進(jìn)行設(shè)計，以基于拍賣的利潤最大化方式提供計算資源，然后分配通信資源以滿足用戶的QoS要求。德蘭（Tran）等學(xué)者研究了從移動邊緣編排到協(xié)同緩存和處理，以及多層干擾消除的使用案例，證明了所提出的方法在促進(jìn)向5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)方面的優(yōu)勢，并討論了需要解決的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)和開放性研究問題，以便將移動邊緣計算（MEC）有效整合到5G生態(tài)系統(tǒng)中。孫宇軒等學(xué)者開發(fā)了一種新的以用戶為中心的能量感知移動性管理（EMM）方案，以便在用戶的長期能耗限制下優(yōu)化無線接入和計算兩者的延遲?；贚yapunov優(yōu)化和多臂老虎機（Multi-ArmedBandit）理論，EMM以在線方式工作，有效地處理了不完善的系統(tǒng)狀態(tài)信息。毛玉義等學(xué)者開發(fā)了一個多用戶MEC系統(tǒng)的在線聯(lián)合無線電和計算資源管理算法，目的是最小化移動設(shè)備和MEC服務(wù)器的長期平均加權(quán)和功耗。3.4.5.6.2.2.4邊緣計算資源管理面向具有時間約束的應(yīng)用以及多運營商提供服務(wù)的環(huán)境，卡薩利（Katsalis）等人將服務(wù)重要性作為關(guān)鍵指標(biāo)，研究邊緣網(wǎng)絡(luò)部署服務(wù)的調(diào)度，基于時間約束服務(wù)SLA對虛擬機（VM）進(jìn)行調(diào)度決策，同時保證服務(wù)提供商之間的公平。通過Lyapunov優(yōu)化框架來求解該隨機優(yōu)化問題，從而最大化具有時間約束SLA的多網(wǎng)絡(luò)運營商共享環(huán)境中物理基礎(chǔ)設(shè)施所有者的收益。7.8.針對計算任務(wù)調(diào)度策略設(shè)計的大小時間尺度的隨機優(yōu)化問題，劉娟等學(xué)者采用馬爾可夫決策過程方法，計算任務(wù)調(diào)度基于任務(wù)緩沖器的排隊狀態(tài)、本地處理單元的執(zhí)行狀態(tài)及傳輸單元的狀態(tài)，通過分析每個任務(wù)的平均延遲和移動設(shè)備的平均功耗，設(shè)計功率約束延遲最小化問題，提出了一種高效的一維搜索算法來找到最優(yōu)任務(wù)調(diào)度策略。5G2.2.5邊緣計算安全與隱私保護邊緣計算安全與隱私保護存在的問題01OPTION邊緣計算基于多授權(quán)方的輕量級數(shù)據(jù)加密與細(xì)粒度數(shù)據(jù)共享的新需求。分布式計算環(huán)境下的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)傳播管控和安全管理問題。邊緣計算的大規(guī)模互連服務(wù)與資源受限終端之間的安全挑戰(zhàn)。面向萬物互聯(lián)的多樣化服務(wù)及邊緣計算模式對高效隱私保護的新要求。2.2.5邊緣計算安全與隱私保護邊緣計算安全與隱私保護體系02OPTION為了解決邊緣計算中存在的數(shù)據(jù)安全與隱私保護問題，可以將其劃分為4個部分進(jìn)行處理，分別為數(shù)據(jù)安全、身份認(rèn)證、隱私保護和訪問控制，如圖所示。2.2.5邊緣計算安全與隱私保護邊緣計算安全與隱私保護體系02OPTION為了解決邊緣計算中存在的數(shù)據(jù)安全與隱私保護問題，可以將其劃分為4個部分進(jìn)行處理，分別為數(shù)據(jù)安全、身份認(rèn)證、隱私保護和訪問控制，如圖所示。本章主要介紹了邊緣計算的基本架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，其中最重要的部分就是關(guān)鍵技術(shù)。邊緣計算的關(guān)鍵技術(shù)包含5G通信、計算卸載、服務(wù)遷移、邊緣計算資源管理、邊緣計算安全與隱私保護等在學(xué)術(shù)界都備受關(guān)注的問題。小結(jié)第3章邊緣計算網(wǎng)關(guān)設(shè)計工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)（邊緣計算網(wǎng)關(guān)）3.1邊緣計算網(wǎng)關(guān)的基本概念3.3邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)學(xué)習(xí)要點3.2邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)3.4邊緣計算網(wǎng)關(guān)的CROSS能力要求3.1.1網(wǎng)關(guān)的概念網(wǎng)關(guān)，顧名思義就是一個網(wǎng)絡(luò)連接另一個網(wǎng)絡(luò)的“關(guān)口”，也就是連接兩個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。和路由器不同，網(wǎng)關(guān)是在不同協(xié)議間移動數(shù)據(jù)，路由器則是在不同網(wǎng)絡(luò)間移動數(shù)據(jù)。通俗點說，就是網(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)議不同的網(wǎng)絡(luò)，而路由器只能連接類似的網(wǎng)絡(luò)。由于歷史的原因，網(wǎng)關(guān)在各種網(wǎng)絡(luò)參考模型中有著不同的概念和作用。01OPTION在計算機網(wǎng)絡(luò)的TCP/IP五層參考模型中，網(wǎng)關(guān)是一種中繼系統(tǒng)，用來實現(xiàn)兩個及以上計算機網(wǎng)絡(luò)的互連。02OPTIONOSI模型下的網(wǎng)關(guān)用于連接網(wǎng)絡(luò)層之上執(zhí)行不同協(xié)議的子網(wǎng)，組成異構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)，并能實現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備之間的通信，對網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議進(jìn)行翻譯和轉(zhuǎn)換。03OPTION部分有關(guān)TCP/IP的文獻(xiàn)曾經(jīng)把網(wǎng)絡(luò)層使用的路由器稱為網(wǎng)關(guān)。現(xiàn)在我們通常采用路由器接入網(wǎng)絡(luò)。