邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)策

導(dǎo)讀：本報(bào)告為科技部科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“高新技術(shù)領(lǐng)域年度重點(diǎn)創(chuàng)新進(jìn)展報(bào)告”( 編號(hào)：ZLY201633) 研究成果之一。

本報(bào)告為科技部科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“高新技術(shù)領(lǐng)域年度重點(diǎn)創(chuàng)新進(jìn)展報(bào)告”( 編號(hào)：ZLY201633) 研究成果之一。作者是科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心的傅耀威老師和西北大學(xué)的孟憲佳老師。本文特約編輯：姜念云，本文首發(fā)于《科技中國(guó)》，邊緣計(jì)算社區(qū)整理。全文 4565 字，淺顯易懂，預(yù)計(jì)閱讀 15 分鐘。

邊緣計(jì)算是通過(guò)把計(jì)算、存儲(chǔ)、帶寬、應(yīng)用等資源放在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)，減小傳輸延遲和帶寬限制的新興技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)提供了前所未有的連接性、集中化以及智能化，滿(mǎn)足了敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的需求，將是實(shí)現(xiàn)分布式自治、工業(yè)控制自動(dòng)化的重要支撐。本文對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)進(jìn)行了梳理分析，提出了我國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)策。

一、關(guān)于邊緣計(jì)算技術(shù)

近年來(lái)，“物聯(lián)網(wǎng)”“云計(jì)算”等技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，但是隨著萬(wàn)物互聯(lián)以及 5G 高帶寬、低時(shí)延時(shí)代的到來(lái)，各類(lèi)業(yè)務(wù)如車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、4K/8K、虛擬現(xiàn)實(shí) / 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(VR/AR)等所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算設(shè)施帶來(lái)了實(shí)時(shí)性、網(wǎng)絡(luò)依賴(lài)性和安全性等方面的要求，為了解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出了邊緣計(jì)算的概念。

邊緣計(jì)算的“邊緣”指的是在數(shù)據(jù)源與云端數(shù)據(jù)中心之間的任何計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)資源。例如，智能手機(jī)就是個(gè)人與云端的“邊緣”，智能家居中的網(wǎng)關(guān)就是家庭設(shè)備與云端的“邊緣”。邊緣計(jì)算的基本原理就是在靠近數(shù)據(jù)源的地方進(jìn)行計(jì)算，是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力，就近提供邊緣智能服務(wù)的開(kāi)放平臺(tái)。與云計(jì)算相比較，邊緣計(jì)算就近布置，因而可以理解為云計(jì)算的下沉。

邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前所未有的連接性、集中化和智能化，由此可以滿(mǎn)足敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的需求，是實(shí)現(xiàn)分布式自治、工業(yè)控制自動(dòng)化的重要支撐。

邊緣計(jì)算是計(jì)算系統(tǒng)從扁平到邊緣，以及面向 5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的必然技術(shù)，同時(shí)也提供了一種新的生態(tài)系統(tǒng)和價(jià)值鏈。第三方數(shù)據(jù)分析機(jī)構(gòu) IDC 預(yù)測(cè)，到 2020 年，全球?qū)⒂屑s 500 億的智能設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，其中主要涉及智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、個(gè)人交通工具等，其中 40% 的數(shù)據(jù)需要邊緣計(jì)算服務(wù)。邊緣計(jì)算有著強(qiáng)大市場(chǎng)潛力，也引起了各研究機(jī)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)組織、服務(wù)提供商和產(chǎn)業(yè)界極大的關(guān)注。

二、世界發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

目前，邊緣計(jì)算技術(shù)與應(yīng)用仍處于發(fā)展初期階段，亞馬遜、谷歌和微軟等云計(jì)算巨頭是該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

2017 年，亞馬遜攜 AWS Greengrass 進(jìn)軍邊緣計(jì)算領(lǐng)域，走在了行業(yè)的前面。該服務(wù)將 AWS 擴(kuò)展到設(shè)備上，這樣就可以“在本地處理它們所生成的數(shù)據(jù)，同時(shí)仍然可以使用云來(lái)進(jìn)行管理、分析數(shù)據(jù)和持久的存儲(chǔ)”。

微軟公司計(jì)劃未來(lái) 4 年在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域投入 50 億美元，其中包括邊緣計(jì)算項(xiàng)目。2017 微軟發(fā)布了 Azure IoT Edge 解決方案，該方案“將云分析擴(kuò)展到邊緣設(shè)備”，支持離線(xiàn)使用。該公司還希望聚焦于人工智能應(yīng)用。

