邊緣計算如何層次化部署？
邊緣計算強調(diào)的是邊緣。如果說云計算意味著要將所有的數(shù)據(jù)都匯總到后端的數(shù)據(jù)中心處理，那么邊緣計算則是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)實現(xiàn)邊緣智能。正是基于這一特性，邊緣計算能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高頻交互、實時傳輸，因此有望在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時代大放異彩。相關(guān)預(yù)測顯示，到2020年將有超過500億的終端與設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，未來超過50%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)分析、處理與儲存。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算的發(fā)展，邊緣計算正在興起。邊緣計算源于工業(yè)領(lǐng)域，主要部署在終端設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，旨在幫助工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備，在數(shù)據(jù)不上傳云端的情況下，也能夠具有近端的決策控制力。隨著邊緣計算熱度不斷升溫，邊緣計算和霧計算的差別，邊緣計算如何分層部署等現(xiàn)實問題，成為業(yè)界關(guān)注的觀點。
邊緣計算≠霧計算
如果留意“邊緣計算”，就會發(fā)現(xiàn)它有個兄弟，叫“霧計算”。大多數(shù)發(fā)表的文章，對這兩個詞的解釋是差不多的：它們都是相對于“云計算”而言的，在網(wǎng)絡(luò)邊緣，更接近原生數(shù)據(jù)(物理感知)的地方進行的計算。
此前，我們看到的大多數(shù)互聯(lián)網(wǎng)信息處理模式，都是“端-管-云”的模式。在應(yīng)用的現(xiàn)場，“端”只負責(zé)收集數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令，而“云”負責(zé)所有的數(shù)據(jù)分析和控制邏輯功能。“邊緣計算”或者“霧計算”，就是將部分?jǐn)?shù)據(jù)分析和控制邏輯功能，放到應(yīng)用場景的附近來實現(xiàn)，因而也有一個很形象的叫法——“貼地計算”。
雖然，整體上“邊緣計算”和“霧計算”的概念差不多，但其實還是有差別的。
“邊緣計算”源自工業(yè)領(lǐng)域，主要部署在終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)接入點上。目前已經(jīng)普遍存在于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(嵌入式物聯(lián)網(wǎng))應(yīng)用、制造業(yè)、零售、ATM機、智能手機和虛擬/混合現(xiàn)實等領(lǐng)域。邊緣計算使得工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備，無需云計算的幫助，也能具有近端的決策控制能力。
“霧計算”(Fog Computing)，脫殼于“云計算”，是指將云計算的(部分)功能，部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備中，局部的集中化計算。它其實是云計算(Cloud Computing)的延伸概念，由思科于2011年提出。
由此可見，“邊緣計算”和“霧計算”確實還是有一些差異的。邊緣計算主要是在“端”中，這個端是指電子終端設(shè)備或傳感器;而霧計算還是在“云”中，部署在一定區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)集中站點上。用一個智慧家庭的(WiFi)網(wǎng)絡(luò)來舉例，一個App在手機內(nèi)進行的脫網(wǎng)計算就是邊緣計算，而家庭智能盒子(智能WiFi網(wǎng)關(guān))則是霧計算的主體。
盡管兩者有所差別，但目前有一些文章并沒有嚴(yán)格區(qū)分二者。事實上，由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景廣泛，應(yīng)用在“端”和“網(wǎng)關(guān)”上的計算都會有所涉及。所以，既然它們都是相對于“云計算”而言的，那么也就沒有必要區(qū)分部署的位置(生產(chǎn)設(shè)備、傳感設(shè)備、網(wǎng)關(guān)/服務(wù)器)，一般情況下都以“邊緣計算”為表述。
智能分層部署
“邊緣計算”和“霧計算”的差異，給我們以啟示：物聯(lián)網(wǎng)中的計算能力，具有分層部署的特征。這個特征，不同于互聯(lián)網(wǎng)中的云計算部署模式，可以從兩個維度來討論。
參考物聯(lián)網(wǎng)的邊緣架構(gòu)模型
