邊緣計(jì)算如何層次化部署？

作者：王一鳴 2017-09-02 13:44:17
云計(jì)算
邊緣計(jì)算 隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的發(fā)展，邊緣計(jì)算正在興起。邊緣計(jì)算源于工業(yè)領(lǐng)域，主要部署在終端設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，旨在幫助工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備，在數(shù)據(jù)不上傳云端的情況下，也能夠具有近端的決策控制力。隨著邊緣計(jì)算熱度不斷升溫，邊緣計(jì)算和霧計(jì)算的差別，邊緣計(jì)算如何分層部署等現(xiàn)實(shí)問題，成為業(yè)界關(guān)注的觀點(diǎn)。

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邊緣計(jì)算強(qiáng)調(diào)的是邊緣。如果說云計(jì)算意味著要將所有的數(shù)據(jù)都匯總到后端的數(shù)據(jù)中心處理，那么邊緣計(jì)算則是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)邊緣智能。正是基于這一特性，邊緣計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高頻交互、實(shí)時(shí)傳輸，因此有望在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時(shí)代大放異彩。相關(guān)預(yù)測(cè)顯示，到2020年將有超過500億的終端與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，未來超過50%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與儲(chǔ)存。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的發(fā)展，邊緣計(jì)算正在興起。邊緣計(jì)算源于工業(yè)領(lǐng)域，主要部署在終端設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，旨在幫助工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備，在數(shù)據(jù)不上傳云端的情況下，也能夠具有近端的決策控制力。隨著邊緣計(jì)算熱度不斷升溫，邊緣計(jì)算和霧計(jì)算的差別，邊緣計(jì)算如何分層部署等現(xiàn)實(shí)問題，成為業(yè)界關(guān)注的觀點(diǎn)。

邊緣計(jì)算≠霧計(jì)算

如果留意“邊緣計(jì)算”，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它有個(gè)兄弟，叫“霧計(jì)算”。大多數(shù)發(fā)表的文章，對(duì)這兩個(gè)詞的解釋是差不多的：它們都是相對(duì)于“云計(jì)算”而言的，在網(wǎng)絡(luò)邊緣，更接近原生數(shù)據(jù)(物理感知)的地方進(jìn)行的計(jì)算。

此前，我們看到的大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)信息處理模式，都是“端-管-云”的模式。在應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)，“端”只負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令，而“云”負(fù)責(zé)所有的數(shù)據(jù)分析和控制邏輯功能?！斑吘売?jì)算”或者“霧計(jì)算”，就是將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析和控制邏輯功能，放到應(yīng)用場(chǎng)景的附近來實(shí)現(xiàn)，因而也有一個(gè)很形象的叫法——“貼地計(jì)算”。

雖然，整體上“邊緣計(jì)算”和“霧計(jì)算”的概念差不多，但其實(shí)還是有差別的。

“邊緣計(jì)算”源自工業(yè)領(lǐng)域，主要部署在終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)上。目前已經(jīng)普遍存在于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(嵌入式物聯(lián)網(wǎng))應(yīng)用、制造業(yè)、零售、ATM機(jī)、智能手機(jī)和虛擬/混合現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。邊緣計(jì)算使得工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備，無需云計(jì)算的幫助，也能具有近端的決策控制能力。

“霧計(jì)算”(Fog Computing)，脫殼于“云計(jì)算”，是指將云計(jì)算的(部分)功能，部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備中，局部的集中化計(jì)算。它其實(shí)是云計(jì)算(Cloud Computing)的延伸概念，由思科于2011年提出。

由此可見，“邊緣計(jì)算”和“霧計(jì)算”確實(shí)還是有一些差異的。邊緣計(jì)算主要是在“端”中，這個(gè)端是指電子終端設(shè)備或傳感器;而霧計(jì)算還是在“云”中，部署在一定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)集中站點(diǎn)上。用一個(gè)智慧家庭的(WiFi)網(wǎng)絡(luò)來舉例，一個(gè)App在手機(jī)內(nèi)進(jìn)行的脫網(wǎng)計(jì)算就是邊緣計(jì)算，而家庭智能盒子(智能WiFi網(wǎng)關(guān))則是霧計(jì)算的主體。

