邊緣計(jì)算是分布式體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要發(fā)展方向。根據(jù)IDC在Red Hat的新聞稿中引用的Worldwide Edge支出指南，估計(jì)2024年全球Edge計(jì)算市場(chǎng)將達(dá)到2506億美元。顯然，這是一項(xiàng)值得關(guān)注的技術(shù)。
邊緣計(jì)算的本質(zhì)是將計(jì)算盡可能接近使用者的物理側(cè)，提供快速，有效的復(fù)雜計(jì)算服務(wù)。然而，與基于數(shù)據(jù)中心的分布式體系結(jié)構(gòu)不同的是，邊緣計(jì)算涉及分布在廣闊區(qū)域的物理設(shè)備，該體系結(jié)構(gòu)涉及位于同一區(qū)域位置的計(jì)算機(jī)集群之間的服務(wù)間通信。在某些情況下，機(jī)器還在持續(xù)移動(dòng)中，諸如倉(cāng)庫(kù)的鏟車，無(wú)人駕駛車輛。將各種各樣的物理設(shè)備引入數(shù)字領(lǐng)域從根本上改變了分布式計(jì)算的方式。（見(jiàn)下圖1）
圖1：在分布式計(jì)算模式中，邊緣計(jì)算需要更高程度的分割（segmentation）
邊緣計(jì)算架構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵因素是邏輯、物理、數(shù)據(jù)的分割。計(jì)算設(shè)備在應(yīng)用場(chǎng)景中的位置和方式是邊緣計(jì)算的重要因素。在云計(jì)算環(huán)境中，保護(hù)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)是首要考慮的問(wèn)題，而在邊緣計(jì)算中，保護(hù)數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)物理設(shè)備免受惡意入侵與保護(hù)進(jìn)出設(shè)備的數(shù)據(jù)同樣重要。以避免例如客廳智能設(shè)備的入侵和監(jiān)聽(tīng)，或者接管行駛中汽車的駕駛員輔助系統(tǒng)等等事件的發(fā)生。
這些風(fēng)險(xiǎn)是邊緣計(jì)算中的一些真正挑戰(zhàn)，必須加以解決。幸運(yùn)的是，他們主要是通過(guò)關(guān)注圍繞分割（segmentation）的架構(gòu)設(shè)計(jì)考慮。
在本文中，將研究邊緣計(jì)算環(huán)境中的分割以及隱含的挑戰(zhàn)。最后將研究分割物理、邏輯和數(shù)據(jù)的不同方法。
面臨的挑戰(zhàn)
1，硬件的挑戰(zhàn)
邊緣計(jì)算將分布式計(jì)算引入到許多因素中，這些因素增加了架構(gòu)設(shè)計(jì)分割策略的復(fù)雜性。標(biāo)準(zhǔn)的云計(jì)算環(huán)境是相對(duì)同質(zhì)的，由包含x86機(jī)器機(jī)架的數(shù)據(jù)中心和通過(guò)光纖以太網(wǎng)TCP/IP進(jìn)行通信的大型機(jī)組成。而邊緣計(jì)算則不同，邊緣計(jì)算結(jié)合了各種各樣的設(shè)備和通信協(xié)議，可以由任何數(shù)量的物理芯片組提供支持，一些設(shè)備，如自動(dòng)柜員機(jī)（ATM）使用標(biāo)準(zhǔn)x86cpu，運(yùn)行在Raspberry-PI上的設(shè)備使用ARM架構(gòu)。有些設(shè)備使用的芯片組是該設(shè)備所獨(dú)有的，比如機(jī)器人系統(tǒng)和汽車中的芯片組。
2，通信協(xié)議的挑戰(zhàn)
一個(gè)設(shè)備可以通過(guò)直接以太網(wǎng)電纜進(jìn)行通信，另一個(gè)設(shè)備使用通過(guò)802.11x進(jìn)行通信的無(wú)線技術(shù)，還有第三個(gè)設(shè)備使用藍(lán)牙進(jìn)行連接。所有這些設(shè)備都需要支持。
3，系統(tǒng)更新的挑戰(zhàn)
在使用筆記本電腦、平板電腦或手機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算設(shè)備時(shí)，更新這些系統(tǒng)相當(dāng)簡(jiǎn)單，因?yàn)橥ǔ？梢詮木W(wǎng)絡(luò)中訪問(wèn)這些系統(tǒng)。但如果一輛自動(dòng)駕駛汽車有特殊的硬件，使用特殊的協(xié)議，并且有間歇性的網(wǎng)絡(luò)連接，那么升級(jí)將構(gòu)成一項(xiàng)重大的挑戰(zhàn)，又必須被適應(yīng)。因此，在物理、邏輯和數(shù)據(jù)級(jí)別關(guān)注邊緣計(jì)算環(huán)境中的資源分割非常重要。
物理分割
