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物聯(lián)網(wǎng)新聞

專家解析:邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展前景

原標(biāo)題:專家解析:邊緣計(jì)算在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展前景 來源:中國(guó)信息通信研究院CAICT

       通信世界網(wǎng)消息(CWW)隨著無線移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展,以及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算的普及,加速推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)技術(shù)在垂直行業(yè)中的應(yīng)用和落地。隨之而來,一種新型的計(jì)算范式“邊緣計(jì)算”開始頻繁出現(xiàn)在我們視野中。所謂邊緣計(jì)算,就是指在靠近物體或數(shù)據(jù)生成的位置處理數(shù)據(jù)的方法,采用網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺(tái),強(qiáng)調(diào)就近處理數(shù)據(jù),從而減少系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間,保護(hù)數(shù)據(jù)隱私及安全,延長(zhǎng)電池使用壽命,節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬等。以滿足在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。

       根據(jù)IDC預(yù)測(cè),到2020年將會(huì)有超過500億的傳感器和終端聯(lián)網(wǎng),其中超過半數(shù)的終端和物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將面臨網(wǎng)絡(luò)帶寬限制,40%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行運(yùn)算、分析、處理和儲(chǔ)存。未來,預(yù)計(jì)邊緣計(jì)算市場(chǎng)規(guī)模將超過萬億,將成為與云計(jì)算平分秋色的新興市場(chǎng)。邊緣計(jì)算逐漸受到重視的原因包括:首先,物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代傳感器數(shù)量激增,隨之產(chǎn)生了多種維度多種格式的數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)帶寬與計(jì)算吞吐量成為了云端計(jì)算的性能瓶頸;其次,傳感器無處不在,實(shí)時(shí)或不定時(shí)的采集用戶的生理體征數(shù)據(jù)、應(yīng)用數(shù)據(jù)等各類隱私數(shù)據(jù),對(duì)信息安全提出了更高的要求;再次,在特定應(yīng)用場(chǎng)景的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備產(chǎn)生的小數(shù)據(jù),有在本地實(shí)時(shí)處理的需求,并不需要傳到云端。

 

 

圖1  傳統(tǒng)的云計(jì)算結(jié)構(gòu)

       上圖是傳統(tǒng)的云計(jì)算結(jié)構(gòu),由數(shù)據(jù)生產(chǎn)者采集(或生成)原始數(shù)據(jù)并傳輸?shù)皆朴?jì)算中心(后簡(jiǎn)稱云中心),數(shù)據(jù)消費(fèi)者向云中心發(fā)送請(qǐng)求,身份驗(yàn)證后使用數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)在PC互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代還可以滿足業(yè)務(wù)需求,但是當(dāng)?shù)搅宋锫?lián)網(wǎng)感知時(shí)代,就無法滿足需求了。當(dāng)然,將計(jì)算任務(wù)放到云端運(yùn)算和執(zhí)行是一種有效的方式,因?yàn)樵朴?jì)算能力通常要比邊緣設(shè)備的計(jì)算能力快不少,但是因?yàn)閹拝s很有限,隨著接入網(wǎng)絡(luò)的傳感器和終端越來越多,例如:在智能家居中,除了智能家電外,各類傳感器、甚至智能家具都集成了芯片,具備了通信和計(jì)算能力,隨著數(shù)據(jù)不斷增多,數(shù)據(jù)傳輸速度成為提升云端計(jì)算能力的瓶頸。一輛具備自動(dòng)駕駛能力的半掛車每秒產(chǎn)生1GB以上的數(shù)據(jù),需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,以對(duì)牽引車、半掛車的運(yùn)行狀態(tài)做出正確的判斷。如果將數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)皆贫颂幚?,響?yīng)時(shí)間將變得非常長(zhǎng),而且如果是在某區(qū)域內(nèi)的車輛過多,同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算,會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬和可靠性造成巨大的挑戰(zhàn),所以,在邊緣設(shè)備上直接對(duì)業(yè)務(wù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理就變得十分重要。

