1.3 邊緣計算的架構

隨著萬物互聯概念的興起與5G等通信技術的發展，邊緣計算被認為是繼物聯網與人工智能之后的下一代通信網絡關鍵技術之一。邊緣計算通常涉及傳統云計算中心節點、邊緣設備和終端設備等實體，即“云-邊-端”三類實體。邊緣計算架構關注如何有效組織云、邊、端三類實體的結構、運行與管理方式，從而實現高效的計算。本節將簡要介紹邊緣計算的一般結構、邊緣計算產業聯盟提出的邊緣計算參考架構以及目前使用較為廣泛的EdgeX Foundry邊緣計算框架。

1.3.1 邊緣計算的一般架構

邊緣計算的系統架構根據計算模式、邊緣服務器接入方式、通信方式等的不同，分為云-邊-端架構模式、邊-端架構模式、多接入模式等多種架構模式。目前，云-邊-端架構模式在一定程度上，被認為是對目前所廣泛使用的傳統云計算模式的改進，在目前的邊緣計算場景中應用最為廣泛。本節將從此模式入手，介紹邊緣計算的一般架構。

在云-邊-端架構中，從網絡中心到邊緣可劃分為云計算中心層、邊緣層、終端層，如圖1-2所示。

1.終端層

終端層由連接到邊緣網絡的各類設備組成，包括互聯網電視、個人計算機、智能手機、傳感器、智能汽車、攝像頭等移動設備與物聯網設備。在終端層，設備不僅是數據的消費者，也是提供者。部分終端擁有對數據的處理能力，但更多的情況下，為了減少終端服務延遲，終端層通常更多考慮數據的感知，即原始數據的獲取，而不過多考慮終端設備的計算能力。終端層上數量巨大的終端設備收集原始信息，并上傳原始數據或簡易處理過的數據至邊緣層，由邊緣層對數據進行處理，并確定運算策略。

2.邊緣層

邊緣層是三層體系結構的核心。邊緣層位于網絡的邊緣，由廣泛分布在終端設備與云計算中心之間的邊緣計算節點組成。邊緣層通常包含基站、接入點（Access Point, AP）、路由器、交換機、網關以及邊緣服務器等。邊緣層支持終端設備向下接入，對終端設備上傳的數據進行存儲與計算，并與云端相連，將需要云計算中心處理的數據以及自身性能無法處理的任務遞交給云計算中心，以滿足計算需求。由于邊緣層離用戶的距離近，因此邊緣計算具有較高的實時性，更適合進行實時數據分析與處理，比傳統云計算模式更高效、安全。

3.云計算中心層

在云-邊-端架構中，云計算中心層仍然是整個體系中計算能力最強的數據處理單元。云計算中心層由大量高性能服務器與存儲設備組成，具有強大的計算與存儲能力，在日常運營維護、業務決策支持、非實時模型訓練等需要大量數據、高計算量的場景中可以很好地發揮作用。云計算中心層可以存儲邊緣層上傳的數據，也可以完成邊緣層無法處理的分析任務、整合全局信息、高計算量與高數據量計算等處理任務。此外，云計算中心還可以使用控制策略動態調整邊緣計算層的部署策略與算法，以提高整個系統的運行效率、降低時延與運行成本。目前，邊緣計算的動態調整策略仍是學術界較為關注的研究方向。

1.3.2 邊緣計算參考架構3.0

由華為公司、中國科學院沈陽自動化研究所、中國信息通信研究院等知名企業與研究機構發起的邊緣計算產業聯盟于2018年12月提出了邊緣計算參考架構3.0（Edge Computing Reference Frame 3.0）。該參考架構采用了基于模型驅動的工程方法，提出對數字世界與物理世界模型化時需要完成以下四個目標：

?在物理世界與數字世界之間建立一個實時系統認知模型，以實現物理世界與數字世界的協作。

?基于建模方法建立各垂直行業間可重用的知識模型系統，以完成跨產業的生態合作。

?基于模型的接口實現系統對系統、服務到服務的交互，實現軟件接口與開發語言的解耦，降低系統異構性，簡化跨平臺移植。

?可以有效支持開發服務、部署操作、數據處理和安全等系統生命周期活動。

邊緣計算產業聯盟提出的邊緣計算參考架構3.0以多視圖的方式從不同角度呈現邊緣計算的參考架構，通過多層透視圖展示各層功能。整體架構圖如圖1-3所示。

邊緣計算參考架構3.0的底層為一個連接整個框架的服務層，包括管理服務、數據生命周期服務與安全服務。其中，管理服務提供一致的管理、操作整個框架的功能，并向管理平臺提供系統信息。數據生命周期服務提供數據的預處理、分析、分發、執行、可視化與存儲提供集成管理服務。安全服務可以通過業務編排定義數據全生命周期的業務邏輯、靈活部署與數據優化服務，滿足業務的實時性需求。安全服務覆蓋邊緣計算架構的各個層次，適應邊緣計算的特定架構，利用統一的安全管理與感知系統，保證架構的安全可靠運行。從垂直結構上看，模型驅動的統一服務框架位于框架的頂端，實現服務的開發與部署。

