邊緣計算，是在炒概念嗎？

作者：胡典鋼 2022-05-01 21:37:08

云計算

云原生 邊緣計算概念剛出來的時候，很多人的第一反應(yīng)是“這是哪個行業(yè)組織或者公司為了拉動市場需求而創(chuàng)造出來的新詞匯吧？”

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關(guān)于邊緣計算，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對其定義為：

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)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。

OpenStack基金會對邊緣計算的定義是：

為應(yīng)用開發(fā)者和服務(wù)提供商在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)提供云服務(wù)和IT環(huán)境服務(wù)。邊緣計算的目標(biāo)是在靠近數(shù)據(jù)輸入或用戶的地方提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)帶寬。

云計算近幾年得到普及，云計算的價值和商業(yè)模式也逐步被公眾接受。邊緣計算是相對云計算而言的，它將云計算的計算、存儲、和網(wǎng)絡(luò)能力下沉到靠近數(shù)據(jù)源頭的地方。

雖然有些領(lǐng)域把邊緣計算稱為分布式云計算或第四代數(shù)據(jù)中心，但工業(yè)領(lǐng)域的人并不認(rèn)同這種叫法。對工業(yè)領(lǐng)域而言，邊緣計算的應(yīng)用是自然而然的事情，很多工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用系統(tǒng)天生就涉及數(shù)據(jù)即時處理，只是以前受限于硬件的處理能力，他們反對將邊緣計算定義成一個純互聯(lián)網(wǎng)詞匯和概念。

什么是靠近數(shù)據(jù)源頭呢?這個范圍就比較寬泛了，比如在工廠車間現(xiàn)場靠近傳感器數(shù)據(jù)采集的地方，利用工業(yè)網(wǎng)關(guān)或工控機就近提供數(shù)據(jù)分析處理能力，這屬于邊緣計算;整個工廠的數(shù)據(jù)上傳到云平臺之前，數(shù)據(jù)在工廠內(nèi)本地服務(wù)器上被預(yù)處理，該本地服務(wù)器屬于邊緣計算。

為了獲得高性能低延遲的服務(wù)，例如為支撐無人駕駛、虛擬現(xiàn)實和遠程醫(yī)療等應(yīng)用場景，移動運營商紛紛部署多接入邊緣計算(Multi-Access Edge Computing，MEC)，MEC以邊緣云的形式，下沉到靠近用戶的基站側(cè)，以達到縮短時延的效果，亦屬于邊緣計算。

Gartner2019年新興技術(shù)成熟度報告指出[1]，邊緣分析(Edge Analysis)和邊緣人工智能(Edge AI)處于期望增長階段，邊緣分析和邊緣人工智能將越來越多地被用于對時延敏感(例如自動駕駛)、易受到網(wǎng)絡(luò)中斷影響(例如遠程監(jiān)測、面部識別、自然語言處理)或數(shù)據(jù)密集型(例如視頻分析)的應(yīng)用中。

1.為什么提出邊緣計算

從邊緣計算的定義看出，邊緣計算主要為解決實時性、網(wǎng)絡(luò)可靠性、數(shù)據(jù)安全性等問題，如圖1所示。

物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，數(shù)字化和智能化的浪潮開始席卷各行各業(yè)，包括制造、能源電力、交通、物流、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和政府公共事業(yè)，越來越多的終端與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，隨著聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的巨增，將給云端帶來網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。

如果將設(shè)備數(shù)據(jù)全部傳入云端處理，不僅成本巨大，還將花費更多的時間，由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時，系統(tǒng)可用性變差，因此未來將會有相當(dāng)比例的數(shù)據(jù)直接在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)進行分析、處理，這正是邊緣計算的實踐場景。

如果把大腦比作云端，那么邊緣計算就是神經(jīng)末梢，自行對前端的刺激進行處理并將處理后的特征信息反饋給大腦。

▲圖1 邊緣計算的特點

工業(yè)現(xiàn)場的很多數(shù)據(jù)的保鮮期很短，一旦處理不及時，會迅速變質(zhì)，數(shù)據(jù)價值呈斷崖式跌落。例如在車床刀具監(jiān)測過程中，通過采集機床主軸負(fù)載數(shù)據(jù)，并在邊緣側(cè)實現(xiàn)刀具加工過程中的實時狀態(tài)監(jiān)測和壽命預(yù)測管理，發(fā)現(xiàn)異常立刻預(yù)警。

鋼鐵廠軋鋼板的過程中，軋機依靠多個伺服電機協(xié)同驅(qū)動軋制過程，伺服電機控制不允許出現(xiàn)絲毫偏差，否則可能導(dǎo)致整塊鋼板報廢。為保證扎制質(zhì)量，須以微毫秒級的采樣率實時監(jiān)測伺服電機運轉(zhuǎn)是否正常。