因此在現(xiàn)有的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中，路由器等同于網(wǎng)關(guān)，我們可以用IP地址來標(biāo)識網(wǎng)關(guān)設(shè)備。3.1.1網(wǎng)關(guān)的概念網(wǎng)關(guān)按功能大致分為以下3類。協(xié)議網(wǎng)關(guān)此類網(wǎng)關(guān)的主要功能是在不同網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。現(xiàn)在有好幾種通用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.3（LAN）、IEEE802.11（WLAN）、IEEE802.15.1（BT）等應(yīng)用網(wǎng)關(guān)這類網(wǎng)關(guān)本質(zhì)上是一個計算機程序，主要為專門的應(yīng)用而設(shè)置，目的是實現(xiàn)某一種服務(wù)中的數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。安全網(wǎng)關(guān)最常用的安全網(wǎng)關(guān)就是包過濾器，實際上是對數(shù)據(jù)包的原地址、目的地址和端口號、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行授權(quán)。通過對這些信息的過濾處理，讓授權(quán)的數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)關(guān)，攔截?zé)o授權(quán)的數(shù)據(jù)包。1233.1.2邊緣計算網(wǎng)關(guān)的能力協(xié)議轉(zhuǎn)換能力：實現(xiàn)感知層協(xié)議到接入網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換、下層的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)的統(tǒng)一封裝、統(tǒng)一不同感知網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。設(shè)備管理能力：首先就是網(wǎng)關(guān)的自身管理，如注冊管理、權(quán)限管理、應(yīng)用管理等；其次是網(wǎng)關(guān)對連接設(shè)備的管理，如節(jié)點的ID、狀態(tài)、能耗、屬性等，以及遠(yuǎn)程升級、維護、控制、診斷、喚醒等。廣泛連接能力：物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域現(xiàn)在有很多通信標(biāo)準(zhǔn)，比如Wi-Fi、4G-LTE、RS232、RS485、CAN等。邊緣計算網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的擴展，也要具備廣泛連接能力以實現(xiàn)萬物互聯(lián)。智能實時處理能力：邊緣計算網(wǎng)關(guān)作為邊緣設(shè)備，承擔(dān)的計算任務(wù)主要分為兩部分，即上行的萬物互聯(lián)任務(wù)與下行的云任務(wù)。萬物互聯(lián)任務(wù)主要包含終端設(shè)備的服務(wù)及內(nèi)容請求。添加標(biāo)題13423.2邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)邊緣計算網(wǎng)關(guān)通用硬件架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通信架構(gòu)3.2.1邊緣計算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)方案設(shè)計方法01OPTION首先應(yīng)由需求調(diào)查確定邊緣計算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，這一目標(biāo)包括系統(tǒng)功能與性能。系統(tǒng)功能主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等。比如現(xiàn)在較為流行的泛在電力系統(tǒng)、智能家居和智慧城市系統(tǒng)等都要用戶根據(jù)自己的需求來進(jìn)行設(shè)計。確定系統(tǒng)功能與性能3.2.1邊緣計算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)方案設(shè)計方法02OPTION物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般是以微控制器或SoC（SystemonChips）為核心，輔之以存儲器和外圍接口電路。邊緣計算智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的基本組成如下。確定系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)AB中央控制芯片C存儲器分配I/O方式D網(wǎng)絡(luò)控制器邊緣計算網(wǎng)關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)的工作模式可以分為兩類：服務(wù)器端和客戶端。無論工作于何種模式，都需要對以太網(wǎng)控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置，以實現(xiàn)最基本的物理層和鏈路層連接（即能夠ping通）。3.2.2邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計方案01OPTION基于TI公司智能家居和能源的邊緣計算網(wǎng)關(guān)參考設(shè)計5G3.2.2邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計方案02OPTION基于NXP公司物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的參考設(shè)計3.2.2邊緣計算網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計方案03OPTION基于Intel公司邊緣計算網(wǎng)關(guān)的參考設(shè)計3.3

邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)1.智能家居的邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)設(shè)計參考方案2.