谷歌 2017 年以來(lái)已宣布了兩款相關(guān)的新產(chǎn)品，即硬件芯片 Edge TPU 和軟件堆棧 Cloud IoT Edge，意在幫助改善邊緣聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)。谷歌表示，“Cloud IoT Edge 將谷歌云強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)功能擴(kuò)展到數(shù)十億臺(tái)邊緣設(shè)備，比如機(jī)器人手臂、風(fēng)力渦輪機(jī)和石油鉆塔，這樣它們就能夠?qū)?lái)自其傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，并在本地進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)。”

國(guó)際上許多公司也在開(kāi)發(fā)軟件和技術(shù)幫助邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)騰飛?；萜展居?jì)劃在未來(lái) 4 年內(nèi)向邊緣計(jì)算領(lǐng)域投資 40 億美元。該公司的 Edgeline Converged Edge Systems 系統(tǒng)的目標(biāo)客戶(hù)是那些希望獲得數(shù)據(jù)中心級(jí)計(jì)算能力，且通常在邊遠(yuǎn)地區(qū)運(yùn)營(yíng)的工業(yè)合作伙伴。其系統(tǒng)承諾在不依賴(lài)于將數(shù)據(jù)發(fā)送到云或數(shù)據(jù)中心的情況下，為工業(yè)運(yùn)營(yíng)(比如石油鉆井平臺(tái)、工廠(chǎng)或銅礦)提供來(lái)自聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的洞見(jiàn)。

人工智能芯片制造商英偉達(dá)于 2017 年推出了 Jetson TX2，這是一個(gè)面向邊緣設(shè)備的人工智能計(jì)算平臺(tái)。它的前身是 Jetson TX1，它號(hào)稱(chēng)要“重新定義將高級(jí) AI 從云端擴(kuò)展到邊緣的可能性”。

有關(guān)邊緣計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化工作也逐漸受到各大標(biāo)準(zhǔn)化組織的關(guān)注，主要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織紛紛成立相關(guān)工作組，開(kāi)展邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化工作。2014 年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSI)成立移動(dòng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化工作組;2015 年，思科、ARM、戴爾、英特爾、微軟、普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起成立開(kāi)放霧計(jì)算聯(lián)盟;2017 年 ISO/IECJTC1SC41 成立了邊緣計(jì)算研究小組，以推動(dòng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化工作。2017 年 IEC 發(fā)布了 VEI(Vertical Edge Intelli-gence)白皮書(shū)，介紹了邊緣計(jì)算對(duì)于制造業(yè)等垂直行業(yè)的重要價(jià)值。2018 年初，ITU-TSG20(國(guó)際電信聯(lián)盟物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市研究組)成功立項(xiàng)首個(gè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域邊緣計(jì)算項(xiàng)目“用于邊緣計(jì)算的 IOT 需求”。

三、我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與水平

2016 年 11 月 30 日，我國(guó)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(ECC，Edge Computing Consortium)在北京成立。該聯(lián)盟由華為技術(shù)有限公司、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)信息通信研究院、英特爾公司、ARM 和軟通動(dòng)力信息技術(shù)有限公司創(chuàng)始成立，首批成員單位共 62 家，涵蓋科研院校、工業(yè)制造、能源電力等不同領(lǐng)域。2016 年和 2017 年分別出版了國(guó)內(nèi)的《邊緣計(jì)算參考架構(gòu)》1.0 和 2.0 版本，梳理了邊緣計(jì)算的測(cè)試床，提出了邊緣計(jì)算在工業(yè)制造、電力能源、智慧城市、交通等行業(yè)應(yīng)用的解決方案。

邊緣計(jì)算是 5G 的核心能力之一，是實(shí)現(xiàn) 5G 性能提升的關(guān)鍵。2017 年，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(CCSA)發(fā)起了邊緣計(jì)算研究項(xiàng)目。CCSA 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)委員會(huì)(TC5)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特設(shè)任務(wù)組(ST8)都分別立項(xiàng)了有關(guān)邊緣計(jì)算的項(xiàng)目。在 CCSA ST8 中，重點(diǎn)討論面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的邊緣計(jì)算和邊緣云標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容。目前，ST8 任務(wù)組已經(jīng)立項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)包括：《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算總體架構(gòu)與要求》，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算技術(shù)研究》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算邊緣節(jié)點(diǎn)模型與要求》，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算需求》。