這兩個例子，均對數(shù)據(jù)處理的實時性(實效性)有明確要求，工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)處理類似于“走鋼絲”，邊緣計算將發(fā)揮不可替代的作用。

除了網(wǎng)絡(luò)可靠性、實時性這兩大因素，工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)安全要求嚴(yán)格。例如石油化工行業(yè)，設(shè)備工藝參數(shù)決定其產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本，是企業(yè)的核心數(shù)據(jù)，如果把這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳到云端，存在企業(yè)核心知識產(chǎn)權(quán)泄露的風(fēng)險。邊緣計算將數(shù)據(jù)從原來的集中式管理演變?yōu)榉植际焦芾?，提高了?shù)據(jù)的安全性。

近年來物聯(lián)網(wǎng)安全攻擊事件頻發(fā)，防患數(shù)據(jù)災(zāi)難的一個必要措施是采取隔離手段，邊緣計算從根源上在本地保障數(shù)據(jù)安全。除了企業(yè)自身對數(shù)據(jù)安全的要求之外，有些出于國家政策層面的原因，要求數(shù)據(jù)脫敏后才能上傳到云端，而邊緣計算承擔(dān)了數(shù)據(jù)脫敏預(yù)處理的工作。

2.誰在擔(dān)任邊緣計算的角色

對邊緣計算的特點及其要解決的問題有了基本了解之后，由誰來擔(dān)任邊緣計算的角色呢?概括起來主要分三類：工業(yè)網(wǎng)關(guān)、工控機和服務(wù)器。

在《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：平臺架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用實踐》一書的第3章介紹過工業(yè)網(wǎng)關(guān)，由于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)接口種類繁多，協(xié)議繁雜且互不兼容，因此需要通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)進行各種協(xié)議轉(zhuǎn)換，工業(yè)網(wǎng)關(guān)支持常用的工業(yè)協(xié)議，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換降低設(shè)備接入的難度，實現(xiàn)訪問的統(tǒng)一性。業(yè)界有些公司專門研發(fā)此類工業(yè)網(wǎng)關(guān)并推出標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，兼容市面上眾多工業(yè)控制器。

除了數(shù)據(jù)解析協(xié)議轉(zhuǎn)換之外，工業(yè)網(wǎng)關(guān)還具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，工業(yè)網(wǎng)關(guān)硬件廠商通過提供標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)框架，使得開發(fā)人員能夠在框架內(nèi)基于C和Python等開發(fā)語言嵌入自定義邏輯。這些工業(yè)網(wǎng)關(guān)換個名字就變成了邊緣計算網(wǎng)關(guān)。

當(dāng)然，不僅換了名稱，作為邊緣計算網(wǎng)關(guān)，還是比較強調(diào)它的數(shù)據(jù)處理能力，例如處理器主頻、內(nèi)存和FLASH存儲比普通的工業(yè)網(wǎng)關(guān)配置高;同時強調(diào)和云端的對接，即不間斷的互聯(lián)網(wǎng)接入能力，它可以通過以太網(wǎng)、Wi-Fi或4G等網(wǎng)絡(luò)鏈路，保證設(shè)備無論身處何處都能夠互聯(lián)互通，這些邊緣計算網(wǎng)關(guān)支持各種工業(yè)云平臺，數(shù)據(jù)直接上云。表1為某邊緣計算網(wǎng)關(guān)典型配置示例。

▼表1 邊緣計算網(wǎng)關(guān)典型配置示例

指標(biāo)項	指標(biāo)說明
CPU	ARM  Cortex-A8，主頻1 GHz
內(nèi)存	512  MB DDR3
存儲	16  GB FLASH
以太網(wǎng)端口	2個100 Mbps以太網(wǎng)接口
數(shù)字輸入輸出	4路數(shù)字輸入、4路數(shù)字輸出
蜂窩通信制式	LTE、WCDMA、CDMA2000 EVDO、EDGE、GPRS
SIM卡座	抽屜式卡座x2，雙SIM卡備份
工業(yè)串行接口	RS-232x1、RS-485x1
Console端口	RS-232x1
Wi-Fi	可選，802.11 a/b/g/n
定位	三重定位，GPS/BDS/LBS定位
機械特性	導(dǎo)軌或壁掛式安裝、無風(fēng)扇散熱、金屬外殼、IP30防護等級
工作環(huán)境	工作溫度-30～+65 ℃、存儲溫度-40～+85 ℃、工作濕度范圍5%～95%（非凝結(jié)狀態(tài)）、防凝露
電源	供電范圍9～32 VDC，緊湊插拔式接線端子

