邊緣計(jì)算技術(shù)是一種全新的融合技術(shù)，基本思想是將云計(jì)算平臺遷移到接入網(wǎng)邊緣地帶，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)深入融合，降低移動業(yè)務(wù)端到端的時(shí)延，進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)效果。
本文結(jié)合理論實(shí)踐，先簡要闡述了邊緣計(jì)算技術(shù)的定義，然后分析了目前發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)，最后論述了邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題和應(yīng)用對策，希望對我國邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展有一定參考和幫助。
01、引言
在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的背景下，為萬物互聯(lián)提供技術(shù)支持，低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代已經(jīng)到來。與此同時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)生量劇增，對計(jì)算設(shè)施的時(shí)效性、安全性、網(wǎng)絡(luò)依賴性等提出了更高的要求。
為更好的解決數(shù)據(jù)問題，提出了邊緣計(jì)算技術(shù)，大大提升了數(shù)據(jù)處理效率，同時(shí)也能夠保證數(shù)據(jù)傳輸、使用、存儲的安全性，為進(jìn)一步發(fā)揮云計(jì)算的作用提供必不可少的技術(shù)支持?；诖耍_展邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展與對策的研究就顯得尤為必要。
02、邊緣計(jì)算技術(shù)的定義
邊緣計(jì)算技術(shù)是由英文Edge－Computing翻譯而來，其中Edge指的是數(shù)據(jù)源和云端數(shù)據(jù)中心之間的網(wǎng)絡(luò)資源，比如:智能手機(jī)就是人和云端之間的Edge。從本質(zhì)上來看，邊緣計(jì)算技術(shù)的核心思想是在距離數(shù)據(jù)源最近的位置進(jìn)行計(jì)算，在數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)融合、數(shù)據(jù)計(jì)算及存儲，為用戶提供了邊緣化、快速化以及智能化打開方式。
邊緣計(jì)算根據(jù)技術(shù)架構(gòu)的不同可分為多接入邊緣計(jì)算(MEC)、微云以及霧計(jì)算三種，如圖1為MEC整體系統(tǒng)架構(gòu)示意。邊緣計(jì)算技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)相比，具有更小的時(shí)延、更快的響應(yīng)速度以及更好的用戶體驗(yàn)，并能促進(jìn)移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)/車聯(lián)網(wǎng)之間的深度融合，具有良好的發(fā)展前景。
圖1 MEC整體系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
03、邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
2016年11月30日，由華為技術(shù)有限公司、中國科學(xué)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)（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合倡議發(fā)起的邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在北京正式成立。同年發(fā)布了《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)》1.0版本，在2017更新為2.0版本。如圖2所示。邊緣計(jì)算技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)5G的關(guān)鍵技術(shù)。
圖2邊緣計(jì)算應(yīng)用場景
目前我國三大運(yùn)營商都已經(jīng)完成了邊緣計(jì)算技術(shù)立項(xiàng)，其中聯(lián)通運(yùn)營商發(fā)起了5G邊緣計(jì)算平臺研究項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了邊緣計(jì)算技術(shù)和移動網(wǎng)絡(luò)的相互融合，并于2018年2月在15個(gè)省市啟動了Edge－Cloud規(guī)模試點(diǎn)及相關(guān)工作;移動運(yùn)營商立項(xiàng)了《邊緣計(jì)算總體技術(shù)要求》，在我國江蘇省等城市設(shè)置了CDN邊緣節(jié)點(diǎn);電信運(yùn)營商立項(xiàng)了《邊緣計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)研究》，2018年構(gòu)建了很多CDN來驗(yàn)證解決相關(guān)環(huán)境問題，驗(yàn)證結(jié)果比較理想，使得邊緣計(jì)算技術(shù)得到了快速發(fā)展。
目前關(guān)于邊緣計(jì)算技術(shù)的研究和測試正在如火如荼的進(jìn)行，從總體發(fā)展進(jìn)程和效果上來看，我國邊緣計(jì)算技術(shù)尚處于發(fā)展的初級階段。
04、邊緣計(jì)算技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
就我國目前邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，仍然處于發(fā)展起步階段，雖然也取得了一定成效，但從目前實(shí)際應(yīng)用效果的角度來看，還面臨著很多挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1.資源管理主體太多
