第2章 邊緣計算系統(tǒng)架構

邊緣計算——概念、技術與架構

第2章邊緣計算系統(tǒng)架構方娟、陸帥冰北京工業(yè)大學計算機學院概述（Outline）2.1邊緣計算基本概念2.2

整體架構2.3

卸載技術2.4

資源管理2.5

安全與隱私保護2.1

邊緣計算基本概念太平洋西北國家實驗室（PacificNorthwestNationalLaboratory，PNINL）定義為：一種把應用、數據和服務從中心節(jié)點向網絡邊緣拓展的方法，可以在數據源端進行分析和知識生成。云計算和分布式平臺分技術委員會（ISOIECJTCI/SC38）定義為：一種將主要處理和數據存儲放在網絡的邊緣節(jié)點的分布式計算形式。邊緣計算產業(yè)聯(lián)盟（EdgeComputingConsortium，ECC）給出的定義為：邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數字在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數據優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。美國卡內基梅隴大學的MahadevSatyanarayanan教授把邊緣計算描述為：邊緣計算是一種新的計算模式，這種模式將計算與存儲資源（例如：Cloudlet、微型數據中心或霧節(jié)點等）部署在更貼近移動設備或傳感器的網絡邊緣。美國韋恩州立大學的施巍松教授把邊緣計算定義為：邊緣計算是指在網絡邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模式，邊緣計算中邊緣的下行數據表示云服務，上行數據表示萬物互聯(lián)服務，而邊緣計算的邊緣是指從數據源到云計算中心路徑之間的任意計算和網絡資源。邊緣計算是一種新的計算模式，將地理距離或網絡距離上與用戶臨近的資源統(tǒng)一起來，為應用提供計算、存儲和網絡服務。2.1

邊緣計算基本概念伴隨行業(yè)數字化轉型進程的不斷深入，在技術與商業(yè)的雙重驅動下，邊緣計算產業(yè)將持續(xù)走向縱深?？傮w上，邊緣計算產業(yè)可以分為聯(lián)接、智能、自治三個發(fā)展階段：聯(lián)接智能自治邊緣計算是繼分布式計算、網格計算、云計算之后的又一新型計算模型，以云計算為核心，以現(xiàn)代通信網絡為途徑，以海量智能終端為前沿，通過優(yōu)化資源配置，使得計算、存儲、傳輸、應用等服務更具智能，具備優(yōu)勢互補、深度協(xié)同的資源調度能力，是集云、網、端、智四位一體的新型計算模型，其概念蘊含豐富。2.1

邊緣計算基本概念內涵解析1邊緣計算是一種全局性的計算模型，涵蓋中心和邊緣；內涵解析2邊緣計算需要全局協(xié)同，以便得到高效的計算性能；內涵解析3邊緣計算是一種智能化的計算模型，會動態(tài)根據需求提供動態(tài)服務；內涵解析4邊緣計算具有物理邊界、邏輯邊界、網關節(jié)點、邊緣節(jié)點、邊緣側、云側等概念；內涵解析5邊緣計算使得中心智能向前端智能擴展，智能協(xié)同將是未來發(fā)展趨勢；2.1

邊緣計算基本概念2.2

整體架構1.邊緣計算模型及基本架構邊緣計算是指在網絡邊緣執(zhí)行計算的一種新型計算模型，具體對數據的計算包括兩部分：下行的云服務和上行的萬物互聯(lián)服務。邊緣計算中的“邊緣”是指從數據源到云計算中心路徑之間的任意計算、存儲和網絡資源。2.2

整體架構從功能角度講，邊緣計算模型是一種分布式計算系統(tǒng)，并且具有彈性管理，協(xié)同執(zhí)行、環(huán)境異構以及實時處理等特點。邊緣計算模型自身還包括以下關鍵內容：應用程序/服務功能可分割：可以應用到邊緣計算模型的應用程序或服務需要滿足可分割性，即對于一個任務可以分成若干個子任務并且任務功能可以遷移到邊緣端去執(zhí)行。數據可分布：數據可分布性既是邊緣計算的特征也是邊緣計算模型對待處理數據集合的要求，邊緣數據的可分布性是針對不同數據源而言的，不同數據源來自于產生大量數據的數據生產者。資源可分布：邊緣計算模型中的數據具有一定的分布性，因此，執(zhí)行邊緣數據所需要的計算、存儲和通信資源也需具有可分布性。2.2

整體架構邊緣計算基本架構系統(tǒng)分為云、邊緣和終端三層，邊緣計算位于云和終端層之間，邊緣層向下支持各種現(xiàn)場設備的接入，向上可以與云端對接。邊緣層包括邊緣節(jié)點和邊緣管理器兩個主要部分。邊緣節(jié)點是硬件實體，是承載邊緣計算業(yè)務的核心。邊緣管理器的呈現(xiàn)核心是軟件，主要功能是對邊緣節(jié)點進行統(tǒng)一的管理。2.2