第二類承擔(dān)邊緣計算角色的是工控機，工控機大量用于測控和自動化領(lǐng)域，如DCS、SCADA以及數(shù)控系統(tǒng)CNC等。關(guān)于工控機的定義：工控機(Industrial Personal Computer，IPC)是一種加固的增強型個人計算機，采用總線結(jié)構(gòu)，是一種對生產(chǎn)過程及機電設(shè)備、工藝裝備進行檢測與控制的硬件總稱。

工控機具有典型的計算機特征，如CPU、硬盤、內(nèi)存和外設(shè)接口，并具有操作系統(tǒng)、控制網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議、計算能力以及友好的人機界面。不同的是，工控機能夠在環(huán)境惡劣的條件下運行，由于對數(shù)據(jù)安全性要求更高，因此通常會對工控機進行加固、防塵、防潮、防腐蝕和防輻射等特殊設(shè)計。

通俗地講，工控機是專為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的計算機，而工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境振動大、灰塵多、電磁干擾強，經(jīng)常要求連續(xù)不間斷作業(yè)。與普通計算機相比，工控機應(yīng)具備更高的可靠性和更好的擴展性。與工業(yè)網(wǎng)關(guān)或其他小型微控制器相比，工控機具有更高的數(shù)據(jù)處理性能。

筆者曾經(jīng)與全球工控機出貨量排名前三的一家公司探討過，他們新出的邊緣計算服務(wù)器和工控機有什么區(qū)別?當(dāng)時得到的回答是沒區(qū)別，就是工控機。

無論是工業(yè)網(wǎng)關(guān)還是工控機，當(dāng)它們承擔(dān)了邊緣計算的角色時，難免會有人覺得，這是不是新瓶裝舊酒?在邊緣計算概念出來之前，它們就一直地存在著，在工業(yè)現(xiàn)場運行并發(fā)揮著作用。

最近一些廠商在推邊緣智能服務(wù)器(Edge Intelligence Server，EIS)，如果看硬件載體本身，好像也沒有多少創(chuàng)新，很多基于工控機或標(biāo)準(zhǔn)x86服務(wù)器，被人說成新瓶裝舊酒似乎也不為過，不過有一個區(qū)別是非常重要的，軟件架構(gòu)層面，邊緣智能服務(wù)器采用的是云原生思維，邊緣與云端緊密協(xié)同，由云端全局統(tǒng)一調(diào)度與管控邊緣節(jié)點資源，軟件功能隨時更新與分發(fā)，支持物聯(lián)網(wǎng)平臺連接、數(shù)據(jù)管理及邊緣分析。

如果回憶一下以往工控機上的軟件升級(備份、補丁、更新、以及監(jiān)視)、硬件資源的分配，就能體會這種理念的巨大差別。目前西門子、戴爾、因特爾和研華等都在推出各自的邊緣智能服務(wù)器。

第三類承擔(dān)邊緣計算角色的是服務(wù)器，將數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器搬到現(xiàn)場的機房，它就變成邊緣計算服務(wù)器了，由云端的集中式變?yōu)楝F(xiàn)場的分布式。

服務(wù)器部署到現(xiàn)場之后，需考慮其多節(jié)點管理問題，當(dāng)企業(yè)同時擁有成千上萬個分布式邊緣計算節(jié)點時，將給管理人員和運維人員帶來非常大的挑戰(zhàn)，以標(biāo)準(zhǔn)化方式對邊緣節(jié)點納管和統(tǒng)一維護就變得非常重要，不同的工業(yè)解決方案商會有不同的應(yīng)對策略，從目前來看，邊云協(xié)同是主流思想，基于云的管理工具以實現(xiàn)對邊緣節(jié)點的遠程可視化管理。

事實上，應(yīng)當(dāng)把邊緣計算理解為一種理念，任何具備一定程度的數(shù)據(jù)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)通信能力的硬件設(shè)施都可以稱之為邊緣計算。

3.邊緣計算領(lǐng)域有哪幾類公司

邊緣計算領(lǐng)域目前主要有三類公司，分別是硬件廠商、云計算服務(wù)商以及移動運營商。硬件廠商包括工業(yè)網(wǎng)關(guān)、工控機、服務(wù)器硬件廠商。硬件廠商根據(jù)市場的需求，致力于不斷推出能滿足行業(yè)應(yīng)用場景的邊緣計算產(chǎn)品，同時在邊緣智能服務(wù)器上發(fā)力，影響整個邊端云端架構(gòu)。

第二類是云計算服務(wù)商，例如前面OpenStack基金會將邊緣計算定義為在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)提供云服務(wù)和IT環(huán)境服務(wù)，有些公司將邊緣計算稱為分布式云計算或第四代數(shù)據(jù)中心，在邊緣計算玩家里，自然有云計算服務(wù)商。

