基于物聯網的邊緣計算特性與挑戰研究

趙婉芳 杜輝 趙妍

(北京電子科技職業學院，北京 100176)

0.前言

近年來隨著物聯網的快速發展，物聯網設備的數量呈爆炸式增長。據估計，到2025年，超過750億臺設備將連接到互聯網[1]，對全球市場造成經濟影響。物聯網包括連接物理世界和互聯網的軟件和硬件基礎設施。物聯網設備通常內存小、低功耗、計算能力有限，各種物聯網終端設備和連接系統，包括主要的傳感器，在城市、家庭、交通和工業中大量使用，產生了海量數據。這些數據需要被及時計算處理，但由于數據傳輸產生的延遲以及網絡帶寬的限制，因此，面對大量連接設備及數據量，集中云中心的數據處理模式變得不切實際，需要盡可能地減少數據傳輸量，盡量在本地進行數據計算處理。邊緣計算提出盡可能靠近數據源執行數據的計算處理，避免出現大量的數據交換傳輸，很好地解決了這些問題，為物聯網的進一步發展提供了解決方案。

1.邊緣計算

邊緣計算將計算數據、應用程序和服務從云服務器引導到網絡邊緣，它通過使服務接近最終用戶來減少延遲，是云計算的高級版本。邊緣計算通過在邊緣網絡中提供資源和服務來最小化云的負載。邊緣計算的特點是超低延遲、高帶寬以及對網絡信息的實時訪問，可供給多個應用程序使用[2]。服務提供商部署新的邊緣計算標準和邊緣平臺，通過開放對新應用程序和服務的訪問，向邊緣用戶提供無線接入網絡。邊緣計算可以實現多種服務，包括位置服務、增強現實、視頻分析和數據緩存，為企業和消費者提供了離他們更近的多種新服務[3]。

邊緣計算和云計算有服務相似之處，與云類似，邊緣服務提供商向最終用戶提供應用程序、數據計算和存儲服務。但這兩種計算范式之間仍存在著相當大的差異。邊緣計算是云計算的高級版本，它們主要區別在于服務器的位置，邊緣計算中的服務位于邊緣網絡中，而云中的服務位于Internet中，目標用戶是一般的Internet用戶。云服務在 Internet 中的終端用戶與云服務器之間的距離決定了其可用性，如果終端設備與云服務器之間距離較遠，則會在云計算中產生較高的延遲，同時也會具有很高的抖動。與使用集中式數據處理的云計算模式不同，邊緣計算使用了服務器分發的分布式模型，具有位置感知和高度支持的移動性，與云計算的全局范圍不同，邊緣計算的范圍是有限的。此外，邊緣硬件的能力有限，這使得它的可伸縮性不如云。

2.邊緣計算特性分析

邊緣計算是云計算的延伸，是一種自主計算模型。是為了解決延遲敏感服務和應用程序中延遲較長的問題而開發的，它由許多分布式異構設備組成，它們與網絡通信，執行存儲和處理等計算任務。這些任務還可以支持用戶租賃設備并獲得獎勵的基于租賃的服務。它使計算服務更接近網絡邊緣的終端用戶。邊緣計算有利于提供給有可預測且非常低的延遲，位置感知，移動性支持等要求的應用程序服務。

2.1 位置感知

為了減少物聯網中的數據交換傳輸，邊緣計算主要選擇就近服務節點對數據計進行計算處理。邊緣計算的位置感知屬性可以使得移動用戶從最接近其物理位置的邊緣服務器訪問服務。這種位置識別可以用于多種需要位置信息的邊緣計算應用程序。使用中用戶可以通過手機基礎設施、無線接入點或GPS等多種技術方法找到電子設備的位置，例如車輛安全應用程序和基于邊緣的災難管理應用程序，用戶都可以通過位置感知功能及時定位。

