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★中國工程院，邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟專家委員會 鄔賀銓

 1　從云計算到邊緣計算（MEC） 

 邊緣計算是云計算概念的延伸，它位于網(wǎng)絡(luò)邊緣 但并非中心云的小型化，MEC與中心云因不同的應(yīng)用 場景而有不同的特點。邊緣云善于處理短周期、大數(shù)據(jù) 和低時延的信息，通過邊緣云過濾一些數(shù)據(jù)送到中心云，中心云則善于處理長周期的信息，并且通過訓練數(shù) 據(jù)、優(yōu)化數(shù)學模型，再下發(fā)到邊緣云。邊緣計算可以看 成是云計算的派出機構(gòu)，它們之間有不同的分工。 

邊緣計算并不是中心云的一個小型化這么簡單。 我覺得從四個方面來看： 

首先，邊緣計算面對異構(gòu)的應(yīng)用和服務(wù)場景，可 能運行在不同的硬件和虛擬化技術(shù)、不同的API和協(xié)議 中，增加了設(shè)備和應(yīng)用的管理難度。

 其次，邊緣計算的服務(wù)器既是資源受限又是資源 異構(gòu)，資源調(diào)配（調(diào)整物理架構(gòu)和負載均衡等）工作難 度大。 

第三，邊緣計算在網(wǎng)絡(luò)邊緣需要考慮與5G的分 布單元（DU）、集中單元（CU）和客戶前端協(xié)配 （CPE）、光傳輸系統(tǒng)（OLT）以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中PLC 的集成部署或協(xié)同部署。

 第四，邊緣計算本身具有分布式的特點，使得其 面對的攻擊維度增多，不同的配置方式也增加了安全管 理的難度。

 2　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要邊緣計算（MEC）

 圖1是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的組成架構(gòu)，底層為PLC等工控 設(shè)備，按照規(guī)定的程序連接生產(chǎn)裝備，如儀器儀表，同 時收集相關(guān)的數(shù)據(jù)上傳。現(xiàn)在接入5G后，可通過5G的 CPE連接AGV、傳感器等。

 圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu) 

在現(xiàn)場級，我們通常都會配置邊緣計算，在邊 緣計算平臺上，把現(xiàn)場級的數(shù)據(jù)進行本地分流，另外 過濾一些數(shù)據(jù)送到車間一級；車間一級在連接機口和 SCADA連接數(shù)據(jù)送到工廠一級，當然也可以連到外 網(wǎng)。

 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為什么需要邊緣計算呢？我從五方面來 闡述： 

首先是本地業(yè)務(wù)分流。通過邊緣計算可以支持數(shù) 據(jù)在企業(yè)園區(qū)里傳送，不僅能夠保護企業(yè)敏感數(shù)據(jù)的安 全，而且降低時延、提升效率，同時因為數(shù)據(jù)的過濾降 低對中心云帶寬與存儲的壓力。

 其次是內(nèi)容和業(yè)務(wù)的緩存與加速。通過縮短用戶訪 問業(yè)務(wù)和內(nèi)容資源的路徑，提升用戶業(yè)務(wù)體驗，并且還 可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量，減少鏈路擁塞。

 第三是支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)里有大量的 物聯(lián)網(wǎng)傳感器，這些傳感器終端本身的計算能力相對較 弱，可以通過邊緣計算把物聯(lián)網(wǎng)終端的計算負荷遷移到 網(wǎng)絡(luò)邊緣，同時提供輔助計算和邊緣智能服務(wù)，從而降 低物聯(lián)網(wǎng)終端的成本和能耗。 

第四是適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用的異構(gòu)化環(huán)境。通過邊緣計算可以屏蔽前端的差異，有利于中心云的通用配置。

 第五是網(wǎng)絡(luò)能力的開放。在網(wǎng)絡(luò)邊緣實時感知無線 網(wǎng)絡(luò)的上下文信息，經(jīng)智能分析處理以后，通過API接 口向第三方應(yīng)用開放網(wǎng)絡(luò)能力。

 3　MEC的組成

 圖2是邊緣計算的參考架構(gòu)，最底層有接口和設(shè) 備，再往上是邊緣層。邊緣層主要包括邊緣節(jié)點和邊緣 管理器，邊緣節(jié)點可以分為邊緣網(wǎng)關(guān)、邊緣控制器、邊 緣服務(wù)器以及邊緣傳感器，通過邊緣節(jié)點來協(xié)同合理地 利用計算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源，從而實現(xiàn)控制、 分析、優(yōu)化。