邊緣計(jì)算技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，很多資源都分散在數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡缆飞?，管理主體非常多，包括:用戶終端設(shè)備、通信基站、控制路由器、邊緣服務(wù)器等。而云計(jì)算在應(yīng)用資源管理主體比較集中，因此，云計(jì)算資源管理模式，并不能適用于邊緣計(jì)算技術(shù)的資源管理。
資源管理需要消耗很多成本及精力，無法實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算技術(shù)的有效應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)多主體資源管理控制的靈活性及便捷性，是目前邊緣計(jì)算技術(shù)中面臨的主要挑戰(zhàn)之一。
2.移動管理難度較大
邊緣計(jì)算技術(shù)在應(yīng)用時(shí)需要資源廣泛分布特性的支持，邊緣計(jì)算技術(shù)特性，決定了一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，只為周圍用戶提供服務(wù)。如果用戶需要移動應(yīng)用，就需要頻繁切換邊緣計(jì)算的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。
相比而言，云計(jì)算提供的服務(wù)器位置比較固定，用戶使用數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)都可以傳輸?shù)椒?wù)器中。因此，移動管理是邊緣計(jì)算技術(shù)專用模式，應(yīng)用需要先發(fā)現(xiàn)資源，然后再切換到資源服務(wù)節(jié)點(diǎn)上，才能使用。
3.虛擬化技術(shù)
為了提升邊緣計(jì)算資源管理效率，邊緣計(jì)算技術(shù)需要虛擬化技術(shù)的支持，如何為邊緣計(jì)算技術(shù)選擇一個(gè)與之相適應(yīng)的虛擬化技術(shù)是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)課題。就目前發(fā)展現(xiàn)狀而言，虛擬化技術(shù)日新月異，如何更好的解決虛擬機(jī)與容器之間的規(guī)則束縛和界線限制，實(shí)現(xiàn)二者相互融合，同時(shí)具有二者的優(yōu)勢和功能，也是邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展面臨的一大挑戰(zhàn)。
4.數(shù)據(jù)分析
大數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)產(chǎn)生量劇增，雖然有價(jià)值的信息也隨之增加，但也增加了數(shù)據(jù)挖掘的難度及數(shù)據(jù)處理時(shí)間。而有價(jià)值的信息普遍具有很強(qiáng)的時(shí)效性，如果在規(guī)定期間內(nèi)，沒有被及時(shí)挖掘出來，也就失去了其原有的價(jià)值。通過邊緣計(jì)算技術(shù)可以在數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，就對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，雖然可以更早的分析數(shù)據(jù)，但同時(shí)可能失去一些有價(jià)值的信息。因此，如何保證信息時(shí)效性和價(jià)值量，也是邊緣計(jì)算技術(shù)中亟待解決的問題之一。
5.編程模型
邊緣計(jì)算資源和云計(jì)算資源相比，具有動態(tài)化、異構(gòu)性、分散性的特征，大大提升了邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用程序編程的復(fù)雜性和難度。為解決這一問題，就必須創(chuàng)新出更加適用于邊緣計(jì)算資源的編程模型，這將是一個(gè)很漫長的過程。
05、邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵性問題研究
1.針對不同設(shè)備的模型壓縮和優(yōu)化
基于邊緣計(jì)算的技術(shù)特征，云計(jì)算的學(xué)習(xí)模型無法滿足其要求。需要大量復(fù)雜的算法重新模擬并訓(xùn)練學(xué)習(xí)模型，但此種模型結(jié)構(gòu)比較龐大，由上百萬，甚至上億參數(shù)共同組成。在具體運(yùn)行中需要消耗大量內(nèi)存資源。雖然邊緣計(jì)算設(shè)備自身具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲能力，但還是無法和云計(jì)算服務(wù)器相比。
如何解決深度學(xué)習(xí)模型運(yùn)行中的資源受限問題，是目前邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用中存在的主要問題。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模型在壓縮和優(yōu)化時(shí)，比較關(guān)注減少模型規(guī)模量和降低模型精度。而邊緣計(jì)算設(shè)備具有種類繁多、差異化、處理器和內(nèi)存相差明顯的特點(diǎn)。因此，傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模型，根本無法滿足邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用的要求，在學(xué)習(xí)模型設(shè)計(jì)時(shí)，既要滿足邊緣計(jì)算技術(shù)的要求，又要考慮模型規(guī)模體量和精度損失，同時(shí)也要考慮邊緣計(jì)算設(shè)備運(yùn)行時(shí)的延遲和能耗。
2.基于異構(gòu)硬件資源的系統(tǒng)優(yōu)化
假設(shè)有一個(gè)學(xué)習(xí)模型，滿足邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用要求，則還要綜合考慮如何提升模型的運(yùn)行效率。需要通過模型推理引擎，最大限度提升邊緣計(jì)算系統(tǒng)運(yùn)行性能。既要從軟件層面上對邊緣計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，也要實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)，充分利用底層硬件。