2.2 密集分布與低延遲

為了使云服務更接近用戶，邊緣計算通過在邊緣網絡中部署許多計算平臺進行數據處理。基礎設施密集的地理分布有助于更快、更準確地執行大數據分析。網絡管理員可以在不需要遍歷整個廣域網的情況下提供基于位置的移動服務。邊緣系統可以實現大規模的環境監測的傳感器網絡和管道監測網絡實時分析，由于系統中的邊緣服務器和計算資源更接近用戶，因此有效減少了用戶訪問服務的延遲。邊緣系統的低延時的屬性使得用戶能夠在專用服務器、路由器、基站等資源豐富的邊緣設備上執行其資源密集型和延遲敏感的應用程序。

2.3 異構性

邊緣計算中包括了各類邊緣計算元素，其中包括邊緣服務器、終端設備和網絡所使用的各種基礎設施、平臺、體系結構、通信技術和計算等元素。這些元素使用了不同的接入技術，來自不同的運營商，這些差異導致了邊緣計算的異構性。在設備的異質性中，造成異質性的主要因素是軟件、硬件和技術的變化。邊緣服務器端的異構則主要是由于API、平臺和自定義策略存在的不同。邊緣系統的異構性導致了系統間互操作性問題，使其成為邊緣計算成功部署的主要挑戰。其中通信技術的異構也會影響到邊緣服務的交付。使得邊緣系統能夠發揮優勢的關鍵是研究系統間融合的方式，使多得系統之間能取長補短。

2.4 情境意識

邊緣系統可以利用計算資源和服務來接近用戶，從而提高用戶的體驗。上下文感知是移動設備的特點，它與位置感知相互依賴。用戶位置和網絡負載等實時網絡信息可用于向邊緣用戶提供上下文感知服務。本地附近的計算資源和服務的可用性允許用戶利用網絡上下文信息來進行卸載決策和服務使用決策。在邊緣計算中，服務提供商可以通過提取設備信息和分析用戶的行為來獲得移動用戶的信息，提供更符合用戶習慣的服務，更從而改善他們的服務和資源分配，改善用戶滿意度和體驗質量。

3.面臨的挑戰

3.1 安全性和用戶信任問題

邊緣計算系統將部分數據處理任務卸載到邊緣節點，減少了數據的傳輸量，防止了數據傳輸過程中的泄漏問題。但是由于邊緣計算的分布式數據處理，數據被傳輸到各類邊緣節點做計算處理，而邊緣計算的位置感知、分布式體系結構、移動支持需求和海量數據處理等特征阻礙了邊緣計算范式中采用傳統的安全機制，因此邊緣系統數據的安全性面臨全新的挑戰。與邊緣計算相關的安全威脅主要來自于個人角度的用戶、網絡運營商和第三方應用程序提供商等，屬性角度的隱私、完整性、信任、認證、驗證和測量以及對處理數據的合法訪問和需要符合當地法規的合規性。

此外，用戶接受和采用邊緣系統的最重要因素之一是要對系統有信任，技術的安全性和性隱私與消費者的信任密切相關，如果用戶數據的安全性和隱私性得不到保證，肯定會破壞消費者的信任，成為邊緣系統技術發展的最大瓶頸。因此需要基于邊緣系統研究開發消費者信任模型，保證用戶對邊緣計算系統的物聯網產品的采用和使用的信任。

為了解決邊緣計算中的上述安全問題，在訪問控制系統、入侵檢測系統、身份和身份驗證、隱私、信任管理等方向需要加以發展研究，提供適合邊緣系統的解決方案。區塊鏈技術的固有特征，如防篡改、冗余和自愈，也有助于實現一些特定的安全目標，此外，在邊緣計算范式中還可以采用基于量子密碼的解決方案來進一步提升邊緣系統的安全性。