 圖2 邊緣計算參考架構(gòu) 

除了邊緣節(jié)點以外，還有主要由軟件構(gòu)成的邊緣 管理器，它主要實現(xiàn)業(yè)務(wù)編排、策略控制，還有策略執(zhí) 行功能。當然邊緣計算本身上層還有云服務(wù)以及管理服 務(wù)、數(shù)據(jù)全生命周期的服務(wù)和安全服務(wù)。

 4　MEC的虛擬化技術(shù) 

邊緣計算除了硬件以外，更多是軟件化、虛擬化。 虛擬機是虛擬化技術(shù)的一個代表，通過圖3可以看到， 在同一個硬件平臺上，支持兩種不同的操作系統(tǒng)，有實 時操作系統(tǒng)和客戶操作系統(tǒng)。也就是說不同操作系統(tǒng)可 以共享硬件，那么在同樣的管理層是架構(gòu)在這個傳統(tǒng)的 主機的操作系統(tǒng)上面，如果從協(xié)議來分解，虛擬機實際 上通常使用虛機管理（Hypervisor）。在這上面，我 們支持多類的操作系統(tǒng)。然后在客戶操作系統(tǒng)之上，再 有二進制服務(wù)、數(shù)據(jù)庫以及APP。

 現(xiàn)在邊緣計算更多的會使用容器，從圖3可以看到 容器跟虛擬機的區(qū)別，區(qū)別在于什么呢？通過容器引 擎，像Docker等架構(gòu)在主機操作系統(tǒng)的上面，面對多 個容器，這些容器包括二進制、數(shù)據(jù)庫以及APP，那么 在容器中就不含操作系統(tǒng)了，這樣就大大簡化了流程， 可以說虛擬機是客戶操作系統(tǒng)之間的隔離，容器實際上 是進程之間的隔離，從而可以實現(xiàn)比較好的靈活性、快 速性和一致性。

 圖3 邊緣計算的虛擬化技術(shù) 

當然對于大的云計算，還會使用裸金屬，即裸機， 直接在沒有底層操作系統(tǒng)的裸機硬件上來執(zhí)行指令，將 云服務(wù)映射到一個專用的物理服務(wù)器上面。這是介于物 理服務(wù)器和虛擬機之間的形態(tài)，被認為是獨立的物理實 體。其安全性更好，但是受限于物理機的資源，靈活性 不足。在幾種虛擬化技術(shù)之中，邊緣計算比較適合采用 容器技術(shù)，因為邊緣計算是資源受限的異構(gòu)設(shè)備，敏感 于資源隔離帶來的額外開銷，所以適合于采用容器。而 且通過容器分裝的工作負載無需常駐內(nèi)存，就可以滿足 邊緣計算事件驅(qū)動的運算請求，在云端或網(wǎng)關(guān)上以高代 碼開發(fā)的APP可以直接用到邊緣側(cè)。

 5　邊緣協(xié)同

因為容器具有很好的一致性，所以邊緣計算跟中心 云和企業(yè)云之間，可以協(xié)同工作。這里的協(xié)同，我把它分成了五種，分別是：

 （1）數(shù)據(jù)協(xié)同 

MEC負責對數(shù)據(jù)的預(yù)處理，企業(yè)云負責從數(shù)據(jù)中優(yōu) 化數(shù)學模型，數(shù)據(jù)在邊緣與企業(yè)云之間可控有序流動， 高效低成本地對數(shù)據(jù)進行生命周期管理與價值挖掘。 

（2）存儲能力協(xié)同 

企業(yè)云負責存儲任務(wù)的管理、調(diào)度、數(shù)據(jù)布局以 及數(shù)據(jù)的一致性維護等。MEC不具有存儲能力，可共 享企業(yè)云的存儲能力。另一種方式是多個MEC間以自 組織方式建立分布式存儲網(wǎng)絡(luò)，共享各MEC的存儲資 源。還有上述兩種方式融合的存儲互補方式。 

