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从边缘走向中心:边缘计算在工业互联网崭露头角

2019-03-29 15:39:49 来源:控制工程网 点击:510

【大比特导读】随着5G、物联网时代到来以及云计算应用增加,传统的云计算技术已经无法满足终端侧“大连接、低时延、大带宽”的需求,边缘计算应运而生。本文分析了边缘计算的发展历程、关键技术,总结了在工业互联网领域的需求,并提出了解决方案。

随着5G、物联网时代到来以及云计算应用增加,传统的云计算技术已经无法满足终端侧“大连接、低时延、大带宽”的需求,边缘计算应运而生。本文分析了边缘计算的发展历程、关键技术,总结了在工业互联网领域的需求,并提出了解决方案。

 

从边缘走向中心:边缘计算在工业互联网崭露头角

 

目前业界对边缘计算(Edge Computing,EG)的定义有很多种。ISO/IEC JTC1/SC38对边缘计算的定义:边缘计算是将主要处理和数据存储放在网络的边缘节点的分布式计算形式[1]。欧洲电信标准协会(ETSI)的定义:在移动网络边缘提供IT服务环境和计算能力,强调靠近移动用户,以减少网络操作和服务交付的时延,提高用户体验[2]。边缘计算产业联盟(ECC)的定义:在靠近物或数据源头的网路边缘侧,满足行业数字化在敏捷连接、实施业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求[3]。

对边缘计算的定义虽然表述上各有差异,但可以达成共识:在更靠近终端的网络边缘上提供服务。

工业互联网是新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物,是制造业数字化、网络化、智能化的重要载体。边缘计算在工业互联网平台中的位置如下图所示。

 

从边缘走向中心:边缘计算在工业互联网崭露头角

 

工业互联网平台由边缘层、Iaas层、平台层和应用层组成[4]。边缘计算技术涵盖设备接入、协议转换和边缘数据处理,极大地拓展了工业互联网平台收集和管理数据的范围和能力。

边缘计算发展历程

从近5年的谷歌趋势可看出,边缘计算的关注度持续走高,表明边缘计算在当前信息科技发展中的重要性愈加凸显。从图2中也看出,2016年前,边缘计算处于原始技术积累阶段,2017年开始边缘计算开始被熟知,进入快速发展期。

 

从边缘走向中心:边缘计算在工业互联网崭露头角

 

注:图中数字代表相对于图标中最高点的搜索热度,例如,热度最高得100分。

边缘计算的发展与面向数据的计算模型的发展密不可分。为解决面向数据传输、计算和存储过程中的计算负载和带宽问题,在边缘计算产生前,研究者进行了数据边缘处理和计算任务迁移的研究,主要包括分布式数据库模型、对等网络、内容分发网络等。分布式数据库主要包括SQL、NoSQL以及NewSQL分布式数据库等,主要用于实现大数据的分布式存储和共享,较少关注设备端的异构计算和存储能力,且所需空间较大,数据隐私性较低[5]。P2P计算技术与边缘计算模式具有很大程度的相似性,但边缘计算将P2P的概念扩展到网络边缘设备,涵盖了P2P计算和云计算的融合[6]。内容分发网络(CDN)是AKAMAI公司提出的一种基于互联网的缓存网络[7]。边缘计算的概念最早可以追溯到2000年左右CDN的大规模部署,随着技术发展,边缘计算远远超过CDN的范畴,不局限于边缘节点且更强调计算功能。

随着数据的爆发性增长,研究者开始探索万物互联服务功能的上行,具有代表性的是移动边缘计算(MEC)、雾计算和海云计算。

1、移动边缘计算

移动边缘计算技术出现于2013年,是在接近移动用户的无线接入网范围内,提供信息技术服务和云计算能力的一种新的网络结构,并已成为一种标准化、规范化的技术[8]。2014年ETSI提出移动边缘计算术语的标准化,并指出:移动边缘计算提供一种新的生态系统和价值链。利用移动边缘计算可将密集型移动计算任务迁移到附近的网络边缘服务器。移动边缘计算同时也是发展5G的关键技术之一,有助于从延时、可编程性、扩展性等方面满足5G的高标准要求。

移动边缘计算模型强调在云计算中心与边缘设备之间建立边缘服务器,在边缘服务器上完成终端数据的计算任务,但移动终端设备基本被认为不具有计算能力。相比而言,边缘计算模型中的终端设备具有较强的计算能力,因此,移动边缘计算类似一种边缘计算服务器的架构和层次,作为边缘计算模型的一部分。

2、雾计算

雾计算于2012年由思科(Cisco)提出,并被定义为迁移云计算中心任务到网络边缘设备执行的一种高度虚拟化的计算平台[9]。雾计算通过在云与移动设备之间引入中间层,扩展基于云的网络结构,而中间层实质是由部署在网络边缘的雾服务器组成的“雾层”。通过雾计算服务器,可以显著减少主干链路的带宽负载和能耗,此外,雾计算服务器可以与云计算中心互连,并使用云计算中心强大的计算能力、丰富的应用和服务。

边缘计算和雾计算概念具有很强的相似性,在很多场合表示同一个意思。二者的区别上主要体现在处理能力的位置:雾计算的处理能力在IoT设备的LAN里,网络内的IoT网关(雾节点)用于数据收集、处理和存储,处理后的数据发送回需要该数据的设备。而边缘计算进一步推进了雾计算LAN内处理的理念,在网络内的各设备中实施处理,处理能力更靠近数据源。

3、海云计算

万物互联背景下,待处理数据量将达到ZB级,信息系统的感知、传输、存储和处理的能力需相应提高。针对这一挑战,中国科学院于2012年启动了下一代信息与通信技术倡议(NICT倡议)。倡议的主旨是要开展“海云计算系统项目”的研究,其核心是通过“云计算”系统与“海计算”系统的协同和集成,增强传统云计算能力,其中,“海”端指由人类本身、物理世界的设备和子系统组成的终端(客户端)。

与边缘计算相比而言,海云计算关注“海”的终端设备,而边缘计算关注从“海”到“云”数据路径之间的任意计算、存储和网络资源,海云计算是边缘计算的一个非常好的子集实例。

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