整體架構邊緣計算節(jié)點一般具有計算、網絡和存儲資源，邊緣計算系統(tǒng)對資源的使用有兩種方式：第一，直接將計算、網絡和存儲資源進行封裝，提供調用接口，邊緣管理器以代碼下載、網絡策略配置和數據庫操作等方式使用邊緣節(jié)點資源；第二，進一步將邊緣節(jié)點的資源按功能領域封裝成功能模塊，邊緣管理器通過模型驅動的業(yè)務編排的方式組合和調用功能模塊，實現(xiàn)邊緣計算業(yè)務的一體化開發(fā)和敏捷部署。2.2

整體架構2.多層級邊緣架構——CloudPath邊緣架構CloudPath是一種沿著用戶終端層到云數據中心的路徑提供了各種資源，包括計算資源和存儲資源的多層邊緣計算架構，同時該架構支持按需分配和動態(tài)部署。CloudPath的主要思想是實現(xiàn)所謂的“路徑計算”，與傳統(tǒng)的云計算相比，它可以減少響應時間并提高帶寬利用率。2.2

整體架構2.多層級邊緣架構——HetMECHetMEC（Heterogeneousmulti-layerMEC，HetMEC）架構通過考慮將異構多層邊緣服務器用于上行鏈路通信，以減少邊緣服務器與云數據中心之間的總計算和傳輸時間。在HetMEC架構中，終端設備將計算密集型任務劃分并卸載到多層邊緣服務器和云數據中心，從而提高延遲性能。2.2

整體架構2.多層級邊緣架構——SpanEdgeSpanEdge架構主要包含兩個層次，第一個層次為云數據中心，第二個層次為邊緣數據中心，這里邊緣數據中心包括云供應商、Cloudlet，霧節(jié)點等。SpanEdge將部分流處理任務放在邊緣中央節(jié)點上運行，以減少延遲并提高性能SpanEdge使用主從架構。SpanEdge的核心思想是通過統(tǒng)一云數據中心節(jié)點和近邊緣中心節(jié)點，降低了萬維網連接中的網絡延遲，并提供了允許程序在數據源附近運行的編程環(huán)境。2.2

整體架構3.邊緣協(xié)作架構——基于邊緣調度器的協(xié)作架構基于邊緣調度器的協(xié)作架構由四部分構成，邊緣設備、邊緣服務器、云數據中心和邊緣調度器。在該架構下，邊緣設備可以選擇將任務卸載至本地執(zhí)行或是卸載至邊緣調度器，邊緣調度器收到任務請求后，結合計算資源、存儲資源以及網絡帶寬特點，將任務分發(fā)至其他邊緣服務器或上傳至云數據中心?；谶吘壵{度器的協(xié)作架構能夠有效的整合邊緣、邊云以及邊緣設備資源。2.2

整體架構3.邊緣協(xié)作架構——面向區(qū)塊鏈技術的邊緣協(xié)作架構面向區(qū)塊鏈技術的邊緣協(xié)作架構結合區(qū)塊鏈技術需求，在數據可信存儲、可信計算、可信傳輸以及可信管理四個方面出發(fā)，設計多資源融合的三層架構。該架自頂向下依次為云端區(qū)塊鏈層、邊緣區(qū)塊鏈層和終端層。2.3卸載技術隨著移動通信技術的發(fā)展和智能終端的普及，各種網絡服務和應用不斷涌現(xiàn)，用戶對網絡服務質量、請求時延等網絡性能的要求越來越高。盡管現(xiàn)有用戶設備（UserEquipment，UE）的處理能力越來越強大，但依然無法在短時間內處理計算密集型或時延敏感型計算任務。此外，在UE本地處理這些任務還面臨電量快速消耗和自身硬件損耗等問題。這些問題嚴重影響了應用程序在用戶設備上的運行效率和用戶體驗。為了解決上述問題，業(yè)界提出了邊緣計算卸載技術。邊緣計算中的計算卸載可以應用于移動游戲、視頻服務、精確定位、自動駕駛和物聯(lián)網等多個應用場景，從而將高要求的計算任務卸載到邊緣計算服務器上，以便應對應用在時延上的嚴格要求，并且降低UE處的能量消耗。2.3卸載技術邊緣計算中的計算卸載是將UE端的一部分計算任務遷移到邊緣網絡執(zhí)行，如何權衡本地執(zhí)行的計算成本和遷移到邊緣網絡的通信成本，對計算任務進行卸載決策和任務分割，是邊緣計算中計算卸載技術的關鍵研究點。目前，針對邊緣計算卸載技術的相關研究已取得了豐碩的成果，根據不同的指標可以劃分為以下幾種不同的類型。（1）靜態(tài)卸載和動態(tài)卸載（2）全部卸載和部分卸載（3）單節(jié)點卸載和多節(jié)點卸載邊緣計算的卸載主要研究3個問題；第一，計算卸載在邊緣網絡中的執(zhí)行框架，包括卸載的方式與流程；第二，計算卸載的決策，即是否進行計算卸載以及何時進行計算卸載；第三，計算卸載資源分配問題，即卸載任務如何分割并將其卸載到哪個云端服務器。2.3卸載技術邊緣計算中的計算卸載技術主要涉及執(zhí)行框架，卸載決策，資源分配等。計算卸載在邊緣計算網絡中的執(zhí)行框架可以按照劃分粒度進行分類，主要分為基于進程或功能函數劃分的細粒度計算卸載和基于應用程序與虛擬機劃分的粗粒度計算卸載。一、計算卸載執(zhí)行框架2.3卸載技術時間延遲和能量消耗的計算具體分為以下兩種情況二、卸載決策時間延遲卸載數據到邊緣服務器計算節(jié)點的傳輸時間、在邊緣服務器計算節(jié)點處的執(zhí)行處理時間、接收來自邊緣服務器計算節(jié)點處理的數據結果的傳輸時間三者之和；能量消耗卸載數據到邊緣服務器計算節(jié)點的傳輸耗能、接收來自邊緣服務器計算節(jié)點處理的數據結果的傳輸耗能兩部分之和。一般來說，關于計算卸載的決策有以下三種方案。本地執(zhí)行（LocalExccution，LE）：整個計算在UE本地完成；完全卸載（FullOfmoading，F(xiàn)O）：整個計算由邊緣服務器卸載和處理；部分卸載（PartialOffoading，PO）：計算的一部分在本地處理，而另一部分則卸載到邊緣服務器處理。2.4