邊緣計算聯(lián)盟ECC針對邊緣計算，定義了四個領(lǐng)域：設(shè)備域(感知與控制層)、網(wǎng)絡(luò)域(連接和網(wǎng)絡(luò)層)、數(shù)據(jù)域(存儲和服務(wù)層)、應(yīng)用域(業(yè)務(wù)和智能層)。這四個“層域”就是邊緣計算的計算對象。
設(shè)備域：邊緣計算在這一層，可以對感知的信息直接進行計算處理。比如在視頻采集、音頻采集中直接部署智能鑒別的能力;又或者像手機一樣，能夠由語音輸入直接轉(zhuǎn)換成文字輸出。
網(wǎng)絡(luò)域：通過部署計算能力，實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自動轉(zhuǎn)換，對數(shù)據(jù)格式進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。要解決物理網(wǎng)中數(shù)據(jù)異構(gòu)的問題，就需要在網(wǎng)絡(luò)域中部署邊緣計算，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)傳遞的標(biāo)準(zhǔn)化(例如將所有的感知數(shù)據(jù)都換算成MQTT類型數(shù)據(jù)，并通過HTTP方式傳遞)。同時，網(wǎng)絡(luò)域的邊緣計算，還能對“融合網(wǎng)絡(luò)”進行智能化管理，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余，保證網(wǎng)絡(luò)的安全，并可進一步參與網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化工作。
數(shù)據(jù)域：邊緣計算，使得數(shù)據(jù)管理更智能、存儲方式更靈活。首先，邊緣計算可以對數(shù)據(jù)的完整性和一致性進行分析，并進行數(shù)據(jù)清洗工作，消滅系統(tǒng)中的“臟”數(shù)據(jù)。其次，邊緣計算可以對計算和存儲能力以及系統(tǒng)負載進行動態(tài)地部署。***，邊緣計算還能和云端計算保持高效協(xié)同、合理分擔(dān)運算任務(wù)。
應(yīng)用域：邊緣計算提供屬地化的業(yè)務(wù)邏輯和應(yīng)用智能。它使得應(yīng)用具有靈便、快速反應(yīng)的能力，并在離線的情況下(和云端失去聯(lián)系時)，仍能夠獨立地提供本地化的應(yīng)用服務(wù)。
在物聯(lián)網(wǎng)貼近用戶和應(yīng)用場景的地方，邊緣計算被部署在以上4個層域中。它使得設(shè)備具有智能化的感知能力，裝配自適應(yīng)的連接策略和(數(shù)字)部署策略，解決系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)異構(gòu)問題，并提供局部的業(yè)務(wù)邏輯甚至智能。
參考物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用/地域/覆蓋范圍
從始創(chuàng)的感知數(shù)據(jù)到終結(jié)的云端智能，數(shù)據(jù)會根據(jù)應(yīng)用的需要而經(jīng)歷多次的匯聚和計算。例如從智慧家庭到智慧城市，海量的數(shù)據(jù)匯集并非一步到位實現(xiàn)的。此外，數(shù)據(jù)匯聚的每個階段中還各有獨立的應(yīng)用和業(yè)務(wù)，這意味著計算有層級化部署的需要。
智慧城市被分成了四個“物聯(lián)網(wǎng)(大小)層級”：家、小區(qū)、社區(qū)、城市(如上圖)。這四層各有應(yīng)用和服務(wù)，服務(wù)范圍和覆蓋區(qū)域從家到城市逐漸擴大。各層級中有部分應(yīng)用相對獨立，與上下層級無關(guān);而另有一部分應(yīng)用則會“層層升級”：家庭醫(yī)生(家)>社區(qū)醫(yī)療(社區(qū))>醫(yī)療衛(wèi)生(城市)。
從物聯(lián)網(wǎng)層級的角度來看，云計算和邊緣計算的關(guān)系，會依據(jù)應(yīng)用來區(qū)分：
- 對于各層級獨有的業(yè)務(wù)，只需在對應(yīng)層級獨立部署針對性的計算能力(只需要“云計算”)。
- 對于穿透(關(guān)聯(lián))多層級的應(yīng)用，需要從上至下都部署計算能力。下層計算和上層計算的關(guān)系就是邊緣計算和云計算的關(guān)系。“社區(qū)醫(yī)療-社區(qū)”是“家庭醫(yī)生-家”的“云”，而又是“醫(yī)療衛(wèi)生-城市”的“邊緣”。
- “邊緣”和“云”的關(guān)系互換：針對單個應(yīng)用，可能會在(物理網(wǎng)的)上層級部署邊緣計算，而在下層級部署云計算。
值得一提的是，某個應(yīng)用(如社區(qū)商城)可能會出現(xiàn)下列情況：應(yīng)用的核心邏輯和預(yù)測分析主要部署在“社區(qū)”和“小區(qū)”中，針對地區(qū)人口的喜好售賣消費商品;應(yīng)用需要從“城市”層級提取一些外部數(shù)據(jù)(例如商品的全市平均價格等等);應(yīng)用在“城市”中沒有大量的應(yīng)用域計算需求。若是如此，那么上層的“城市”對于下層的“社區(qū)”、“小區(qū)”而言就是“邊緣”了。理所當(dāng)然，該應(yīng)用在“城市”層域中部署的計算能力就是邊緣計算。“關(guān)系互換”的情況在工業(yè)領(lǐng)域可能會更多。例如工業(yè)生產(chǎn)中的質(zhì)量管理、流程管理。