物理分割是關(guān)于在各種物理機(jī)器上分離分布式體系結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分。如上所述，在中央數(shù)據(jù)中心，物理分割通常涉及將計(jì)算機(jī)硬件放置在建筑物內(nèi)的服務(wù)器機(jī)架中。在網(wǎng)絡(luò)上的機(jī)器之間需要閃電通信的情況下，這些設(shè)備需盡可能彼此靠近。設(shè)備間的距離越近，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間就越短。對(duì)于時(shí)間敏感度較低的應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心內(nèi)機(jī)器的實(shí)際距離影響較小，只要把所有東西都放在同一棟樓就夠了。
然而，當(dāng)邊緣計(jì)算開(kāi)始發(fā)揮作用時(shí)，事情變得更加復(fù)雜。機(jī)器放置在哪里很重要，特別是當(dāng)應(yīng)用程序域分布在廣闊的地理區(qū)域時(shí)。設(shè)備之間的長(zhǎng)距離可以轉(zhuǎn)化為通信鏈中更大的延遲。在這種情況下，物理計(jì)算網(wǎng)格需要分解成更小的部分。
其中一個(gè)已經(jīng)出現(xiàn)的分割模式被稱為霧模式。Fog模式是將衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心和采集點(diǎn)定位為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和主數(shù)據(jù)中心之間的中間計(jì)算點(diǎn)。（見(jiàn)下圖2）
圖2:Fog模式描述了一種在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和主數(shù)據(jù)中心之間分割物理計(jì)算的方法
霧中的數(shù)據(jù)中心充當(dāng)準(zhǔn)邊緣設(shè)備，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候，它們運(yùn)行在專用網(wǎng)絡(luò)上，在特定的位置，并且有特殊的用途。
Fog架構(gòu)的一個(gè)例子是交通攝像頭系統(tǒng)，其中一組交通攝像頭連接到市政電網(wǎng)的地區(qū)數(shù)據(jù)中心。每個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)中心連接回城市的主要數(shù)據(jù)中心。由于每個(gè)攝像頭都連接到霧燈，因此數(shù)據(jù)傳輸效率更高。然而，簡(jiǎn)單地來(lái)回移動(dòng)數(shù)據(jù)只在使用數(shù)據(jù)的邏輯方面有意義。通過(guò)將關(guān)鍵的編程智能放置在邊緣架構(gòu)中計(jì)算資產(chǎn)的適當(dāng)位置，可以獲得大量的效率。這就是分段編程邏輯發(fā)揮作用的地方。
邏輯分割
在web應(yīng)用程序中分發(fā)智能的典型模式是將UI邏輯、驗(yàn)證規(guī)則和一些計(jì)算能力放在web頁(yè)面或客戶端設(shè)備中。與范圍更廣的應(yīng)用程序相關(guān)的計(jì)算邏輯托管在數(shù)據(jù)中心，例如，在亞馬遜網(wǎng)站.在許多方面，web應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)更接近于傳統(tǒng)的客戶機(jī)-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。
然而，對(duì)于邊緣計(jì)算，在邊緣設(shè)備和主數(shù)據(jù)中心之間應(yīng)用分段邏輯的web服務(wù)器模型并不總是有意義的。當(dāng)邊緣設(shè)備是專用機(jī)器時(shí)尤其如此，例如倉(cāng)庫(kù)中的智能叉車或交通路口的攝像頭。光是網(wǎng)絡(luò)流量就可能成為一個(gè)攔路虎。如果設(shè)備無(wú)法與主數(shù)據(jù)中心通信，例如，當(dāng)設(shè)備中出現(xiàn)“死區(qū)”時(shí)，操作可能會(huì)停止。因此，如何以及在何處分割邏輯是一個(gè)重要的架構(gòu)決策。
在考慮邏輯分割時(shí)的經(jīng)驗(yàn)法則是在每個(gè)物理分割中只放完成工作所必需的邏輯。例如，假設(shè)特定的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是一個(gè)支持實(shí)時(shí)定位的智能叉車，它可以自動(dòng)在倉(cāng)庫(kù)中找到正確的貨架，從中提取商品。此時(shí)叉車應(yīng)具備導(dǎo)航邏輯，而不必始終連接服務(wù)器以獲取路徑導(dǎo)航的指示。此外，叉車應(yīng)具有進(jìn)行系統(tǒng)更新所需的邏輯，這樣的邏輯可能采用SSH服務(wù)器的形式，允許人工或bash腳本進(jìn)行手動(dòng)更新，或者采用消息訂閱者的形式，該訂閱者在Fog中綁定到消息代理。在這種情況下，叉車上的消息訂閱者從中央消息代理接收更新消息，叉車使用HTTP客戶機(jī)回調(diào)Fog服務(wù)器以更新其代碼。
