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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)絡邊緣 但并非中心云的小型化，MEC與中心云因不同的應用 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)的應用和服務場景，可 能運行在不同的硬件和虛擬化技術、不同的API和協(xié)議 中，增加了設備和應用的管理難度。

 其次，邊緣計算的服務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 時收集相關的數(shù)據(jù)上傳?，F(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)務的緩存與加速。通過縮短用戶訪 問業(yè)務和內(nèi)容資源的路徑，提升用戶業(yè)務體驗，并且還 可以優(yōu)化網(wǎng)絡流量，減少鏈路擁塞。

 第三是支持物聯(lián)網(wǎng)應用。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)絡邊緣，同時提供輔助計算和邊緣智能服務，從而降 低物聯(lián)網(wǎng)終端的成本和能耗。 

第四是適應工業(yè)應用的異構(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)絡能力的開放。在網(wǎng)絡邊緣實時感知無線 網(wǎng)絡的上下文信息，經(jīng)智能分析處理以后，通過API接 口向第三方應用開放網(wǎng)絡能力。

 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 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、邊緣控制器、邊 緣服務器以及邊緣傳感器，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以及管理服 務、數(shù)據(jù)全生命周期的服務和安全服務。

 4　MEC的虛擬化技術 

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、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 

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 云服務映射到一個專用的物理服務器上面。這是介于物 理服務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。在幾種虛擬化技術之中，邊緣計算比較適合采用 容器技術，因為邊緣計算是資源受限的異構(gòu)設備，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，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的復雜算法模型，通過在線下發(fā)及離線導入的方 式部署，在邊緣側(cè)實現(xiàn)實時的推理和數(shù)據(jù)分析。 

（5）應用協(xié)同 

在企業(yè)云上通過高代碼的方式開發(fā)邊緣應用，通過 在線下發(fā)及離線導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 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)控制面功能的關系 

 圖5 MEC與5G核心網(wǎng)控制面功能的關系 

邊緣計算跟5G核心網(wