【摘 要】物聯網的發展開啟了萬物互聯時代
，設備的爆炸式增長和應用的多樣化帶來了海量數據，對傳輸帶寬、時效性、異構接入等提出了新要求。邊緣計算在靠近數據源側進行數據處理，有效地減少數據傳輸量、降低服務響應時延、增強網絡效能。本文在物聯網架構的不同位置引入邊緣計算，形成端邊緣
、網邊緣和雲邊緣三類邊緣



，分析三類邊緣的技術方案，總結邊緣計算目前存在的問題，為物聯網邊緣計算的發展提供參考。

　　【關鍵詞】物聯網
；邊緣計算；MEC

　　1 概述

　　隨著物聯網的不斷發展
，更為頻繁的人機交互、指數式增長的數據流量、持續增加的終端種類和不斷湧現的服務場景，對傳輸帶寬、時效性、異構接入等提出了更高要求。邊緣計算在靠近物或數據源的一側
，就近提供近端網絡、數據、計算和存儲服務。物聯網一般是“端
、網、雲”三層架構：端，包括感知設備、執行設備和通信控製網關，實現數據采集和設備控製；網，包括2/3/4G
、WiFi,NB-loT、光寬等技術的泛在連接網絡
，負責數據傳輸；雲
，包括雲主機、負載

、雲服務等，負責數據存儲、處理,提(ti)供(gong)應(ying)用(yong)服(fu)務(wu)。因(yin)此(ci)，很(hen)有(you)必(bi)要(yao)在(zai)物(wu)聯(lian)網(wang)架(jia)構(gou)的(de)不(bu)同(tong)層(ceng)次(ci)引(yin)入(ru)邊(bian)緣(yuan)計(ji)算(suan)，以(yi)滿(man)足(zu)海(hai)量(liang)異(yi)構(gou)設(she)備(bei)快(kuai)速(su)接(jie)入(ru)
，服(fu)務(wu)迅(xun)速(su)響(xiang)應(ying)，網(wang)絡(luo)效(xiao)能(neng)提(ti)高(gao)等(deng)新(xin)需(xu)求(qiu)。

　　目前國內不少學者開展邊緣計算研究，文獻［1-4］介紹邊緣計算的網絡架構、關鍵技術、開源項目和應用展望等
，文獻［5-6］介紹移動邊緣計算(MEC)的標準情況、網絡架構、關鍵技術和典型應用場景。但是缺乏整體介紹引入邊緣計算的物聯網架構


、不同層次邊緣計算的技術方案


，以及邊緣計算在實際應用中遇到的問題。本文基於此,開展進一步的介紹
、分析和總結。

　　2 引入邊緣計算的物聯網

　　如圖1所示,在物聯網的端

、網、雲三層引入邊緣計算,形成端邊緣、網邊緣和雲邊緣三類物聯網邊緣計算：

　　（1）端邊緣，在端層引入邊緣計算，提供數據本地解析、分析、決策和設備聯動等服務。

　　（2）網邊緣，在網層引入邊緣計算，提供數據分流、IaaS、PaaS和SaaS級的數據或應用服務。

　　（3）雲邊緣
，雲層引入邊緣計算，負責雲服務間的數據協同、解析和交互等公共服務。

　　通常情況下，端邊緣由物聯網服務商提供，網邊緣由電信運營商提供
，雲邊緣則由雲計算服務商提供。

　　

　　圖1 引入邊緣計算的物聯網變化

　　2.1 端邊緣

　　物聯網的端邊緣技術方案如圖2所示。物聯網設備(攝像頭
、門禁、空氣監測儀、水質監測器等)通過藍牙

、NFC、ZigBee、Wi-Fi和有線等方式接入邊緣網關
，邊緣網關提供網絡通信

、數據采集、設備控製以及邊緣服務，雲端提供邊緣網關管理(邊緣網關的升級優化、參數配置、資源分配和服務部署等)

、物聯網雲服務。邊緣網關提供的邊緣服務包括但不限於：

　　（1）本地暫存，數據緩存在本地，通信網絡恢複時再次上報，防止數據丟失。

　　（2）本地聯動,基於規則實現快速控製本地設備(比如，氨氣濃度過高，啟動風機通風)，以及本地設備間的快速聯動(比如
，開門和開燈聯動)，防止斷網時設備雲端控製、雲端聯動無法執行。

