第1章 边缘计算概述

增强现实/虚拟现实、4K/8K高清视频、物联网、工业互联网、车联网等众多新型业务应用的快速涌现，对网络的传输容量、数据分发处理能力等提出了越来越高的要求。同时，网络技术和应用服务的进一步发展使网络流量呈现出爆炸式增长的态势。根据 Cisco 最新发布的预测报告，到2021年全球IP流量将达到3.3 ZB，IP视频流量将占所有消费者互联网流量的82％；此外，移动数据流量将在2016年至2021年间增长7倍，到2021年流量将达到每月48.3 EB，其中，移动视频流量将占移动数据流量的75%。另外，终端用户也越来越渴望获得更高体验质量的网络服务，并愿意为此付出更多的费用。面对迅猛而来的流量增长和日益提高的用户体验需求，通信网络势必会承受巨大的压力，因此，必须对网络进行架构上的调整，以满足超大连接、超低时延以及超大带宽等业务需求。

为了应对上述挑战，业界提出在网络边缘提供计算处理与数据存储的能力，即边缘计算，以达到在网络边缘向用户提供优质服务的目的。边缘计算的基本思想是把云计算平台（包括计算、存储和网络资源）迁移到网络边缘，并试图实现传统移动通信网、互联网和物联网等之间的深度融合，减少业务交付的端到端时延，发掘网络的内在能力，提升用户体验，从而给电信运营商的运作模式带来全新变革，并建立新型的产业链及网络生态圈。

边缘计算作为一种开放、弹性、协作的生态系统，可推动移动通信网、互联网和物联网的能力互动和数据互动。首先，边缘计算具有开放性，它打破了传统网络的封闭性，将网络内的基础设施、网络数据和多样化服务转化为开放的资源，以服务的形式提供给用户和业务开发者，使业务能更理解用户所想，体验能更满足用户所需。其次，边缘计算具有弹性，能够支持资源的灵活调用和配置，并通过自动化方式实现快速响应，使边缘计算既能够适应业务可能出现的规模激增和快速新增的应用需求，也能在充分降低资源使用者总体使用成本的同时提供充足的能力，保障业务在时变的网络环境和用户需求面前始终保持出色的用户体验。最后，边缘计算具有协作性，即能够将移动通信网络、互联网和物联网等更紧密地结合在一起，通过技术协作和商业协作，边缘计算可以更好地挖掘和满足用户需求，共同开拓更丰富的业务类型、更好的服务体验和更广阔的市场空间；此外，加强边缘计算与云计算的协作，以及分布式边缘计算环境下的相互协作对于改善网络整体性能也具有重要意义。

边缘计算一经提出就得到了学术界和产业界的广泛关注，其发展历程如图1-1所示。目前，业界普遍认可的边缘计算方案有微云（Cloudlet）、雾计算（Fog Computing）以及多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）3种。另外，云接入网（Cloud Radio Access Network，C-RAN）作为与边缘计算相辅相成的重要技术也受到广泛关注。在此先对这几种技术方案进行简要介绍，第2章将对这几种技术方案进行详细具体的讲解。

随着云计算技术的提出和普及，云计算在大规模数据存储、高效快速计算等方面的巨大优势吸引了网络领域的专家学者和工程技术人员的高度关注。得益于云计算的健康发展，在移动接入网部署云计算逐渐成为业界的共识。2009年，中国移动率先提出了C-RAN的概念。C-RAN是基于集中化处理、协作式无线电和实时云计算架构的绿色无线接入网架构。C-RAN的基本思想是通过充分利用低成本高速光传输网络，直接在远端天线和集中化的中心节点间传送无线信号，以构建覆盖上百个基站服务区域，甚至上百平方千米的无线接入系统。C-RAN的网络架构基于分布式基站的思想，分布式基站由基带单元（Base Band Unit，BBU）与射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）组成。RRU只负责数字–模拟变换后的射频收发功能，BBU则集中了所有的数字基带处理功能，并形成了虚拟基带池。值得注意的是，RRU不属于任何一个固定的BBU，每个RRU上收发信号的处理都可以在BBU基带池中的虚拟基带处理单元内完成，而这个虚拟基带的处理能力是利用实时虚拟技术对基带池中的处理资源进行分配构成的。实时云计算的引入使物理资源得到了全局最优利用，从而可以有效地解决“潮汐效应”带来的资源浪费问题。同时，C-RAN架构适于引进各种协同技术，以期达到减小干扰、降低功耗、提升频谱效率的目的。总体来看，C-RAN实现了接入网的云化，更容易实现资源的灵活按需调整，从而使网络具备更高的灵活性和可扩展性，这在很大程度正是边缘计算技术实现广泛部署所需要考虑的问题，因此C-RAN和边缘计算之间应谋求深层次的融合，以助力边缘计算技术的发展。值得一提的是，在此背景下，名为Fog-RAN的实现边缘计算和C-RAN融合的新技术成为学术界和产业界关注的焦点。

