近端計(jì)算，根治信息時(shí)代各種“心塞”

龐貝　毛艷玲

你是否有過這種經(jīng)歷：

為了一張春節(jié)回家的車票，眼睛一眨不眨地盯著電腦屏，然而就在出票的瞬間卡住了，等到一兩分鐘后再刷出網(wǎng)頁，已經(jīng)變成了“無票”……

為了一件心儀已久的寶貝凌晨數(shù)秒等“秒殺”，等到削尖腦袋擠進(jìn)去的時(shí)候?qū)氊愐呀?jīng)“被搶光”……

你想重新編輯一下你的相冊(cè)空間，打開一幅照片卻費(fèi)了5分鐘……

你在差兩分三點(diǎn)之前忽然想要買點(diǎn)基金、證券，卻無論如何跳轉(zhuǎn)不到支付頁面……

2008年，我國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶才1.1億。2016年年底，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)超過9億。

——無論我們?cè)覆辉敢猓苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代都已經(jīng)不容置疑地降臨到這個(gè)世界，以潮水般的速度席卷生活的方方面面，給我們帶來新的生活方式的同時(shí)，也帶來了新的“心塞”。

類似上文列舉的種種“心塞”，根源就是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶爆發(fā)帶來的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理請(qǐng)求在數(shù)據(jù)中心得不到及時(shí)處理所致。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，計(jì)算和數(shù)據(jù)處理都是基于大型數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算的集中式處理。然而最近幾年來，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)用戶的增多，出現(xiàn)了層出不窮的新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬發(fā)展的相對(duì)落后，這種集中式處理方式開始顯現(xiàn)一些缺陷和不足。這促使人們開始思考和研究后云計(jì)算時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式。為了滿足這一需求，清華大學(xué)周悅芝老師帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)，針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式集中式計(jì)算和存儲(chǔ)的問題，提出了利用距離終端用戶較近服務(wù)器上的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，甚至是與用戶終端對(duì)等的其他終端上的資源來完成用戶所需要的計(jì)算或存儲(chǔ)任務(wù)，從而加快終端任務(wù)的處理和響應(yīng)速度，提高用戶體驗(yàn)。由于這些計(jì)算和存儲(chǔ)發(fā)生在距離終端用戶較近的服務(wù)器或者對(duì)等終端上，可以將這種計(jì)算模式稱為“近端計(jì)算”或“近端（云）計(jì)算”。與此相對(duì)應(yīng)，傳統(tǒng)意義上的云計(jì)算可以被稱為“遠(yuǎn)端云計(jì)算”。

周悅芝，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系副研究員，近年來一直從事計(jì)算機(jī)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和成果推廣工作，在分布式系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算和云存儲(chǔ)方面進(jìn)行了創(chuàng)新性研究和實(shí)現(xiàn)，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新性成果。

隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算模式也在發(fā)生變革和演變。從大的維度來看，計(jì)算模式經(jīng)歷從大型主機(jī)到Pc機(jī)，再到上世紀(jì)七八十年代網(wǎng)絡(luò)流行后的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的演變過程。目前是以云計(jì)算為代表的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算時(shí)代。大型主機(jī)是一種集中式的計(jì)算模式，計(jì)算和存儲(chǔ)均在主機(jī)上進(jìn)行，啞終端或者智能終端只執(zhí)行輸入和輸出的人機(jī)交互功能。Pc計(jì)算模式則是一種分散式的計(jì)算模式，計(jì)算和存儲(chǔ)分散在每臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行執(zhí)行，相互獨(dú)立。隨著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的發(fā)展，個(gè)人計(jì)算機(jī)開始相互連接并且和執(zhí)行專門功能的服務(wù)器連接起來，形成了以個(gè)人計(jì)算為主，其他計(jì)算機(jī)和服務(wù)器為輔的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式。后Pc計(jì)算時(shí)代出現(xiàn)了多種網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式，如網(wǎng)格計(jì)算、服務(wù)計(jì)算等，但是最終云計(jì)算在現(xiàn)階段獲得了最廣泛的認(rèn)可和巨大的商業(yè)成功。云計(jì)算最核心的特征就是計(jì)算和存儲(chǔ)集中在大型云計(jì)算或數(shù)據(jù)中心來執(zhí)行，盡管其表現(xiàn)形態(tài)和技術(shù)與大型主機(jī)似乎完全不同，但其實(shí)質(zhì)是大型主機(jī)集中式計(jì)算模式的歷史性、螺旋性回歸。