　　（3）數據分析，使用數據過濾、聚合計算
、異常檢測、數據排序等技術分析流式數據
，實現數據過濾、清洗、加工、聚合
、質量優化(剔除壞數據)後再上雲，減少數據傳輸成本和實現數據的標準化
；

　　（4）數據分發
，基於預定義規則、路由信息和數據分析結果
，將數據轉發至其它設備
、邊緣網關。

　　（5）協議適配，網絡協議的自動轉換，以及對數據格式進行標準化處理(比如
，按照模板將數據轉換成指定格式)。

　　（6）安全服務，包括身份安全、數據安全、網絡安全和係統安全四方麵，由於邊緣網關計算能力有限
，安全服務要求輕量化。身份安全
，主要是海量設備接入的身份認證；數據安全，包括數據加密

、數據防篡改、數據脫敏等
；網絡安全，包括網絡異常行為識別、DDoS防護等；係統安全，包括進程異常檢測、異常事件監測等。

　　

　　圖2 物聯網端邊緣方案

　　2.2 網邊緣

　　物聯網的網邊緣服務，目前多指移動邊緣計算(MEC)服務。MEC服務的部署形態，除了文獻同提出的4G網絡下MEC服務器以獨立設備部署在無線接入網(RAN)側
、4G網絡下MEC服務器與PGW部署
、4G網絡下MEC服務器和DGW部署和5G MEC四種形態之外，還有固移融合接入的MEC。目前
，大力推進的隻有5G MEC,固移融合接入的MEC正在探索實踐中，其它部署形態的MEC業界關注較少。

　　5G MEC結合UPF的邊緣技術方案如圖3所示
，是目前電信運營商正在推廣和試點的5G MEC方案。此方案中，MEC管理平台負責MEC服務管理
、服務部署和規則配置；MEC服務負責提供IaaS、PaaS、SaaS級的數據和應用服務

；邊緣UPF負責按照MEC管理平台配置的數據分流規則，將流量轉發至MEC服務；通過三個步驟為用戶提供服務：

　　（1）MEC應用部署
，MEC管理平台為用戶分配MEC服務能力

，並將用戶應用部署到MEC服務上。

　　（2）分流規則配置，用戶在MEC管理平台上配置分流規則
，經PCF、SMF,下發到邊緣UPF。

　　（3）數據分流，邊緣UPF根據分流規則，將本地數據轉發到MEC服務或集中UPF
；MEC服務處理完數據以後，直接響應或通過SD-WAN,入雲專線將數據發送到雲端。

　　

　　圖3 5G UPF/ MEC方案

　　2.3 雲邊緣

　　雲yun邊bian緣yuan，業ye界jie研yan究jiu較jiao少shao。本ben文wen認ren為wei雲yun邊bian緣yuan是shi雲yun服fu務wu在zai邊bian緣yuan側ce的de延yan伸shen，邏luo輯ji上shang仍reng是shi雲yun服fu務wu，提ti供gong的de能neng力li依yi賴lai於yu雲yun服fu務wu或huo需xu要yao與yu雲yun服fu務wu緊jin密mi協xie同tong。其qi提ti供gong的de服fu務wu包bao括kuo多duo維wei多duo源yuan數shu據ju融rong合he、數據轉發
、基於輕量深度學習的模型訓練、圖像識別
、視頻識別等。

　　3 對比分析

　　端邊緣、網邊緣和雲邊緣是邊緣計算的三種形態，都是在靠近數據源側提供近端服務；不過它們在服務能力
、功能和作用等方麵都有所不同
，具體如表1所示。端邊緣，服務能力一般，提供的服務側重於設備管理
、數據本地預處理，可以看作是設備能力的擴展。網邊緣，服務能力較強，提供類似於雲計算的IaaS
、PaaS和SaaS服務
，可以看作是雲服務能力的下沉。雲邊緣，服務能力強，提供的是公共雲服務，可以看作是雲服務能力的前置。

　　表1 端邊緣、網邊緣和雲邊緣的多維對比

　　

　　應用場景方麵
，端邊緣可以廣泛應用到需要采集設備數據、控製/聯動設備和自組網的本地服務場景，比如工業互聯網的製造自動化，農業的養殖自動化等，適用於本地設備聯動、本地數據清洗和區域組網；網邊緣更多的是應用到區域服務場景，比如園區綜合治理
、社區管理以及車聯網等，適用於數據的區域治理；雲邊緣則偏向於通用的雲服務場景，比如視頻融合
、消息轉發等，適用於數據的雲端預處理。