盡管兩者有所差別，但目前有一些文章并沒有嚴(yán)格區(qū)分二者。事實(shí)上，由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景廣泛，應(yīng)用在“端”和“網(wǎng)關(guān)”上的計(jì)算都會(huì)有所涉及。所以，既然它們都是相對(duì)于“云計(jì)算”而言的，那么也就沒有必要區(qū)分部署的位置(生產(chǎn)設(shè)備、傳感設(shè)備、網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器)，一般情況下都以“邊緣計(jì)算”為表述。

智能分層部署

“邊緣計(jì)算”和“霧計(jì)算”的差異，給我們以啟示：物聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算能力，具有分層部署的特征。這個(gè)特征，不同于互聯(lián)網(wǎng)中的云計(jì)算部署模式，可以從兩個(gè)維度來討論。

參考物聯(lián)網(wǎng)的邊緣架構(gòu)模型

邊緣計(jì)算聯(lián)盟ECC針對(duì)邊緣計(jì)算，定義了四個(gè)領(lǐng)域：設(shè)備域(感知與控制層)、網(wǎng)絡(luò)域(連接和網(wǎng)絡(luò)層)、數(shù)據(jù)域(存儲(chǔ)和服務(wù)層)、應(yīng)用域(業(yè)務(wù)和智能層)。這四個(gè)“層域”就是邊緣計(jì)算的計(jì)算對(duì)象。

設(shè)備域：邊緣計(jì)算在這一層，可以對(duì)感知的信息直接進(jìn)行計(jì)算處理。比如在視頻采集、音頻采集中直接部署智能鑒別的能力;又或者像手機(jī)一樣，能夠由語音輸入直接轉(zhuǎn)換成文字輸出。

網(wǎng)絡(luò)域：通過部署計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。要解決物理網(wǎng)中數(shù)據(jù)異構(gòu)的問題，就需要在網(wǎng)絡(luò)域中部署邊緣計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)化(例如將所有的感知數(shù)據(jù)都換算成MQTT類型數(shù)據(jù)，并通過HTTP方式傳遞)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)域的邊緣計(jì)算，還能對(duì)“融合網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行智能化管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余，保證網(wǎng)絡(luò)的安全，并可進(jìn)一步參與網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化工作。

數(shù)據(jù)域：邊緣計(jì)算，使得數(shù)據(jù)管理更智能、存儲(chǔ)方式更靈活。首先，邊緣計(jì)算可以對(duì)數(shù)據(jù)的完整性和一致性進(jìn)行分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗工作，消滅系統(tǒng)中的“臟”數(shù)據(jù)。其次，邊緣計(jì)算可以對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)能力以及系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)地部署。***，邊緣計(jì)算還能和云端計(jì)算保持高效協(xié)同、合理分擔(dān)運(yùn)算任務(wù)。

應(yīng)用域：邊緣計(jì)算提供屬地化的業(yè)務(wù)邏輯和應(yīng)用智能。它使得應(yīng)用具有靈便、快速反應(yīng)的能力，并在離線的情況下(和云端失去聯(lián)系時(shí))，仍能夠獨(dú)立地提供本地化的應(yīng)用服務(wù)。

在物聯(lián)網(wǎng)貼近用戶和應(yīng)用場(chǎng)景的地方，邊緣計(jì)算被部署在以上4個(gè)層域中。它使得設(shè)備具有智能化的感知能力，裝配自適應(yīng)的連接策略和(數(shù)字)部署策略，解決系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，并提供局部的業(yè)務(wù)邏輯甚至智能。

參考物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用/地域/覆蓋范圍

從始創(chuàng)的感知數(shù)據(jù)到終結(jié)的云端智能，數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)應(yīng)用的需要而經(jīng)歷多次的匯聚和計(jì)算。例如從智慧家庭到智慧城市，海量的數(shù)據(jù)匯集并非一步到位實(shí)現(xiàn)的。此外，數(shù)據(jù)匯聚的每個(gè)階段中還各有獨(dú)立的應(yīng)用和業(yè)務(wù)，這意味著計(jì)算有層級(jí)化部署的需要。