       邊緣計(jì)算可以在網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景中的各種終端產(chǎn)生的上行數(shù)據(jù),以及云計(jì)算中心產(chǎn)生的下行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。其實(shí)不論稱為邊緣計(jì)算還是框計(jì)算、臨近計(jì)算等,講的都是在數(shù)據(jù)源與云計(jì)算中心間的所有計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源。智能手表、手機(jī),都是個(gè)人與云端的邊緣。智能音箱、智能網(wǎng)關(guān)是智能家居與云端的邊緣;智能后視鏡、智能行車記錄儀是車與云端的邊緣。邊緣計(jì)算的核心就是在鄰近數(shù)據(jù)源頭的地方進(jìn)行計(jì)算。

 

 

圖2  邊緣計(jì)算結(jié)構(gòu)

       上圖是邊緣計(jì)算的結(jié)構(gòu),展示了其中的雙向計(jì)算流,在邊緣計(jì)算中,終端或傳感器不單是數(shù)據(jù)生產(chǎn)者,同時(shí)也是數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。終端和傳感器不僅可以向云計(jì)算中心請(qǐng)求內(nèi)容和服務(wù),還可以獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算。傳感器和終端具備一定的存儲(chǔ)能力,可以對(duì)“小數(shù)據(jù)”進(jìn)行緩存、存儲(chǔ)和處理,在與網(wǎng)絡(luò)連接時(shí),可以將請(qǐng)求和云服務(wù)發(fā)送給用戶。邊緣計(jì)算的設(shè)計(jì)要基于應(yīng)用場(chǎng)景的用戶需求進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì),既要滿足業(yè)務(wù)需求,又要保證可靠性、安全性以及隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)等。在實(shí)際應(yīng)用中,邊緣計(jì)算還涉及到多邊場(chǎng)景的三種應(yīng)用類型:

       1、個(gè)人邊緣:以個(gè)人為核心,計(jì)算將圍繞著個(gè)人展開并涉及到和個(gè)人相關(guān)聯(lián)的周邊環(huán)境,例如智能家居、小型辦公室等諸多場(chǎng)景。個(gè)人邊緣涉及多種與個(gè)人相關(guān)的傳感器、終端設(shè)備,例如智能手機(jī)、智能手環(huán)、智能眼鏡、智能音箱等。當(dāng)個(gè)人從家中向其他場(chǎng)景,例如公司移動(dòng)時(shí),個(gè)人邊緣計(jì)算設(shè)備將進(jìn)入業(yè)務(wù)邊緣。

       2、業(yè)務(wù)邊緣:泛指工作場(chǎng)景,工作場(chǎng)景既可以是室內(nèi)也可以室外,例如工廠、大型辦公環(huán)境等。這些場(chǎng)景通常配備了數(shù)據(jù)中心,由數(shù)據(jù)中心提供一定的處理和存儲(chǔ)能力,并且能在現(xiàn)有環(huán)境快速部署。業(yè)務(wù)邊緣領(lǐng)域涉及的設(shè)備包括:傳感器、機(jī)器手臂、車輛、無人機(jī)等;制造業(yè)和工程等是業(yè)務(wù)邊緣計(jì)算快速集中發(fā)展的兩大領(lǐng)域。

       3、多云邊緣:是服務(wù)提供商或企業(yè)網(wǎng)絡(luò)邊緣的拓?fù)湫g(shù)語,其中業(yè)務(wù)首先從撥號(hào)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)入到家庭或者遠(yuǎn)程分支機(jī)構(gòu)中的。

 

 