資源管理資源管理技術主要解決邊緣計算系統(tǒng)中計算、存儲和網絡資源的管理和優(yōu)化問題。2.4

資源管理資源管理技術主要解決邊緣計算系統(tǒng)中計算、存儲和網絡資源的管理和優(yōu)化問題。一、單用戶邊緣計算系統(tǒng)單用戶邊緣計算系統(tǒng)有3種常用的任務模型：二元確定性任務模型卸載、部分卸載的確定性任務模型和隨機任務模型。1）二進制確定性任務模型：需要考慮二進制卸載任務是在邊緣執(zhí)行還是在本地計算。2）部分卸載的確定性任務模型：允許靈活的數據分割，運算相對復雜的移動應用程序可以分解成一組較小的子任務，耗時或耗能大的子任務可以卸載到邊緣服務器進行計算。3）隨機任務模型：資源管理策略也可以用于隨機任務模型的邊緣計算系統(tǒng)中，將已經到達但尚未執(zhí)行的任務加入緩沖區(qū)隊列。對于隨機任務模型，任務到達和信道的時間相關性可以用來設計自適應動態(tài)計算卸載策略。2.4

資源管理二、多用戶邊緣計算系統(tǒng)多用戶邊緣計算系統(tǒng)由共享一個邊緣服務器的多個移動設備組成1）聯(lián)合無線和計算資源分配：用戶MEC系統(tǒng)中無線資源和計算資源有限，所以系統(tǒng)的設計關鍵是如何分配有限的無線和計算資源給多個移動設備以實現(xiàn)系統(tǒng)級目標（比如最低總量的移動能耗）；2）邊緣服務器調度：為了有效降低多用戶的能耗和計算延遲，服務器的調度設計將更高的優(yōu)先級分配給延遲要求更嚴格、計算負載更重的用戶；3）多用戶合作邊緣計算：通過點對點移動協(xié)同邊緣計算可以清除大量的分布式計算資源，緩解網絡擁塞，提高資源利用率，實現(xiàn)無所不在的計算。2.4

資源管理二、多用戶邊緣計算系統(tǒng)多用戶邊緣計算系統(tǒng)由共享一個邊緣服務器的多個移動設備組成1）聯(lián)合無線和計算資源分配：用戶MEC系統(tǒng)中無線資源和計算資源有限，所以系統(tǒng)的設計關鍵是如何分配有限的無線和計算資源給多個移動設備以實現(xiàn)系統(tǒng)級目標（比如最低總量的移動能耗）；2）邊緣服務器調度：為了有效降低多用戶的能耗和計算延遲，服務器的調度設計將更高的優(yōu)先級分配給延遲要求更嚴格、計算負載更重的用戶；3）多用戶合作邊緣計算：通過點對點移動協(xié)同邊緣計算可以清除大量的分布式計算資源，緩解網絡擁塞，提高資源利用率，實現(xiàn)無所不在的計算。2.4

資源管理三、有異構服務器的邊緣計算系統(tǒng)為了實現(xiàn)無處不在的邊緣計算，提出了異構的邊緣計算系統(tǒng)，包括一個中央云和多個邊緣服務器。多層云/邊緣云之間的協(xié)調和交互作用引入了許多有趣的新研究挑戰(zhàn)。最新的研究主要集中在服務器選擇、合作和計算遷移方面。1）在服務器選擇上，考慮具有多個計算任務和異構服務器的系統(tǒng)；2）服務器協(xié)作可以顯著提高服務器的計算效率和資源利用率；3）計算遷移是MEC中移動管理的一種有效方法。2.5安全與隱私保護作為一種新的計算模式，邊緣計算在安全問題上具有自己的特殊性，也會產生新的安全問題。邊緣計算是一種分布式架構，由于邊緣設備更靠近萬物互聯(lián)的終端設備，網答環(huán)境更加復雜，并且邊緣設備對于終端具有較高的控制權限，因此更容易存在安全漏洞，受到攻