智慧城市被分成了四個(gè)“物聯(lián)網(wǎng)(大小)層級(jí)”：家、小區(qū)、社區(qū)、城市(如上圖)。這四層各有應(yīng)用和服務(wù)，服務(wù)范圍和覆蓋區(qū)域從家到城市逐漸擴(kuò)大。各層級(jí)中有部分應(yīng)用相對(duì)獨(dú)立，與上下層級(jí)無關(guān);而另有一部分應(yīng)用則會(huì)“層層升級(jí)”：家庭醫(yī)生(家)>社區(qū)醫(yī)療(社區(qū))>醫(yī)療衛(wèi)生(城市)。

從物聯(lián)網(wǎng)層級(jí)的角度來看，云計(jì)算和邊緣計(jì)算的關(guān)系，會(huì)依據(jù)應(yīng)用來區(qū)分：

1. 對(duì)于各層級(jí)獨(dú)有的業(yè)務(wù)，只需在對(duì)應(yīng)層級(jí)獨(dú)立部署針對(duì)性的計(jì)算能力(只需要“云計(jì)算”)。
2. 對(duì)于穿透(關(guān)聯(lián))多層級(jí)的應(yīng)用，需要從上至下都部署計(jì)算能力。下層計(jì)算和上層計(jì)算的關(guān)系就是邊緣計(jì)算和云計(jì)算的關(guān)系?！吧鐓^(qū)醫(yī)療-社區(qū)”是“家庭醫(yī)生-家”的“云”，而又是“醫(yī)療衛(wèi)生-城市”的“邊緣”。
3. “邊緣”和“云”的關(guān)系互換：針對(duì)單個(gè)應(yīng)用，可能會(huì)在(物理網(wǎng)的)上層級(jí)部署邊緣計(jì)算，而在下層級(jí)部署云計(jì)算。

值得一提的是，某個(gè)應(yīng)用(如社區(qū)商城)可能會(huì)出現(xiàn)下列情況：應(yīng)用的核心邏輯和預(yù)測(cè)分析主要部署在“社區(qū)”和“小區(qū)”中，針對(duì)地區(qū)人口的喜好售賣消費(fèi)商品;應(yīng)用需要從“城市”層級(jí)提取一些外部數(shù)據(jù)(例如商品的全市平均價(jià)格等等);應(yīng)用在“城市”中沒有大量的應(yīng)用域計(jì)算需求。若是如此，那么上層的“城市”對(duì)于下層的“社區(qū)”、“小區(qū)”而言就是“邊緣”了。理所當(dāng)然，該應(yīng)用在“城市”層域中部署的計(jì)算能力就是邊緣計(jì)算?！瓣P(guān)系互換”的情況在工業(yè)領(lǐng)域可能會(huì)更多。例如工業(yè)生產(chǎn)中的質(zhì)量管理、流程管理。

工廠的質(zhì)量和流程管理系統(tǒng)通常都部署在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)就保存在“邊緣”的網(wǎng)絡(luò)中。而要實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)，還需要提取許多和質(zhì)量、供應(yīng)鏈有關(guān)的外部信息(用戶投訴、產(chǎn)品/零部件返修信息、產(chǎn)品生命周期信息、合作方的質(zhì)量信息等)。這些信息最終會(huì)隨著物聯(lián)網(wǎng)，匯集到“邊緣”的質(zhì)量和流程管理系統(tǒng)中進(jìn)行質(zhì)量分析、預(yù)測(cè)。顯然，對(duì)于質(zhì)量和流程管理系統(tǒng)來說，自身以外的互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，都是邊緣網(wǎng)絡(luò)。

可以預(yù)見，工業(yè)生產(chǎn)的“云計(jì)算”會(huì)更多地部署在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的附近。