在移动网络领域C-RAN被广泛研究的同时，在互联网边缘部署云计算的理念也吸引了学术界和产业界的广泛关注。在此背景下，Satyanarayanan等在2009年发表的论文“The Case for VM-Based Cloudlets in Mobile Computing”中首次提出了微云的概念。微云是一种位于互联网边缘的用于移动性增强的小型云数据中心，微云的主要目的是通过为移动设备提供强大的计算资源，以更低的延迟支持资源密集型和交互式的移动应用。在微云方案的描述中，网络分为移动设备、微云和云端3层架构。其中，微云代表这个网络层次架构的中间层，微云可以视为一个小型的数据中心，因此它也被认为是对云计算基础设施的延伸，微云的提出使移动设备和云端的联系更加紧密。目前，微云的原型实现由美国卡内基梅隆大学开发。

随着物联网技术的发展，在用户终端附近部署的计算、存储和网络资源越来越多，由于物联网应用对网络的感知能力、处理能力和分析能力有较高要求，因此，充分利用这些资源提升边缘网络的服务质量和终端用户的体验质量具有重要意义，而且云计算向网络边缘拓展的趋势也越来越成为业界的共识。在此背景下，思科公司的研究人员在2011年首次提出了雾计算的概念，接着在2012年的移动云计算（Mobile Cloud Computing，MCC）会议上，思科公司的研究人员发表了论文“Fog Computing and Its Role in the Internet of Things”，正式提出雾计算。雾计算可以认为是云计算概念的延伸，有个有趣的说法：“雾是接近地面的云”。雾计算是使用用户终端设备或连接用户终端设备的边缘设备，以分布式协作架构进行数据存储，或进行分布式网络数据包传输通信，相关分布式控制或管理。通常雾计算并非由性能强大的服务器组成，而是由性能较弱、更为分散的一般通用计算设备组成。雾计算具有以下3个特点。（1）水平架构：支持多个垂直行业和应用领域，为用户和商业提供智能化服务。（2）云到终端的连续服务：可在云与终端设备之间的任何地方提供连续服务，使服务和应用程序更靠近终端用户。（3）系统级：在终端和云端之间增加网络边缘层，把一些并不需要放到“云”中的数据在这一层直接处理和存储，形成云、雾和终端的系统架构。

另外，随着移动通信技术的不断演进，第五代移动通信（5th-Generation，5G）对移动网络提出了超高带宽、超低时延和超大连接的要求，从网络架构的角度对移动网络进行深度变革成为一种迫切的需要。随着在移动网络边缘部署计算、存储等资源的思想成为业界普遍共识，MEC逐渐孕育和发展起来。2013年，IBM与Nokia Siemens网络共同推出一款计算平台，该计算平台能够直接部署在移动基站内，并且支持移动运营商创建并运行一些特定的高体验质量的应用，这一全新的计算平台正是MEC概念雏形的凸显，随后MEC吸引了越来越广泛的关注。2014年，欧洲电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute， ETSI）首次提出了“MEC”的概念，并将其定义为“在移动网络边缘提供IT服务环境和云计算能力”，此外，ETSI还成立了移动边缘计算规范工作组（Mobile Edge Computing Industry Specification Group，MEC ISG），旨在推动制定MEC多租户环境下运行第三方应用的统一规范。在ETSI的努力下，MEC的发展又向实现规范化迈出了非常重要的一步。MEC在向应用程序开发人员和内容服务提供商开放网络边缘IT服务环境和云计算能力的同时，还具有超低延迟、高带宽以及无线网络信息感知等特点，从而创造了一种新的生态系统和价值链，即运营商可以将其边缘无线接入网络开放授权给第三方，允许他们灵活和快速地部署创新应用和服务。2016 年，ETSI将MEC中“M”的定义做了进一步扩展，将边缘计算能力从电信蜂窝网络进一步延伸至Wi-Fi、固网接入等多种接入网络，移动边缘计算的概念也由此扩展为多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）。此外，包括第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）及中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）在内的其他标准组织也启动了相关工作。MEC系统允许设备将计算任务卸载到如基站、无线接入点等网络边缘节点，既满足了终端设备计算能力的扩展需求，同时也解决了接入远端云数据中心时延较长的问题。目前，MEC已经被广泛视为5G 的一项关键技术，将在助力5G实现业务超低时延、超高能效、超高可靠性等关键技术指标方面大放异彩。