（3）計算能力協(xié)同 

多用戶計算遷移可采用博弈論的方法以分布式方式 實現(xiàn)高效卸載計算，使企業(yè)云和MEC整體性能達到納 什均衡，從而最大化地利用邊緣數(shù)據(jù)中心的計算和存儲 資源。 

（4）算法模型協(xié)同 

利用云端的數(shù)據(jù)分析模型開發(fā)系統(tǒng)構(gòu)建基于機器學 習和AI的復(fù)雜算法模型，通過在線下發(fā)及離線導(dǎo)入的方 式部署，在邊緣側(cè)實現(xiàn)實時的推理和數(shù)據(jù)分析。 

（5）應(yīng)用協(xié)同 

在企業(yè)云上通過高代碼的方式開發(fā)邊緣應(yīng)用，通過 在線下發(fā)及離線導(dǎo)入的方式部署于邊緣側(cè)。

 6　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G與MEC 

 現(xiàn)在邊緣計算在5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)里頭處于什么位置 呢？ 

圖4 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中5G的關(guān)鍵網(wǎng)元 

圖4是一個5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組成圖，左邊是生產(chǎn)產(chǎn) 線，生產(chǎn)裝備通過PLC連到5G的CPE，再通過5G無 線連到基站，基站將其分解成AU、物理層以及DU、 CU。5G的特點之一是核心網(wǎng)的控制面和用戶面可以 分離，即用戶面UPF可以下沉到企業(yè)，通過用戶面 對外可以穿透到外網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)也可以連到數(shù)據(jù)中心和 人工智能的處理。當然用戶面是在核心網(wǎng)的控制面 的管理上，在圖4可以看到它可以跟UPF放在一起， 再通過邊緣計算，可以實現(xiàn)云化的PLC，實現(xiàn)遠程的 管控PLC。當然企業(yè)內(nèi)部也有企業(yè)本身的數(shù)據(jù)網(wǎng)， 那么除了邊緣云以外，大型企業(yè)可能有企業(yè)云，中 小企業(yè)可能就直接上公有云了。在整個5G工業(yè)互聯(lián) 網(wǎng)中，有很多主要的網(wǎng)元，如5G CPE（客服前端設(shè) 備）、5G云化PLC（可編程邏輯控制器）、5G云化 基站、5G UPF（核心網(wǎng)用戶面功能）、5G MEC（邊 緣計算）、5G LAN（局域網(wǎng)）、5GC（核心網(wǎng)控制 面）。

 7　MEC與5G核心網(wǎng)控制面功能的關(guān)系 

 圖5 MEC與5G核心網(wǎng)控制面功能的關(guān)系 

邊緣計算跟5G核心網(wǎng)之間控制面的功能有什么關(guān) 系？圖5左側(cè)基本上是5G原來的功能單元，右側(cè)是邊緣 計算里的一些主要的功能，那么邊緣計算跟5G核心網(wǎng) 控制面中的NEF網(wǎng)絡(luò)開發(fā)開放功能、PCF材料控制功 能、CHF計費功能是對接的，5G向邊緣計算按需提供 和開放網(wǎng)絡(luò)的這些核心功能，包括網(wǎng)絡(luò)策略控制和內(nèi)容 流量計費等。邊緣計算相當于5G里頭的AF應(yīng)用功能， 作為AF可以跟5G的NEF和PCF進行交互，完成分流規(guī) 則的配置，然后由PCF將分流的策略經(jīng)過SMF會務(wù)管理 功能下發(fā)到UPF用戶面功能，這樣就完成了分流。邊緣 計算本身作為AF應(yīng)用功能，也可以通過NEF網(wǎng)絡(luò)開放 功能來調(diào)用5G標準的API接口，實現(xiàn)對上面網(wǎng)絡(luò)信息的 計費以及材料控制服務(wù)。 

8　MEC與5G核心網(wǎng)用戶面功能（UPF）的協(xié)同部署方式 

邊緣計算也會跟5G核心網(wǎng)的用戶面進行協(xié)同部 署。通過圖6可以看到：UPF可以作為邊緣計算的數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)發(fā)面和計算卸載實現(xiàn)流量的分流。圖6是表現(xiàn)UPF具 有IPV6的多規(guī)屬性，可以從IPV6地址里識別傳送來的 IP包，包括到本企業(yè)的以及到外部企業(yè)的，到本企業(yè)的 如紅線所示，做到企業(yè)內(nèi)部的敏感數(shù)據(jù)不離開企業(yè)，從 而在這里進行業(yè)務(wù)的卸載。 