3.2 異構平臺之間的協作及資源聯合管理

邊緣計算系統由一系列不同的異構平臺組成，由不同的服務提供商擁有，并在不同的商業模式下工作，按照不同的經營戰略和管理政策運營，同時根據其運營組織的規定，遵循不同的規章制度，例如邊緣數據中心和邊緣設備由不同的供應商開發，并且有自己的接口，使用不同的4G或5G蜂窩網絡。雖然邊緣計算網絡的這種異構性允許邊緣設備通過多種無線技術訪問服務，但同步性、互操作性、負載平衡、數據隱私性、異構資源共享和無縫服務提供也是使異構邊緣計算系統之間的協作具有挑戰性的因素，這使得此類系統之間的協作成為一項具有挑戰性的任務。

在邊緣計算系統中，單個邊緣計算服務提供者對基礎設施的投資是有限的。這導致為特定數量的用戶提供的資源不足，影響服務的性能并產生較高的成本。另一方面，較低的服務需求導致收入較低。因此，服務提供商可以通過互相共享資源來給用戶提供更多的資源，增加其收入。在這些具有不同處理方法、內存和網絡資源的異構邊緣計算系統中，為大量用戶提供服務的聯合資源管理是一項重要內容。用戶服務需求的增加可能導致可變計算和網絡資源分配之間的卸載增加和高度優化。為了克服上述問題，需要異構平臺之間的協作及資源聯合管理，部署業務模型，以確保高性能，向最終用戶提供更有效，低成本服務。因此，未來需要在普適系統中做深入互操作性和協作的研究，用于設計和開發異構邊緣計算系統之間的高效協作技術。

3.3 移動性管理及動態計費

在邊緣計算系統中，無縫服務交付可確保在消費者移動時，在不同邊緣計算系統之間不間斷地平滑遷移運行應用程序，是系統的一項重要機制。但由于不同的邊緣計算服務提供商實施了不同的安全策略和計費方法，移動用戶無法從網絡外部訪問本地資源，這也使得無縫服務交付面臨很大的挑戰。為了克服這個問題，無線網絡的無縫切換和移動性管理計費方案需要做更合理的設計和實施。

邊緣系統中用戶的移動性以及多服務提供商和運營商的參與，導致了對用戶的收費機制面臨很大的挑戰。當移動用戶獲得漫游邊緣服務時，邊緣計算系統的各種服務提供商之間需要對相應的服務實行動態計費機制。動態計費機制的制定原因主要是由于不同移動用戶的數量，他們會根據應用程序要求的不同，請求具有不同帶寬要求、數據傳可用性、延遲性及安全級別等網絡參數，還會請求如CPU和內存的使用的一些特定的資源。因此，在開發動態計費機制時要充分考慮到資源的可用性，資源使用頻率以及資源使用持續時間。如果存在更多用戶，計費費用可能會有所不同，這將導致高資源需求。特定用戶使用資源的頻率高，或者資源使用持續時間較長，由于管理開銷，這些使用資源多的用戶與短時間使用資源的用戶的費用會不同。

由于用戶數量巨大，一個定價模型可能無法滿足眾多客戶，因此開發動態和敏捷的定價模型，為異構邊緣計算系統提供最適合的定價系統面臨很大困難。邊緣計算范式的快速發展開啟了對動態定價模型的需求，該模型通過在客戶對較少延遲、服務質量和價格的期望以及服務提供商的運營成本和效率之間達成的平衡，來滿足不斷變化的期望。此外，云服務的“按量付費”定價模型也可嘗試用于為邊緣計算系統開發動態定價模型。

4.結語

邊緣計算是云計算的延升和補充，通過使云計算的服務和實用程序更接近最終用戶，來確保快速處理數據密集型應用程序，因此邊緣計算是未來更好實現實時應用程序、動態計費機制、資源管理、安全保障系統的解決方案。但是也由于邊緣系統的異構特性、安全性和移動性特征，邊緣計算范式的發展受到一些限制，使得邊緣系統的發展面臨很大挑戰，未來可以在增強系統安全性，提升用戶信任方面，提升資源聯合管理促進異構平臺之間的協作以及移動管理領域，如開發動態和敏捷的定價模型，為異構邊緣計算系統提供最適合的定價系統方面做進一步研究。