边缘计算自提出就受到了产业界、学术界以及标准组织的高度关注。

在产业界，2016年9月，华为在德国慕尼黑举行的MEC Congress大会上发布了业界首个面向未来网络架构的MEC@Cloud Edge解决方案；中兴与国内运营商积极开展MEC试点，2017年4月成功验证基于MEC的室内高精度定位方案；Nokia在企业业务、车联网方面，也积极开展MEC的研究和实践。2018年2月， AT&T宣布开源其基金会项目Akraino，这个项目被定义为Open Source Edge Stack，即开源边缘计算栈，该项目是为在虚拟机和容器中运行电信运营商级边缘计算应用而设计，以支持商用级边缘计算应用的可靠性和性能要求。随后，2018年3月，在美国洛杉矶举行的ONS（Open Networking Summit）大会上，英特尔、中国移动、中国联通、中国电信、华为、腾讯、九州云等公司也相继宣布加入Akraino项目中。与此同时，业内也成立了一些产业联盟，以推动边缘计算的发展。2015年11月，ARM、思科、戴尔、英特尔、微软和普林斯顿等公司与大学针对物联网（Internet of Things，Io T）成立了开放雾联盟（Open Fog Consortium）。开放雾联盟旨在基于开放标准技术创建一个框架，将有效的、可靠的网络和智能终端，与云、终端和服务之间可识别的、安全的信息流结合在一起，通过奠定开放式架构和分享核心技术等多项举措，加速雾计算的推广和商用进程，进而解决与物联网、人工智能、机器人、触觉互联网以及数字化世界中其他先进概念相关的带宽、延迟和通信等挑战。为了全面促进产业深度协同，加速边缘计算在各行业的数字化创新和行业应用落地，华为、中科院沈阳自动化研究所、中国信息通信研究院、英特尔、ARM和软通动力信息技术（集团）有限公司作为创始成员，于2016年11月在北京宣布成立了边缘计算产业联盟（Edge Computing Consortium，ECC），致力于推动“政产学研用”各方产业资源合作，引领边缘计算产业的健康可持续发展。

在学术界，网络领域顶级会议ACM Sigcomm于2017 年举办了Workshop on Mobile Edge Communications (MECOMM’2017)；网络领域的另一顶级会议IEEE Infocom在2017年举办了 Workshop on Integrating Edge Computing, Caching, and Offloading in Next Generation Networks (IECCO’2017)；通信网络领域的旗舰会议IEEE ICC在2018年举办了Workshop on Information-Centric Edge Computing and Caching for Future Networks专题会议。国际期刊 IEEE Access于2017年策划了专刊Recent Advances in Computational Intelligence paradigms for Security and Privacy for Fog and Mobile Edge Computing (2017)。此外，从2016年起，IEEE计算机学会基本上每年都举办 IEEE International Conference on Fog and Mobile Edge Computing（FMEC）学术会议。可以看出，边缘计算正在得到学术界越来越广泛的关注。

同时，标准化组织也在快速推进MEC标准化进程。2014年12月，ETSI成立了MEC ISG工业标准组；2016年4月，MEC ISG发布了MEC术语、技术要求、服务场景、参考架构等标准；2017年7月，MEC ISG陆续发布了MEC API、解决移动边缘服务API的一般原则、应用程序生命周期管理、移动边缘平台应用程序启用、无线网络信息API和位置API等标准。IEEE也在推动边缘计算的标准化工作上做出了非常重要的努力，2017年3月，IEEE推动边缘计算成为提案P2413（Standard for an Architectural Framework for the Internet of Things）的重要内容之一。此外，下一代移动网络联盟（Next Generation Mobile Network，NGMN）和3GPP等研究机构和标准化组织在研究下一代移动通信网标准时也都考虑了MEC，NGMN将相关概念命名为“智能边缘节点”，3GPP在RAN3和SA2子组中也都有MEC相关立项。国内标准化组织CCSA也有“面向服务的无线接入网（So RAN）”“5G边缘计算核心网关键技术研究”“5G边缘计算平台能力开放技术研究”等课题立项研究。

尽管边缘计算还处于发展的初级阶段，但随着AR/VR、4K/8K、工业互联网、车联网、物联网等各种应用场景对边缘计算提出的迫切需求，以及网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）、软件定义网络（Software Defined Networking，SDN）、人工智能、云计算、大数据等各种支撑技术的快速发展，边缘计算技术快速走向商业化应用指日可待。

为了推动边缘计算的研究和相关解决方案的发展，大量的学术研究和工程技术人员都希望能够快速地学习和了解边缘计算的相关知识。然而当前市面上并没有一本全面系统讲解边缘计算技术与应用的图书，为了让读者对边缘计算的基本思想、关键技术和应用场景有进一步的理解和认识，我们把对边缘计算的一些理解和总结分享出来，希望一起推动边缘计算的发展。需要注明的是，虽然边缘计算目前包含了MEC、微云、雾计算等架构方案，但MEC是目前最受业界关注的一种，因此，本书重点围绕MEC展开讲述。