圖6 MEC與5G核心網(wǎng)用戶面功能（UPF）的協(xié)同部署方式 

邊緣計算跟UPF之間有幾種部署方式：

 一是集成部署，兩者合一了。原來電信云邊緣需 擴展為 ICT綜合邊緣云，既要滿?UPF等NFV?性能 ?絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)處理需求，還需?持IT類業(yè)務(wù)應(yīng)?的容器化部 署與編排管理、邊緣AI類以及視頻類業(yè)務(wù)應(yīng)?的GPU/ FPGA等加速及異構(gòu)計算處理。兩者集成的話，也就意 味著電信云要同時具備IT云的能力。這種兩者集成的部 署可以共享NFV電信邊緣云及統(tǒng)?網(wǎng)管，可充分利?網(wǎng) 絡(luò)資源，節(jié)約投資。

 二是分離部署。UPF與MEC系統(tǒng)物理隔離有利于 5G?絡(luò)的安全保障，也便于MEC與第三方合作，打造 MEC生態(tài)圈。但MEC系統(tǒng)如需提供?絡(luò)流量業(yè)務(wù)鏈處理 類服務(wù)，因不能與UPF共享?絡(luò)處理會有重復(fù)投資，而 且同時在邊緣點建設(shè)電信云與IT云既擠占資源且利用率 低。

 三是部分共享。把邊緣計算分為CT類與IT類業(yè) 務(wù)，前者與UPF集成并共享NFV邊緣云；后者部署在IT 邊緣云。但這樣增加了邊緣業(yè)務(wù)的統(tǒng)?管理復(fù)雜度，而 且MEC系統(tǒng)中部分融合業(yè)務(wù)也很難簡單分為IT類還是 CT類業(yè)務(wù)。如自動駕駛，兩種業(yè)務(wù)都包含，在這些情 況下，完全的部分共享也有難題，如何協(xié)同部署還需要根據(jù)具體的需求來安排。

 9　MEC+云化PLC 

 圖7 云化PLC部署 

通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+邊緣計算，可以實現(xiàn)云化的 PLC。如今，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的控制和感知參數(shù)已經(jīng)越來越多 了，不再是傳統(tǒng)的溫度、壓力、位置這么簡單，還會有 視覺、音頻這些維度的參數(shù)，總體而言，控制點數(shù)呈倍 數(shù)級增長，傳統(tǒng)的PLC以及相應(yīng)的現(xiàn)場總線將很難支持 建立新的需求，功能的擴展缺乏彈性。

 我們現(xiàn)在需要把虛擬化的PLC和SCADA云化地部 署在運營商的邊緣計算平臺，在企業(yè)的備用計算平臺 上，通過IP協(xié)議，可以遙控PLC的執(zhí)行裝置和遠程維 護，從而快速地開發(fā)和搭建整套數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、存 儲、處理、可視化和行業(yè)APP等全流程服務(wù)和應(yīng)用。如 圖7所示，一個云化的PLC，不僅有CPU、操作系統(tǒng)監(jiān) 視器、Linux操作系統(tǒng)，還通過邊緣通用控制器，帶有 機器視覺SCADA以及PLC的一些能力，可以支持各種 各樣的算法。另外云化PLC通常會用比較高檔的CPU， CPU的能力升級了，那么云化PLC也不一定只管理單個 PLC，能同時管理多個PLC，可以在控制器上面直接運 行各類行業(yè)算法和工業(yè)APP，這樣就可以省去外部的工 控機和服務(wù)器。并且云化PLC可以采用高級語言編程， 而傳統(tǒng)的PLC是用繼電器邏輯過渡過來的，習慣于使 用傳統(tǒng)的梯形圖編程，從編程語言維度看，云化PLC還 降低了開發(fā)的門檻。5G加上云化PLC，用無線的方式 解決了實時性的問題，云化讓PLC不再受物理位置的束 縛，將工業(yè)控制從有線到無線，從本地到云端，實現(xiàn)了 遠程運維管理。

（本文根據(jù)作者在2022邊緣計算產(chǎn)業(yè)峰會上所作報告整理）

摘自《自動化博覽》2023年第2期暨《邊緣計算2023專輯》