边缘计算：趋势、挑战、方向_边缘计算盒 方向

1. 摘要

        边缘计算 (边缘计算) 范式将计算和存储放到网络的边缘，在边缘进行消费和生产数据。这种趋势对于应对5G时代不断增加的联网设备和传输的数据量是非常有必要的，可以避免云计算相关的高延迟和流量瓶颈问题。边缘计算还改进了对移动性、安全性和隐私的网络支持。本文作者围绕边缘计算进行了讨论，并总结了文献（多接入边缘计算、雾计算、Cloudlet 计算和移动云计算）中提出的边缘计算架构的定义和基本属性。

2. 引言

        随着联网设备的数量持续快速增加，数据在数据中心进行发送和接收这种传统网络架构的缺点变得显而易见。设备在越来越快的接入网络的支持下，不仅在从网络访问数据时要求更低的延迟和更高的速度，而且生成越来越多的数据发送。此外，由于某些边缘设备（尤其是移动设备）的硬件限制，对卸载任务的需求很高，这在已经拥塞的网络中造成了额外的瓶颈。物联网 (IoT) 设备的激增以及新的 5G 网络设备和应用引起的可预见带宽需求，需要替代的解决方案和架构来满足这些新要求。

        为了应对传统云计算网络的瓶颈，边缘计算（边缘计算）架构应运而生。目标是通过使数据生产更接近数据服务来优化网络及其应用程序，最大限度地减少边缘客户端和服务器之间的长距离通信需求。结果是延迟和带宽使用量减少、连接性普遍改善、网络运营和服务交付更高效、可扩展性更好、对外部计算和存储的访问速度更快。此外，可以实现更高的安全性、数据隐私性和可靠性。通常，边缘计算可以定义为一个总括术语，它汇集了旨在使计算和存储资源更接近最终用户和设备的所有架构。

3. 边缘计算

3.1 边缘计算范式

       边缘计算之前，云计算带来了许多新功能，例如按需服务和应用程序、可扩展性、高效的数据存储和管理、容错、易于管理等。然而，技术的发展也导致生成、处理和存储的数据量快速上升，结果是云计算解决方案出现了一些问题，例如延迟、较少的移动支持、无法感知上下文、数据传输开销、隐私丢失以及云和终端设备之间连接的限制。

        后来，提出新的计算范式来应对这些挑战，称为边缘计算。边缘计算是 Akamai 在 1990 年代后期首次创造的术语，当时他引入了内容交付网络 (CDN) 以加快 Web 性能。边缘计算解决方案不是试图取代云计算，而是作为其补充，通过服务于地理和延迟敏感的应用程序来支持云计算架构。云计算还支持具有广泛存储和计算能力的边缘计算。边缘计算通过利用附近的设备实现本地分布式数据处理，而不仅仅是将计算加载到云。边缘计算打算通过有效地缩短响应时间和吞吐量，实现实时应用程序和服务，为用户提供更好的服务质量和体验。边缘计算还旨在提供高可扩展性、可靠性和容错性，同时提高隐私和安全性。此外，边缘计算系统打算将计算能力提升到网络边缘，从而消除以前集中式架构的问题。

        虚拟化软件解决方案，例如虚拟机 (VM)、容器及其管理或迁移工具，一直是边缘计算系统的积极推动者。最近，软件管理网络组织还通过促进技术，进一步探索边缘计算的潜力，如软件定义网络 (SDN)、网络功能虚拟化 (NFV) 和覆盖网络。软件定义网络其核心技术OpenFlow通过将网络设备的控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。NFV 将网络功能（例如路由和防火墙）与硬件分离，并允许每个功能在 VM 上运行，从而实现软硬件解耦合。覆盖网络是物理网络内提供附加服务的虚拟网络。

        尽管有各种不同的专家学者观点，但边缘计算是指所有不在网络核心内的计算解决方案、架构、方案等。因此，即使对边缘或雾计算的限制和层有不同的看法，在本文中，它们都被称为边缘计算系统。图 1描绘了每个架构（多访问边缘计算、雾计算、Cloudlet 计算和移动云计算）的边缘到云连续体和部署场景。

图1 边缘计算部署场景

        自上而下，集中式云服务构成了网络的核心，通过广域网 (WAN) 连接为最终用户提供存储和计算。远离网络核心，靠近最终用户或应用程序的区域是所谓的网络边缘域。边缘计算是包含边缘范围内所有架构的全局范式，它注册分布式计算集中式云解决方案之外的存储和网络。

        在最终用户或设备与云之间，EC范式并不打算取代云服务，而是对其进行扩展，在最终用户附近提供强大的计算资源，以更低的网络流量和更低的延迟，同时提供更好的用户体验. 尽管如此，如果需要，边缘节点总是有可能访问网络核心。因此，图1 中指向雾节点和云的箭头 可以直接返回到边缘设备或继续连接到网络的核心。雾节点和云之间以及移动边缘设备和云之间的灰色虚线箭头对于架构不是强制性的，即每个架构可以独立存在。然而，不同边缘架构之间的连接是可能的，并且有助于增强系统。例如，雾节点可以连接到云来改进计算和存储资源，而无需连接到更远的云资源。

        最终用户或设备完成架构并放置在网络的较低级别，远离核心。属于这一层的一些设备是智能手机、相机、智能汽车、智能可穿戴设备、物联网传感器和执行器。这些设备访问、产生数据，还可以使用短距离通信在它们之间进行通信。

3.2 边缘计算架构

移动边缘计算：利用无线接入网络就近提供电信用户IT所需服务和云端计算功能，而创造出一个具备高性能、低延迟与高带宽的电信级服务环境，加速网络中各项内容、服务及应用的快速下载，让消费者享有不间断的高质量网络体验。

雾计算：在该模式中数据、（数据）处理和应用程序集中在网络边缘的设备中，而不是几乎全部保存在云中，是云计算（Cloud Computing）的延伸概念，这个因“云”而“雾”的命名源自“雾是更贴近地面的云”。

微云计算：将移动计算平台和云计算结合起来的边缘计算体系架构，代表了“移动终端——微云——云”三层架构的中间层，其处在移动终端和云平台之间，是被部署在网络边缘、具有移动性的小型数据中心。

移动云计算：基于云计算的定义，移动云计算通过移动网络以按需、易扩展的方式获得所需的基础设施、平台、软件(或应用)等的一种IT资源或(信息)服务的交付与使用模式。移动云计算是云计算技术在移动互联网中的应用

4. 结论

边缘计算 (EC) 系统仍然是最新的，它们的发展将为日常现实带来实质性的益处。随着 5G 的存在，在处理边缘设备和最终用户产生和消耗的数据时，集中式方法将变得过时。在过去十年中，该领域的研究工作越来越多，以利用这些新架构的潜力，替换或补充现有的云系统。

原文信息

Carvalho, G., Cabral, B., Pereira, V. et al. Edge computing: current trends, research challenges and future directions. Computing 103, 993–1023 (2021). https://doi.org/10.1007/s00607-020-00896-5