倉(cāng)庫(kù)導(dǎo)航并選擇商品，以及應(yīng)用更新是智能叉車的核心功能。但是，處理客戶訂單等非核心功能最好由托管在其他地方的邏輯來(lái)完成，例如，在倉(cāng)庫(kù)中的一小組服務(wù)器或位于倉(cāng)庫(kù)區(qū)域的私有Fog中。
限制倉(cāng)庫(kù)的訂單處理適用于設(shè)備的上下文邊界。不過(guò)，在公司供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)的大局中協(xié)調(diào)特定客戶訂單的邏輯可以在公司的資源規(guī)劃服務(wù)的堆棧中進(jìn)一步托管。（見(jiàn)圖3。）
圖3：在邊緣計(jì)算架構(gòu)中，邏輯應(yīng)該根據(jù)分割層的基本目的進(jìn)行劃分
在邊緣架構(gòu)中，在邏輯分段方面確實(shí)沒(méi)有“一刀切”的解決方案，但重要共識(shí)是獲得盡可能接近需要的適當(dāng)數(shù)量的邏輯。實(shí)際操作將因設(shè)備陣列和應(yīng)用程序域（application domain）而異。智能手機(jī)本質(zhì)上是一種多功能設(shè)備，它將包含各種各樣的軟件，而功能范圍較窄的設(shè)備，如家用恒溫器，則會(huì)少很多。
弄清楚如何分割邏輯是藝術(shù)和科學(xué)的兩部分。邏輯分段是邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)關(guān)鍵方面，它需要進(jìn)行重要的思考和規(guī)劃，并且需要對(duì)邊緣體系結(jié)構(gòu)中每個(gè)實(shí)體的用途有敏銳的洞察。
數(shù)據(jù)分割
除了在邊緣計(jì)算網(wǎng)格中確定邏輯的分割外，還需要考慮對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。同樣也沒(méi)有“一刀切”的方法，具體取決于數(shù)據(jù)交換的目的和網(wǎng)絡(luò)的物理環(huán)境。
一個(gè)指導(dǎo)原則是較小的數(shù)據(jù)包比較大的數(shù)據(jù)包更容易移動(dòng)，處理速度更快。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式（如協(xié)議緩沖區(qū)）和在高效通信協(xié)議（如gRPC）下的流數(shù)據(jù)具備了非?？焖俚慕粨Q。折衷的辦法是，移動(dòng)到以流傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)在打包和處理數(shù)據(jù)方面給架構(gòu)增加更高的復(fù)雜性。這一點(diǎn)，讓我們重溫上述的智能叉車和倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)景。
在智能叉車和倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)景中有三個(gè)數(shù)據(jù)交換點(diǎn)：智能叉車、本地倉(cāng)庫(kù)私有云（也稱為Fog）和協(xié)調(diào)供應(yīng)鏈的ERP系統(tǒng)。ERP系統(tǒng)托管在一個(gè)安全的全球云中。
智能叉車的目的是從倉(cāng)庫(kù)隔間中取出一個(gè)調(diào)色板的商品。為了滿足需求，本地私有云向智能叉車發(fā)送特定的訂單信息。
本地私有云跟蹤智能叉車的移動(dòng)。此外，本地私有云在智能叉車完成客戶訂單時(shí)，會(huì)發(fā)送與客戶訂單相關(guān)的ERP系統(tǒng)信息，將調(diào)色板上的商品帶到倉(cāng)庫(kù)碼頭，并將其裝載到卡車中交付給客戶。
全局云中的ERP將有關(guān)要填充的訂單的信息發(fā)送到倉(cāng)庫(kù)。整個(gè)場(chǎng)景如上圖3所示。讓我們根據(jù)端點(diǎn)檢查數(shù)據(jù)分割。
1，了解物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的數(shù)據(jù)交換
首先，智能叉車需要將其位置和運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)送到倉(cāng)庫(kù)級(jí)別的專用Fog。倉(cāng)庫(kù)需要位置信息，以提供最有效路徑。如果智能叉車發(fā)生故障，需要向倉(cāng)庫(kù)發(fā)出警報(bào)，從而需要操作狀態(tài)信息。
其次，位置和狀態(tài)信息對(duì)時(shí)間非常敏感。如果倉(cāng)庫(kù)里的過(guò)道被堵住了，智能鏟車就需要立即改變路線。又或者叉車發(fā)生故障，那么正在處理的訂單需要轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器上。叉車可以將位置、路由和狀態(tài)數(shù)據(jù)封裝為小型結(jié)構(gòu)化消息，并以連續(xù)流的形式傳回倉(cāng)庫(kù)。如上所述，流數(shù)據(jù)是快速和有效的，特別是當(dāng)消息從文本轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式時(shí)。因此，將數(shù)據(jù)分割成通過(guò)在gRPC下運(yùn)行的數(shù)據(jù)流交換的二進(jìn)制消息將滿足工作需要。