在 CCSA TC5 中，三大運(yùn)營(yíng)商分別在邊緣計(jì)算領(lǐng)域立項(xiàng)，涉及邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)、場(chǎng)景需求、關(guān)鍵技術(shù)研究和總體技術(shù)要求。中國(guó)聯(lián)通發(fā)起并主導(dǎo)的“5G 邊緣計(jì)算平臺(tái)能力開(kāi)放技術(shù)研究”項(xiàng)目，將結(jié)合邊緣計(jì)算平臺(tái)架構(gòu)以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)能力，進(jìn)行 5G 邊緣計(jì)算能力開(kāi)放的場(chǎng)景分析和方案研究，進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)信息開(kāi)放框架與內(nèi)容。中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)電信也分別牽頭立項(xiàng)《邊緣計(jì)算總體技術(shù)要求》和《邊緣計(jì)算關(guān)鍵技術(shù)研究》，內(nèi)容涵蓋了 5G MEC 的關(guān)鍵技術(shù)，包括：本地分流、業(yè)務(wù)緩存和加速、本地內(nèi)容計(jì)費(fèi)、智能化感知與分析、網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放、移動(dòng)性管理和業(yè)務(wù)連續(xù)性保障。

三大運(yùn)營(yíng)商在邊緣計(jì)算方面已經(jīng)展開(kāi)廣泛探索。其中，中國(guó)聯(lián)通 2018 年 2 月宣布正式啟動(dòng)全國(guó)范圍內(nèi) 15 個(gè)省市的 Edge-Cloud 規(guī)模試點(diǎn)和數(shù)千個(gè)邊緣數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃建設(shè)工作;中國(guó)移動(dòng)在江蘇、浙江等地通過(guò)核心網(wǎng)下沉網(wǎng)關(guān)分流至 CDN 邊緣節(jié)點(diǎn)，并探索了一些商用場(chǎng)景;中國(guó)電信在 2018 年搭建了基于邊緣計(jì)算的 vCDN 概念驗(yàn)證解決方案環(huán)境，測(cè)試結(jié)果理想。

目前，運(yùn)營(yíng)商的邊緣計(jì)算主要處于技術(shù)研究、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以及相對(duì)簡(jiǎn)單場(chǎng)景的預(yù)商用階段。英特爾和阿里云聯(lián)合在重慶瑞方渝美壓鑄有限公司打造的工業(yè)邊緣計(jì)算平臺(tái)，采用了英特爾開(kāi)發(fā)的深度學(xué)習(xí)算法和數(shù)據(jù)采集到協(xié)議轉(zhuǎn)換的軟件，以及阿里云開(kāi)發(fā)的基于 Yocto 的操作系統(tǒng)(AliOS Things)、數(shù)據(jù)接入云端 Link Edge。該平臺(tái)可以運(yùn)行在工業(yè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)本地，并將結(jié)果聚合并存儲(chǔ)在邊緣服務(wù)器上，再通過(guò)阿里云的 LinkEdge 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上云。該平臺(tái)采用的機(jī)器視覺(jué)解決方案在 0.695 秒的時(shí)間內(nèi)，幾乎可以實(shí)時(shí)地識(shí)別制造缺陷，檢測(cè)精度約為 100%。

總體來(lái)說(shuō)，我國(guó)的邊緣計(jì)算研究還處于起步階段。

四、邊緣計(jì)算面臨的挑戰(zhàn)

目前，關(guān)于邊緣計(jì)算的研究才剛剛起步，雖然已經(jīng)取得了一定成果，但從實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，還存在很多問(wèn)題需要研究，下面對(duì)其中的幾個(gè)主要問(wèn)題進(jìn)行分析。

第一，多主體的資源管理。邊緣計(jì)算資源分散在數(shù)據(jù)的傳輸路徑上，被不同的主體所管理和控制，比如用戶(hù)控制終端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商控制通信基站、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供商控制路由器、應(yīng)用服務(wù)供應(yīng)商控制邊緣服務(wù)器與內(nèi)容傳輸網(wǎng)絡(luò)。而云計(jì)算中的資源都是集中式的管理，因此云計(jì)算的資源管理方式并不適用管理邊緣計(jì)算分散的資源。而目前關(guān)于邊緣計(jì)算的研究也主要集中在對(duì)單一主體資源的管理和控制，還未涉及多主體資源的管理，實(shí)現(xiàn)靈活的多主體資源管理是一個(gè)十分富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