比如:智能手機(jī)就是邊緣計(jì)算技術(shù)的主要體現(xiàn)，有很多異構(gòu)化硬件資源，包括:規(guī)模體量不一的CPU核、運(yùn)行能力不一DSP和GPU，甚至是NPU也各不相同。但目前現(xiàn)有的邊緣計(jì)算系統(tǒng)只能應(yīng)用一種計(jì)算資源，或者應(yīng)用CPU，或應(yīng)用GPU，只能選擇一個(gè)應(yīng)用，無法最大限度上發(fā)揮硬件設(shè)備應(yīng)有的性能及價(jià)值，從而影響了模型運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率。
3.數(shù)據(jù)和隱私安全保護(hù)
如何保證用戶數(shù)據(jù)及隱私的安全性，是邊緣計(jì)算技術(shù)研究的主要課題，如果邊緣計(jì)算設(shè)備無法運(yùn)行高精度模型，就只能通過云服務(wù)器來執(zhí)行深度學(xué)習(xí)模型。此時(shí)，就要用到遠(yuǎn)程計(jì)算資源，但不能泄露用戶隱私數(shù)據(jù)。
此外，模型安全也要綜合考慮，運(yùn)行良好的學(xué)習(xí)模型需要投入大量人力、物力、財(cái)力，但學(xué)習(xí)模型屬于數(shù)字化資產(chǎn)，只能在云計(jì)算環(huán)境下運(yùn)行和存儲，普通用戶根本無法使用模型數(shù)據(jù)。而在邊緣計(jì)算環(huán)境下，學(xué)習(xí)模型主要部署在本地設(shè)備上，不法分子在使用時(shí)可破譯終端系統(tǒng)，甚至復(fù)制模型上的數(shù)據(jù)，如何保證學(xué)習(xí)模型的安全，也是目前亟待解決的問題。
06、邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用對策研究
根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從2017年到2026年，美國將在邊緣計(jì)算技術(shù)研究及應(yīng)用中投資870億美元，歐洲國家將投資1850億美元，來爭取邊緣計(jì)算技術(shù)研究的最新成果。因此，面對如此復(fù)雜的競爭環(huán)境和發(fā)展機(jī)遇，要想更好的發(fā)展邊緣計(jì)算技術(shù)，可采取如下對策:
1.建設(shè)邊緣計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范
邊緣計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用，需要大量終端設(shè)備、邊緣節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備等方面的共同支持。并且這些設(shè)備普遍具有異構(gòu)性，來自于不同的生產(chǎn)廠家，即便是相同的設(shè)備，可能也存在數(shù)據(jù)接口不一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一、傳輸協(xié)議不一致等問題。因此，必須通過相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，協(xié)調(diào)生產(chǎn)，以降低邊緣計(jì)算技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本，促使邊緣計(jì)算技術(shù)持續(xù)發(fā)展。
2.注重新技術(shù)的使用
邊緣計(jì)算技術(shù)是立足于“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的新型計(jì)算技術(shù)。這些信息技術(shù)的發(fā)展水平，直接決定了邊緣計(jì)算技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用效果。并且邊緣計(jì)算技術(shù)還能和大數(shù)據(jù)技術(shù)、5G通信技術(shù)、智能信息處理技術(shù)等技術(shù)互通互聯(lián)。所以，我國在研究和應(yīng)用邊緣計(jì)算技術(shù)時(shí)，要加快新一代信息技術(shù)的研發(fā)步伐，提升核心技術(shù)的研發(fā)速度，為邊緣計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供更加有力的技術(shù)支持。
3.加強(qiáng)邊緣計(jì)算技術(shù)開源生態(tài)建設(shè)
邊緣計(jì)算技術(shù)由海量終端設(shè)備共同組成，這些終端設(shè)備在運(yùn)行中如果采用相同的開源操作系統(tǒng)，就形成了開源生態(tài)環(huán)境。通過開源系統(tǒng)來維持核心代碼，形成業(yè)界認(rèn)可的技術(shù)接口，有利于邊緣計(jì)算技術(shù)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。
07、結(jié)束語
綜上所述，本文結(jié)合理論實(shí)踐，研究了邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展與對策，研究結(jié)果表明，邊緣計(jì)算技術(shù)是一種全新融合的技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，降低網(wǎng)絡(luò)延遲提供全新的技術(shù)支持。但畢竟是一項(xiàng)新型技術(shù)，還存在很多問題。
針對我國目前邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)，可從建設(shè)邊緣計(jì)算技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、注重新技術(shù)的使用、加強(qiáng)邊緣計(jì)算技術(shù)開源生態(tài)建設(shè)等方面同時(shí)入手，促使邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展。