工廠的質(zhì)量和流程管理系統(tǒng)通常都部署在生產(chǎn)現(xiàn)場，大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)就保存在“邊緣”的網(wǎng)絡(luò)中。而要實現(xiàn)智能生產(chǎn)，還需要提取許多和質(zhì)量、供應(yīng)鏈有關(guān)的外部信息(用戶投訴、產(chǎn)品/零部件返修信息、產(chǎn)品生命周期信息、合作方的質(zhì)量信息等)。這些信息最終會隨著物聯(lián)網(wǎng)，匯集到“邊緣”的質(zhì)量和流程管理系統(tǒng)中進行質(zhì)量分析、預(yù)測。顯然，對于質(zhì)量和流程管理系統(tǒng)來說，自身以外的互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，都是邊緣網(wǎng)絡(luò)。
可以預(yù)見，工業(yè)生產(chǎn)的“云計算”會更多地部署在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的附近。
根據(jù)應(yīng)用的需要，計算能力會部署在物聯(lián)網(wǎng)各個(大小)層級中。不管“計算”部署在哪個層級，若承擔(dān)了現(xiàn)場指揮的主要職責(zé)，就屬于邊緣計算;若承擔(dān)了大數(shù)據(jù)和智能化預(yù)測的主要職責(zé)，就屬于云計算。
隨著應(yīng)用在計算部署上的靈活性不斷增加，云計算和邊緣計算會走向融合，并越來越難區(qū)分。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中充滿了隨處可取、隨處即用的通用計算能力時，“泛在計算”將應(yīng)勢而生。
邊緣智能是未來
在物聯(lián)網(wǎng)邊緣部署簡單的應(yīng)用邏輯，無法滿足多姿多態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。在靠近應(yīng)用場景的地方，必須部署一定的智能，才能在物聯(lián)網(wǎng)邊緣構(gòu)建起健碩的應(yīng)用生態(tài)。
邊緣計算本質(zhì)就是“貼地”的云計算。邊緣計算最重要的能力就是繼承云計算的智能。就目前的技術(shù)發(fā)展趨勢來看，理論上已經(jīng)能做到這一點。針對某一種應(yīng)用，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(云計算)在學(xué)習(xí)了足夠多的應(yīng)用場景后，可先進行“瘦身”(精簡)，再部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣(部署具有智能的邊緣計算)，從而形成了邊緣智能。這樣，即使脫離云計算的支撐，邊緣智能也能夠?qū)崿F(xiàn)該應(yīng)用場景的大部分智能。
例如，2017年5月23日，人工智能AlphaGo執(zhí)白1/4子戰(zhàn)勝了柯潔。這其中值得注意的是，那天出戰(zhàn)的是“一只”單機版的AlphaGo。
當(dāng)邊緣計算成為邊緣智能，可使得局域、邊緣的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具備自治自律的行為能力。自給自足的算力和智能，將使得物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可以擺脫“云計算”而相對獨立地運營。
結(jié) 語
邊緣計算具有層次(“層域”和“層級”)化部署的特性。
一方面，邊緣計算部署在邊緣架構(gòu)模型的各個層域上。計算能力在物理網(wǎng)邊緣的分層域部署，使得應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)局部(例如智慧家庭)，也能夠形成“‘感知’-‘連接’-‘分析和預(yù)測’-‘控制’”的信息環(huán)路。從而，使各類數(shù)據(jù)的信息價值獲得釋放。
另一方面，在物聯(lián)網(wǎng)不同范圍(大小層級)中部署計算能力，開發(fā)者不僅能根據(jù)業(yè)務(wù)需求和特性構(gòu)建出大小適合的信息環(huán)路，還能使“垂直”業(yè)務(wù)在各層級之間“環(huán)環(huán)相扣”，相互服務(wù)并實現(xiàn)價值互遞。
邊緣計算的更高價值是邊緣智能。
邊緣計算，是智能化云計算的落地部署。應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)局部實現(xiàn)了信息成環(huán)，并能夠通過邊緣計算，實現(xiàn)信息決策、行為反饋、自動組網(wǎng)、負載平衡等全層域的智能化。在脫離云計算的情況下，應(yīng)用也能夠獨立地、靈活地運行，從而在應(yīng)用場景的小范圍內(nèi)形成物聯(lián)網(wǎng)“生態(tài)”(各種類設(shè)備之間，形成信息互助服務(wù)的機制)。