邊緣服務架構中的云數據中心層、邊緣層和終端層分別對應邊緣計算參考架構3.0中的云層、邊緣層和現場設備層，其中邊緣層包含邊緣管理器與邊緣節點。邊緣節點是承載邊緣計算業務的實體硬件，邊緣管理器使用軟件對邊緣節點進行統一管理。根據硬件特點與服務類型，邊緣計算節點可以分為用于處理與轉換網絡協議的邊緣網關、用于控制實時閉環服務的邊緣服務器、用來處理大批量數據的邊緣云、用來處理低成本信息的手機與邊緣傳感器等，將邊緣計算層的設備抽象為計算設備、網絡設備、存儲設備。框架使用計算、網絡、存儲API實現通用功能的調用，利用控制、分析與優化模塊實現上下兩層的信息傳輸和局部邊緣資源的規劃[3]。

邊緣計算參考架構3.0提供了從終端到云的四種業務開發框架，包括輕量級計算系統、實時計算系統、智能分布式系統與智能網關系統。

1.3.3 EdgeX Foundry

面向物聯網邊緣計算的通用開放框架EdgeX Foundry是一個由Linux基金托管的開源項目。該框架托管在一個完全獨立于硬件和操作系統的參考軟件平臺上，是一個支持即插即用的組件生態系統，以統一物聯網邊緣的計算開放平臺，并加快解決方案的部署。圖1-4展示了EdgeX Foundry的愿景：為工業互聯網邊緣計算提供一個可以支持任意異構組件、與硬件或環境解耦的、靈活統一的微服務架構，實現設備、傳感器等物聯網對象和其他物聯網對象的交互。

圖1-5展示EdgeX Foundry的架構。可以從圖中看出，“南向”包含了所有直接和邊緣網絡通信的邊緣網絡應用設備，“北向”包括云計算中心和云計算中心的通信網絡。“南向”是數據的來源，“北向”從“南向”收集數據，并對數據進行存儲、集成與分析。EdgeX Foundry位于“南向”與“北向”之間，由一組微服務組成，這些微服務分為四個服務層和兩個底層增強服務。

從垂直的角度看，軟件工具開發包（Software Development Kit, SDK）由設備服務層提供，用于與“南向”建立數據鏈路。設備服務層將轉化來自設備的數據，并將其發送至核心服務層。同時，設備服務層還可以從其他微服務接收命令并將其傳遞給設備。EdgeX Foundry支持多種訪問方法，包括消息隊遙感傳輸協議（MQTT）、虛擬（virtual）設備和低功耗藍牙（BLE）。

處于架構中心的核心服務層是實現邊緣計算的關鍵。核心服務層由四個微服務組件組成：核心數據、指令、元數據、注冊與配置。核心數據服務為設備數據提供存儲與管理服務。指令服務負責將設備文件中的操作命令定義為通用API、緩存與管理命令，并可將云計算中心的需求傳遞到設備端。元數據服務負責設備與服務系統的配對。注冊和配置服務為其他微服務提供配置信息。

支持服務層用于提供邊緣分析和智能服務，并為框架本身提供規則引擎、時序安排、提醒與消息和其他服務等。

應用服務層可以與云計算中心連接，向云計算中心傳輸數據，保證EdgeX Foundry的獨立運行。在應用服務層，客戶端注冊服務，記錄后端注冊系統的相關信息，分發服務將對應的數據導出至指定客戶端。

與邊緣計算參考架構3.0類似，EdgeX Foundry架構也有一個貫穿整個框架的基礎服務層：管理服務與安全服務。管理服務提供安裝、升級、停止、啟動和監視EdgeX Foundry操作等功能，并提供其他管理服務。安全服務中的組件用于保護數據不受設備和操作的傷害，包括密鑰保存、反向代理在內的安全服務。

總的來說，EdgeX Foundry架構可看作一個為了簡化以及標準化工業物聯網而開發的邊緣計算框架。它提供了一個可操作的開源平臺，所有的微服務都能以容器的形式運行在各種操作系統上，并支持動態增加或減少，具有很強的可擴展性。目前，EdgeX Foundry的應用領域已經涉及零售、制造業、能源、交通、城市建設等多個行業領域[5]。