圖3  三種類型的邊緣計(jì)算

       個(gè)人邊緣、業(yè)務(wù)邊緣、多云邊緣,尤其是前兩種作為邊緣計(jì)算主要的應(yīng)用類型,具備廣泛的應(yīng)用前景。在邊緣計(jì)算中,由于邊緣具備一定的計(jì)算資源,可以承載一部分的計(jì)算任務(wù),能夠分擔(dān)云端計(jì)算的壓力,減少因?yàn)閹捝蟼飨螺d數(shù)據(jù)的延遲、以及因?yàn)樵贫擞?jì)算時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的系統(tǒng)延遲。在智能家居或智慧社區(qū)場(chǎng)景中,有大量的傳感器和終端,它們可以通過Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?,但考慮到這些數(shù)據(jù)的體量過大,而且很多數(shù)據(jù)需要在本地使用,使得云計(jì)算不是最適用于智慧社區(qū)和智能家居的計(jì)算范式。邊緣計(jì)算將取而代之,通過在智能網(wǎng)關(guān)(或具備網(wǎng)關(guān)功能的智能音箱、服務(wù)型機(jī)器人等)上運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)邊緣操作系統(tǒng),各類電子設(shè)備均可以通過局域網(wǎng)連接到網(wǎng)關(guān),部署相關(guān)服務(wù)、進(jìn)行運(yùn)算和統(tǒng)一管控。伴隨5G技術(shù)的快速發(fā)展,其廣覆蓋、低時(shí)延、大連接、高可靠的特性,使得邊緣計(jì)算有著更加廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。5G將加速物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向更多垂直行業(yè)滲透,未來生活、工作中的各種場(chǎng)景中的傳感器、終端設(shè)備都有可能融入到物聯(lián)網(wǎng)中,它們將成為數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者和數(shù)據(jù)的消費(fèi)者。5G將支持海量的機(jī)器通信,以智慧城市、智能家居等為代表的典型應(yīng)用場(chǎng)景與移動(dòng)通信深度融合,預(yù)期千億量級(jí)的設(shè)備將接入5G網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生海量的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

       隨著5G等通信技術(shù)的發(fā)展和助推,在邊緣計(jì)算中包含的一些潛在問題急需解決,如:可靠性問題、隱私和安全問題、如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)和帶寬進(jìn)行優(yōu)化等。拿隱私和安全舉例,如果邊緣計(jì)算應(yīng)用在家中部署,大量用戶體征數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)等隱私數(shù)據(jù)會(huì)被采集,例:通過分析智能床墊和智能枕頭可以判斷是否有人休息、什么時(shí)間休息,什么姿勢(shì)休息;通過分析智能門鎖和貓眼的數(shù)據(jù)可以知道家里什么時(shí)候有人。所以如何在不侵犯隱私的情況下提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)也是一個(gè)要特別考慮的問題,某些隱私數(shù)據(jù)可以在處理前進(jìn)行脫敏并只保存在本地(網(wǎng)關(guān)),不上傳到云端。伴隨著數(shù)據(jù)隱私問題的就是數(shù)據(jù)的所有權(quán)問題,邊緣計(jì)算在家居場(chǎng)景中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)屬于數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者,即業(yè)主,讓用戶隱私數(shù)據(jù)保留在生產(chǎn)數(shù)據(jù)的地方將更好地保護(hù)用戶的隱私。隨著用戶對(duì)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的意識(shí)增強(qiáng),建設(shè)方或運(yùn)營(yíng)方對(duì)如何保護(hù)業(yè)主的隱私重視起來,為家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)置數(shù)據(jù)上傳和下行的開關(guān)功能就是一個(gè)體現(xiàn),讓業(yè)主決定哪些數(shù)據(jù)在什么時(shí)間上傳給云服務(wù)提供者。

       由于物聯(lián)網(wǎng)傳感器的快速普及和對(duì)生活、各個(gè)行業(yè)垂直應(yīng)用場(chǎng)景的滲透,為了保障數(shù)據(jù)和在更短的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行,業(yè)務(wù)的可靠性和數(shù)據(jù)的安全性,未來越來越多的云計(jì)算服務(wù)會(huì)從云端向網(wǎng)絡(luò)邊緣遷移。物聯(lián)網(wǎng)傳感器、各式各樣的終端設(shè)備充當(dāng)了重要角色,其角色也在發(fā)生著變化,由數(shù)據(jù)的消費(fèi)者向數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和消費(fèi)者轉(zhuǎn)化。隨著芯片、模組、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)平臺(tái)等整個(gè)邊緣計(jì)算生態(tài)鏈的快速演進(jìn)。未來,邊緣計(jì)算將成為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和布局的重點(diǎn)技術(shù)方向。

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