從歷史上看，集中式和分散式計(jì)算模式，各有各的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)。由于技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求的變化，集中式和分散式計(jì)算模式在不同歷史時(shí)期取得了不同程度的主導(dǎo)式發(fā)展，呈現(xiàn)出歷史性的螺旋式發(fā)展規(guī)律。云計(jì)算發(fā)展到今天，雖然取得了巨大的成功，但是其固有的集中式特性，在滿足高速網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和大規(guī)模計(jì)算和存儲(chǔ)需求的同時(shí)，也日益暴露其根本性的缺陷和發(fā)展瓶頸。

首先是智能終端能力的發(fā)揮問題。由于摩爾定律繼續(xù)成立，手機(jī)、平板電腦等智能終端在體積越來越小的同時(shí)，其計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等能力越來越強(qiáng)大，終端處理、存儲(chǔ)和通信等能力在一定程度上出現(xiàn)了相對(duì)過剩和閑置。但是另—方面，另外一些終端設(shè)備處理、存儲(chǔ)或通信能力由于技術(shù)和應(yīng)用需求而繼續(xù)維持在相對(duì)弱小的狀態(tài)，處理、存儲(chǔ)或通信能力則顯現(xiàn)明顯的不足。由于云計(jì)算是一種集中式計(jì)算模式，終端只是進(jìn)行輸入輸出的人機(jī)交化互功能，因此一方面，云計(jì)算使得強(qiáng)大的終端設(shè)備處理、存儲(chǔ)和通信能力不能得到充分發(fā)揮，造成計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等資源的浪費(fèi)。而另外一個(gè)方面，能力不足的終端設(shè)備不能在云計(jì)算模式下充分利用周圍其他終端設(shè)備過剩的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等能力在完成自身的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等任務(wù)。這在整體上造成了計(jì)算、存儲(chǔ)和通信資源的低利用率和低效率，也造成了.總體資源的閑置和浪費(fèi)。

其次，由于泛在化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)帶寬和速度得到大幅度提高，寬帶無線接入隨時(shí)隨處可得。但是云計(jì)算中用戶終端和大型云計(jì)算中心之間需要跨越網(wǎng)絡(luò)，一般往往是長(zhǎng)距離的廣域網(wǎng)絡(luò)或異構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)研究表明，長(zhǎng)距網(wǎng)絡(luò)在帶寬不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，在擁塞、延遲、抖動(dòng)和失效等方面的性能提高和性能保證卻十分有限。因?yàn)檠舆t、擁塞等問題，由于網(wǎng)絡(luò)路由、中間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包處理、跨網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商以及安全監(jiān)控等方面的原因，很難在近期甚至長(zhǎng)期得到提高和改善。而無線網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量方面也難以得到保證和有效提高，無線廣播機(jī)制會(huì)導(dǎo)致高峰時(shí)期的用戶擁塞，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)丟包和網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)現(xiàn)象的出現(xiàn)，這些都會(huì)降低交互式應(yīng)用和服務(wù)的服務(wù)用戶體驗(yàn)。由于云計(jì)算需要在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中處理，再加上網(wǎng)絡(luò)固有的延遲和擁塞等，在交互式應(yīng)用中，云計(jì)算顯得力不從心。

最后，復(fù)雜新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景需求不斷更新和變化。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)以及普適化終端的發(fā)展，新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、服務(wù)以及新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)，令人目不暇接。復(fù)雜多樣化的新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)，其在終端類型和能力、網(wǎng)絡(luò)類型和能力，應(yīng)用和服務(wù)需求等方面各不相同，這給云計(jì)算的普遍適用造成帶來了極大的挑戰(zhàn)。以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景為例進(jìn)行分析，集中式的云計(jì)算難以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在無線接入和低延遲訪問、移動(dòng)支持和位置及環(huán)境感知等方面的應(yīng)用需求。在未來的5G應(yīng)用場(chǎng)景，雖然網(wǎng)絡(luò)帶寬和延遲性能進(jìn)一步提高，但是由于用戶數(shù)量和應(yīng)用數(shù)量急劇增長(zhǎng)帶來的巨大需求，使得云計(jì)算在內(nèi)容高效分發(fā)、移動(dòng)大數(shù)據(jù)分析、智能交通/政務(wù)/醫(yī)療、端端協(xié)作與實(shí)時(shí)應(yīng)用等方面還是難以滿足需求。因此，云計(jì)算難以滿足未來互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)或內(nèi)容分發(fā)以及實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)應(yīng)用的需求，嚴(yán)重阻礙了新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展，人們尋求云計(jì)算的替代模式已經(jīng)成為必然。