Intel公司邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)設(shè)計參考方案3.

基于樹莓派的邊緣計算網(wǎng)關(guān)軟件架構(gòu)設(shè)計本方法中所要構(gòu)建的路由器模塊是基于OpenWRT系統(tǒng)開發(fā)的。OpenWRT是一個功能強大的開源Linux路由固件系統(tǒng)，并且提供了完全獨立開放的軟件包管理和文件系統(tǒng)控制功能。用戶可以方便地對其進(jìn)行定制、優(yōu)化，從而實現(xiàn)自己的功能需求。在不受設(shè)備供應(yīng)商限制的情況下，該系統(tǒng)開發(fā)者可以配置程序運行需要的開發(fā)環(huán)境，并選擇安裝自己想要的應(yīng)用程序，可擴展性非常高。OpenWRT是一個容易上手修改對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議文件的操作系統(tǒng)，而且它自身擁有很多網(wǎng)絡(luò)組件，可擴展性很高。所以本方法會將OpenWRT系統(tǒng)植入樹莓派內(nèi)，對其進(jìn)行編程開發(fā)，使樹莓派具有路由器的功能。3.4.1邊緣計算網(wǎng)關(guān)的連接能力（Connection）實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)連接的障礙01OPTION不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有各自不同的通信協(xié)議，因此在不同的網(wǎng)絡(luò)之間通信是比較困難的不同設(shè)備的數(shù)據(jù)差異隨著物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的不斷增加，如何保證網(wǎng)絡(luò)信道通暢、不阻塞成為了另一個挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)阻塞將不可避免地導(dǎo)致時延過長甚至丟包。網(wǎng)絡(luò)阻塞現(xiàn)象數(shù)據(jù)安全隱患會造成連接的不安全性，可能導(dǎo)致不同設(shè)備之間發(fā)生連接沖突，并影響整個物聯(lián)網(wǎng)的運行。數(shù)據(jù)安全隔離消費類設(shè)備使用的現(xiàn)有無線連接技術(shù)無法滿足工業(yè)和醫(yī)療系統(tǒng)的性能要求。這些系統(tǒng)對安全性、準(zhǔn)確性和時延的不同需求提高了對可靠性的要求。無線連接的可靠性3.4.1邊緣計算網(wǎng)關(guān)的連接能力（Connection）邊緣計算網(wǎng)關(guān)的連接能力02OPTION（1）邊緣計算結(jié)合接入網(wǎng)絡(luò)切片在核心網(wǎng)切片中，邊緣計算服務(wù)器由于部署的位置距離用戶較遠(yuǎn)，不可避免地會產(chǎn)生較長的時延，無法滿足部分應(yīng)用對低時延特性的需求。同時，各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚到核心網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行計算處理，會造成數(shù)據(jù)流量的巨大增長，給回程鏈路帶來極大負(fù)擔(dān)，消耗過多回程鏈路帶寬。除此之外，相較于從核心網(wǎng)到終端的垂直結(jié)構(gòu)切片，部分業(yè)務(wù)，如短距離的數(shù)據(jù)傳輸共享，對計算能力