以亞馬遜AWS、微軟Azure、阿里云和華為云為代表的云計算服務(wù)商，在云計算領(lǐng)域積累了龐大的用戶群，并擁有大數(shù)據(jù)處理能力，這些公司發(fā)展邊緣計算的整體思路，就是邊云協(xié)同，將邊緣和云端緊密結(jié)合，充分發(fā)揮邊緣的低延遲、安全等特性，同時結(jié)合云端的強大數(shù)據(jù)分析能力。

例如AWS在2017年推出了邊緣計算框架AWS IoT Greengrass，通過Greengrass將AWS云端服務(wù)擴展到本地設(shè)備，能夠在邊緣對設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行操作和處理。

第三類是電信運營商，一直以來，運營商的角色是提供數(shù)據(jù)管道服務(wù)，數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)長距離傳輸，好像邊緣計算和運營商扯不上什么關(guān)系。但運營商顯然不滿足于被管道化，尤其是5G時代，為了獲得高性能低延遲的服務(wù)，移動運營商紛紛部署多接入邊緣計算MEC。

MEC屬于核心網(wǎng)部分，如果和接入網(wǎng)的集中單元(Centralized Unit，CU)一起下沉到離基站更近的地方，將進一步推動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)超低時延，并帶來更佳的用戶體驗。

MEC多接入邊緣計算和網(wǎng)絡(luò)切片是5G的兩大關(guān)鍵技術(shù)，以支撐5G的三大應(yīng)用場景。其中MEC對于eMBB移動增強帶寬和uRLLC高可靠低時延連接兩大場景而言非常重要。MEC并非一個新概念，在4G和5G網(wǎng)絡(luò)中均可部署。

早在2014年歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ETSI就啟動了MEC標(biāo)準(zhǔn)化參考模型項目，并成立了移動邊緣計算規(guī)范工作組，以推動移動邊緣計算標(biāo)準(zhǔn)化，基本思想是一樣的，就是把云計算平臺從移動核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部遷移到移動接入網(wǎng)邊緣，實現(xiàn)計算及存儲資源的彈性利用。

這其實和云計算服務(wù)商的路線是一樣的，只不過電信運營商的資源池位于移動核心網(wǎng)絡(luò)和移動接入網(wǎng)絡(luò)，而且現(xiàn)在的核心網(wǎng)，由于網(wǎng)元功能虛擬化，因此硬件方面也慢慢地由原來的專用硬件，變成了x86通用服務(wù)器。既然都是服務(wù)器，大家當(dāng)然可以干某種程度上相似的事情。

MEC概念一方面將傳統(tǒng)電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)深度融合，這樣減少移動場景業(yè)務(wù)交付的端到端延遲，利用移動網(wǎng)絡(luò)邊緣就近提供電信用戶IT所需服務(wù)和云端計算能力，創(chuàng)造高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務(wù)環(huán)境，加速網(wǎng)絡(luò)中各項內(nèi)容、服務(wù)以及應(yīng)用的高速下載，從而改善用戶體驗，同時節(jié)省帶寬資源。

另一方面通過將計算能力下沉到移動邊緣節(jié)點，提供第三方應(yīng)用集成，為移動邊緣入口的服務(wù)創(chuàng)新提供了更多的可能性。

ETSI在2016年的時候?qū)EC概念從移動邊緣計算(Mobile Edge Computing)擴展為多接入邊緣計算(Multi-Access Edge Computing)，不再局限于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而是延伸至其他無線接入網(wǎng)絡(luò)如Wi-Fi等。至此，MEC可看作是一個運行在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣的、運行特定任務(wù)的云服務(wù)器。

MEC改變了移動網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)分離的狀態(tài)，可以將業(yè)務(wù)(包含內(nèi)容、服務(wù)和應(yīng)用)下沉到移動網(wǎng)絡(luò)邊緣，為移動用戶提供服務(wù)。

電信運營商一直以來在努力避免被管道化(單純?yōu)榛ヂ?lián)網(wǎng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)的管道)，由于當(dāng)前電信市場的發(fā)展逐漸趨于飽和，因此單純依靠流量業(yè)務(wù)的增量很難帶來收入的快速增長，同時用戶對于電信運營商提供的傳統(tǒng)語音、短信服務(wù)的依賴度不斷下降，運營商的利潤也開始不斷下降，MEC可理解為運營商的一個抓手，也就不難理解為什么運營商會花很大力氣投入到MEC中。

本文主要介紹了邊緣計算的相關(guān)內(nèi)容，相信會對大家深入理解邊緣計算有一定的幫助和啟示。預(yù)測性維護是邊緣計算的一個典型應(yīng)用場景。關(guān)于這部分內(nèi)容本文不展開講。如果你對此感興趣，推薦你詳細(xì)閱讀胡典鋼老師的新作《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：平臺架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用實踐》。

文章題目：邊緣計算，是在炒概念嗎？
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