根據(jù)應(yīng)用的需要，計(jì)算能力會(huì)部署在物聯(lián)網(wǎng)各個(gè)(大小)層級(jí)中。不管“計(jì)算”部署在哪個(gè)層級(jí)，若承擔(dān)了現(xiàn)場(chǎng)指揮的主要職責(zé)，就屬于邊緣計(jì)算;若承擔(dān)了大數(shù)據(jù)和智能化預(yù)測(cè)的主要職責(zé)，就屬于云計(jì)算。

隨著應(yīng)用在計(jì)算部署上的靈活性不斷增加，云計(jì)算和邊緣計(jì)算會(huì)走向融合，并越來越難區(qū)分。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中充滿了隨處可取、隨處即用的通用計(jì)算能力時(shí)，“泛在計(jì)算”將應(yīng)勢(shì)而生。

邊緣智能是未來

在物聯(lián)網(wǎng)邊緣部署簡(jiǎn)單的應(yīng)用邏輯，無法滿足多姿多態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。在靠近應(yīng)用場(chǎng)景的地方，必須部署一定的智能，才能在物聯(lián)網(wǎng)邊緣構(gòu)建起健碩的應(yīng)用生態(tài)。

邊緣計(jì)算本質(zhì)就是“貼地”的云計(jì)算。邊緣計(jì)算最重要的能力就是繼承云計(jì)算的智能。就目前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，理論上已經(jīng)能做到這一點(diǎn)。針對(duì)某一種應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(云計(jì)算)在學(xué)習(xí)了足夠多的應(yīng)用場(chǎng)景后，可先進(jìn)行“瘦身”(精簡(jiǎn))，再部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣(部署具有智能的邊緣計(jì)算)，從而形成了邊緣智能。這樣，即使脫離云計(jì)算的支撐，邊緣智能也能夠?qū)崿F(xiàn)該應(yīng)用場(chǎng)景的大部分智能。

例如，2017年5月23日，人工智能AlphaGo執(zhí)白1/4子戰(zhàn)勝了柯潔。這其中值得注意的是，那天出戰(zhàn)的是“一只”單機(jī)版的AlphaGo。

當(dāng)邊緣計(jì)算成為邊緣智能，可使得局域、邊緣的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具備自治自律的行為能力。自給自足的算力和智能，將使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以擺脫“云計(jì)算”而相對(duì)獨(dú)立地運(yùn)營(yíng)。

結(jié) 語

邊緣計(jì)算具有層次(“層域”和“層級(jí)”)化部署的特性。

一方面，邊緣計(jì)算部署在邊緣架構(gòu)模型的各個(gè)層域上。計(jì)算能力在物理網(wǎng)邊緣的分層域部署，使得應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)局部(例如智慧家庭)，也能夠形成“‘感知’-‘連接’-‘分析和預(yù)測(cè)’-‘控制’”的信息環(huán)路。從而，使各類數(shù)據(jù)的信息價(jià)值獲得釋放。

另一方面，在物聯(lián)網(wǎng)不同范圍(大小層級(jí))中部署計(jì)算能力，開發(fā)者不僅能根據(jù)業(yè)務(wù)需求和特性構(gòu)建出大小適合的信息環(huán)路，還能使“垂直”業(yè)務(wù)在各層級(jí)之間“環(huán)環(huán)相扣”，相互服務(wù)并實(shí)現(xiàn)價(jià)值互遞。

邊緣計(jì)算的更高價(jià)值是邊緣智能。

邊緣計(jì)算，是智能化云計(jì)算的落地部署。應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)局部實(shí)現(xiàn)了信息成環(huán)，并能夠通過邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)信息決策、行為反饋、自動(dòng)組網(wǎng)、負(fù)載平衡等全層域的智能化。在脫離云計(jì)算的情況下，應(yīng)用也能夠獨(dú)立地、靈活地運(yùn)行，從而在應(yīng)用場(chǎng)景的小范圍內(nèi)形成物聯(lián)網(wǎng)“生態(tài)”(各種類設(shè)備之間，形成信息互助服務(wù)的機(jī)制)。

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