　　4 發展挑戰

　　通過分析，可以看到物聯網引入邊緣計算，豐富了物聯網的端
、網和雲能力，可以為各種場景提供靠近數據源的不同層次的服務能力。產業屆對邊緣計算在消費物聯網、工業互聯網、車聯網
、智慧園區
、智慧城市等領域發揮重要作用寄予厚望。但是，現階段邊緣計算麵臨諸多挑戰，限製了邊緣計算的快速發展。麵臨的挑戰，除了文獻［4］中提出的技術尚未成熟、體積架構亟需統一、安全隱私存在挑戰之外

，還包括：

　　（1）收費方式、商業模式不清晰。國內典型的端邊緣服務有百度的智能邊緣BIE和阿裏雲的物聯網邊緣服務，前者正在公測
，收費方式商業模式未知
；後者暫時不收費
，主要是作為一個輔助功能


，拉動阿裏物聯網IOT平台的消息數量。網邊緣5G MEC的商業模式，文獻［7］提出了5種商業模式一“基礎設施資源的方式銷售5G邊緣計算服務”、“以能力開放
、按照API的不同性質采用不同收費模式”
、“直接以應用的方式銷售”
、“按照量化指標銷售”以及“與其它電信服務整合銷售”
，商shang業ye模mo式shi豐feng富fu。但dan現xian實shi中zhong
，更geng多duo的de是shi按an照zhao算suan力li和he存cun儲chu的de大da小xiao，以yi及ji是shi否fou需xu要yao分fen流liu功gong能neng探tan索suo收shou費fei方fang式shi。雲yun邊bian緣yuan服fu務wu目mu前qian商shang業ye模mo式shi比bi較jiao單dan一yi，基ji本ben上shang采cai用yong按an調tiao用yong量liang收shou費fei。

　　（2）業務需求不夠強烈。統一的、開放的端邊緣服務目前需求不強，更多的是物聯網服務商在網關裏自實現端邊緣的數據緩存、數據清洗
、協議適配和本地聯動等服務中的若幹項；並且端邊緣提供的服務，能力較弱，難以滿足不同行業的數據處理要求。5G MEC服務可以應用到物聯網領域的智慧園區
、智慧社區等場景，但實際上社區、園區可能僅僅需要邊緣UPF將流量導到自建的邊緣服務器，而不是電信運營商提供的5G MEC。雲邊緣的場景不夠豐富，並且其本質上是雲服務
，邊緣作用體現不夠強。此外，邊緣計算可以應用到計算密集型應用(AR/VR)、車聯網等場景，但是AR/VR
、車聯網等新型場景本身正處於摸索發展階段，邊緣計算需求不強。

　　（3）基礎設施建設存在困難。主要是針對網邊緣，包括：機房規模、供電等條件參差不齊，機房改造困難；機房改造需跟邊緣計算設備、通用硬件協同

，改造流程複雜邊緣服務器的網絡與機房管理能力參差不齊，管理難度大。

　　5 結束語

　　關於邊緣計算在物聯網中的應用，本文提出“端邊緣”“網邊緣”和“雲邊緣”三類邊緣概念，給出三類邊緣服務的方案，分析它們的能力、功能和應用場景
，並總結實際應用中遇到的問題。通過研究分析，我們可以發現物聯網在端網雲引入邊緣計算，物聯網的計算能力
、數據處理能力將不斷豐富、不斷提高，物聯網場景也將越來越智能化、高效化。但是
，目前邊緣計算存在商業模式不清晰、業務需求不夠強和基礎設施建設難等方麵的問題。隻有產業界共同努力解決這些問題
，邊緣計算方能在萬物互聯時代大顯身手。

　　參考文獻

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　　[7] 梁崢.5G邊緣計算商業模式思考.5G工業物聯公眾號.

　　★原文發表於《廣東通信技術》2020年第7期★

　　DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2020.07.004

　　引用格式：黃澤龍.邊緣計算在物聯網領域的研究與分析[J]. 廣東通信技術, 2020, 40(7): 13-15.

　　作者簡介

　　黃澤龍:中國電信研究院，廣州園區，企業運營支撐中心。