再次，在發(fā)送和接收訂單信息方面，智能叉車不需要了解客戶訂單的所有信息。它真正需要知道的是訂單ID、商品ID（SKU）和存放托盤商品的倉(cāng)庫(kù)。這三個(gè)值可以構(gòu)造成從倉(cāng)庫(kù)接收的非常小的消息。這種消息交換可以通過(guò)針對(duì)RESTful程序接口的典型HTTP請(qǐng)求響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了更快地傳輸，智能叉車和專用Fog之間的訂單信息可以通過(guò)雙向gRPC流進(jìn)行交換。
最后，無(wú)論系統(tǒng)使用哪種傳輸方法，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（在本例中是智能叉車）和協(xié)調(diào)倉(cāng)庫(kù)中物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備活動(dòng)的專用Fog之間交換的數(shù)據(jù)必須分割成可以非常快速地發(fā)送和接收的小消息。速度是必不可少的。數(shù)據(jù)分割也是必需的。
2，云霧數(shù)據(jù)交換的分割
私有Fog和全球云中托管的ERP系統(tǒng)之間的細(xì)分有很大的區(qū)別。最顯著的區(qū)別是對(duì)數(shù)據(jù)交換的時(shí)間敏感度。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和私人Fog之間的信息交換需要幾乎是即時(shí)的。倉(cāng)庫(kù)的專用Fog和全球ERP系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換可以有更長(zhǎng)的時(shí)間。雖然物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和專用Fog之間的數(shù)據(jù)交換需要以毫秒為單位進(jìn)行，但倉(cāng)庫(kù)和ERP系統(tǒng)之間的交換可以容忍一到兩秒的延遲。而且，ERP系統(tǒng)和倉(cāng)庫(kù)中的私有Fog只對(duì)與訂單履行相關(guān)的信息感興趣。這意味著可以批量提交和接收數(shù)據(jù)。一條消息可以包含大量訂單的數(shù)據(jù)。（參見(jiàn)下面的圖4。）
圖4：數(shù)據(jù)分割是邊緣計(jì)算環(huán)境中企業(yè)架構(gòu)的一個(gè)重要方面
可以在RESTful程序接口上使用標(biāo)準(zhǔn)HTTP促進(jìn)交換，也可以在流中傳輸。這是一個(gè)選擇偏好的問(wèn)題。對(duì)于一些公司來(lái)說(shuō)，在ERP級(jí)別使用REST要比在開(kāi)放和連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接上支持二進(jìn)制數(shù)據(jù)流的編碼和解碼機(jī)制容易得多。此外，正如數(shù)據(jù)是根據(jù)物理環(huán)境和交互目的分割的一樣，數(shù)據(jù)也是如此。因此，確保組織有合適的人在合適的領(lǐng)域工作至關(guān)重要。
為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備編程需要不同于為ERP系統(tǒng)編寫代碼的技能，尤其是在使用專有編程語(yǔ)言編寫專用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)。公司傾向于相應(yīng)地劃分IT開(kāi)發(fā)人員。因此，決定使用的API框架和數(shù)據(jù)格式將在某種程度上取決于可用的人力資源、數(shù)據(jù)交換的目的和交換發(fā)生的物理環(huán)境。
整合
邊緣計(jì)算是分布式計(jì)算的下一個(gè)重大機(jī)遇。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的持續(xù)增長(zhǎng)和商業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的廣泛分布使邊緣技術(shù)成為架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的前沿。
邊緣計(jì)算給現(xiàn)代數(shù)字化企業(yè)帶來(lái)了巨大的能量。對(duì)邊緣計(jì)算中驅(qū)動(dòng)分割模式的動(dòng)力機(jī)制有一個(gè)普遍的關(guān)注是必不可少的。雖然本文中討論的思想只是邊緣計(jì)算中體系結(jié)構(gòu)分割的原則和最佳實(shí)踐的皮毛，但提出的概念是一個(gè)很好的起點(diǎn)。