第二，應(yīng)用的移動(dòng)管理。邊緣計(jì)算依靠資源在地理上廣泛分布的特點(diǎn)來(lái)支持應(yīng)用的移動(dòng)性，一個(gè)邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)只服務(wù)周?chē)挠脩?hù)，應(yīng)用的移動(dòng)就會(huì)造成服務(wù)節(jié)點(diǎn)的切換，而云計(jì)算對(duì)應(yīng)用移動(dòng)性的支持則是“服務(wù)器位置固定，數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器”。所以，在邊緣計(jì)算中應(yīng)用的移動(dòng)管理也是一種新模式，涉及到資源發(fā)現(xiàn)和資源切換等問(wèn)題。

第三，虛擬化技術(shù)。為了方便資源的有效管理，邊緣計(jì)算需要虛擬化技術(shù)的支持，為系統(tǒng)選擇合適的虛擬化技術(shù)是邊緣計(jì)算的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，新型的虛擬化技術(shù)層出不窮，如何打破虛擬機(jī)和容器的規(guī)則與界線(xiàn)，將兩者充分融合，同時(shí)具備兩者的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)適應(yīng)邊緣計(jì)算特點(diǎn)的虛擬化技術(shù)，也是一大挑戰(zhàn)。

第四，數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)量越大，往往提取出的價(jià)值信息就越多。但是收集數(shù)據(jù)需要時(shí)間，價(jià)值信息往往也具有時(shí)效性。邊緣計(jì)算使數(shù)據(jù)可以在匯集的過(guò)程中被處理與分析，很多數(shù)據(jù)如果被過(guò)早地分析，可能會(huì)丟失很多有價(jià)值的信息，所以如何權(quán)衡提取信息的價(jià)值量與時(shí)效性是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

第五，編程模型。邊緣計(jì)算資源動(dòng)態(tài)、異構(gòu)與分散的特性使應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)十分困難。為減少應(yīng)用的開(kāi)發(fā)難度，需要可以適應(yīng)邊緣計(jì)算資源的編程模型。

五、我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展對(duì)策

據(jù)估算，2017—2026 年美國(guó)在邊緣計(jì)算方面的支出將達(dá)到 870 億美元，歐洲則為 1850 億美元。因此，為應(yīng)對(duì)新的發(fā)展機(jī)遇，對(duì)我國(guó)發(fā)展邊緣計(jì)算技術(shù)，建議采取以下對(duì)策。

第一，加強(qiáng)邊緣計(jì)算的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范建設(shè)。邊緣計(jì)算涉及到海量的終端設(shè)備、邊緣節(jié)點(diǎn)，是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理的前端，而這些設(shè)備往往存在異構(gòu)性，來(lái)自于不同的生產(chǎn)廠(chǎng)商、不同的數(shù)據(jù)接口、不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、不同的傳輸協(xié)議、不同的底層平臺(tái)等。為此，統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)亟待達(dá)成一致。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定，也將大大節(jié)約邊緣云等的建設(shè)成本。

第二，注重將邊緣計(jì)算技術(shù)發(fā)展與新一代信息技術(shù)結(jié)合。應(yīng)將邊緣計(jì)算技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用與“互聯(lián)網(wǎng) +”、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和新一代通信技術(shù)等研發(fā)計(jì)劃發(fā)展協(xié)同起來(lái)。邊緣計(jì)算是與云計(jì)算相生相伴的一種技術(shù)，并且與大數(shù)據(jù)、5G 通信和智能信息處理技術(shù)等高度聯(lián)接。因此，我國(guó)在制定相關(guān)研發(fā)計(jì)劃的時(shí)候，要將對(duì)邊緣計(jì)算技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展納入進(jìn)去，加快相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)，促進(jìn)邊緣計(jì)算技術(shù)成熟度的提升。

第三，加強(qiáng)邊緣計(jì)算的開(kāi)源生態(tài)建設(shè)。邊緣計(jì)算本身由海量的終端設(shè)備構(gòu)成，而眾多智能終端如采用統(tǒng)一的開(kāi)源操作系統(tǒng)，便可形成邊緣計(jì)算的開(kāi)源生態(tài)環(huán)境。利用開(kāi)源生態(tài)來(lái)維持核心代碼，形成業(yè)界認(rèn)可的技術(shù)接口、關(guān)鍵功能、發(fā)展路徑等，將會(huì)給各廠(chǎng)商提供均等的發(fā)展機(jī)會(huì)。