而近端計(jì)算就好比是《西游記》中彌勒佛的法寶“后天袋”，可根據(jù)需要任意縮放，使計(jì)算或者存儲(chǔ)的處理和運(yùn)行快速高效，最大限度降低云計(jì)算集中式處理帶來的延遲。

近端計(jì)算的基本原理就是“讓云離地面更近”，實(shí)質(zhì)上就是將云計(jì)算從集中式的大型數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展到離用戶距離較近的網(wǎng)絡(luò)邊緣，從而克服集中式處理的網(wǎng)絡(luò)瓶頸，提高終端用戶服務(wù)請(qǐng)求的處理速度和用戶體驗(yàn)。在技術(shù)途徑上，可以在距離用戶較近的網(wǎng)絡(luò)邊緣部署專門服務(wù)器和設(shè)備或者小型的數(shù)據(jù)中心，也可以利用周邊空閑的服務(wù)器或者其他用戶終端上空閑的資源來進(jìn)行分散式的計(jì)算和存儲(chǔ)。很顯然，近端計(jì)算是云計(jì)算由集中走向分散式集中的一種自然擴(kuò)展，是Pc分散式計(jì)算模式的一種歷史性回歸。

云計(jì)算是由終端和云計(jì)算處理中心組成的二層架構(gòu)，而近端計(jì)算在中間增加了一層或多層計(jì)算，將原來的二層架構(gòu)擴(kuò)展到了三層或多層。一些計(jì)算和數(shù)據(jù)處理就近進(jìn)行處理，然后再發(fā)送到遠(yuǎn)端的云計(jì)算中心進(jìn)行進(jìn)一步處理。近端計(jì)算可以集中附近服務(wù)器或者終端節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，因此可以認(rèn)為是一種小型的集中式處理。從執(zhí)行時(shí)序上看，云計(jì)算中所有計(jì)算和處理均在數(shù)據(jù)中心上進(jìn)行，終端必須等待云計(jì)算中心返回的處理結(jié)果才能進(jìn)行下一步的處理。而在近端計(jì)算中，由于兩級(jí)或者多級(jí)中心的存在，計(jì)算和存儲(chǔ)可以在多個(gè)中心上進(jìn)行并行處理。此外，計(jì)算、存儲(chǔ)或聯(lián)網(wǎng)等任務(wù)除了可以在服務(wù)器或微型數(shù)據(jù)中心上執(zhí)行外，還可以在終端本身或者周圍鄰近終端上進(jìn)行；終端與終端之間還可以組成對(duì)等和分散的協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，合作完成某項(xiàng)計(jì)算、存儲(chǔ)或聯(lián)網(wǎng)等不同任務(wù)。近端計(jì)算并非簡(jiǎn)單的將云計(jì)算擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，而是在體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算和存儲(chǔ)執(zhí)行模式、服務(wù)控制、可用性等諸多方面與云計(jì)算存在根本性的區(qū)別，是云計(jì)算集中式處理技術(shù)的全面提升和進(jìn)化。

人口規(guī)模的巨大優(yōu)勢(shì)和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，使我國(guó)具備無可匹敵的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模，由此帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)也是艱巨而緊迫的。

面向市場(chǎng)需求解決實(shí)際問題，才能讓用戶滿意、讓企業(yè)滿意、讓國(guó)家產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展，讓各種“心塞”得到根治，這是周悅芝和其團(tuán)隊(duì)一直奉行的理念。

推動(dòng)產(chǎn)業(yè)繼續(xù)前行，周悅芝團(tuán)隊(duì)仍在研究不輟。期待他們?cè)凇敖擞?jì)算”領(lǐng)域，能夠帶來新的突破。endprint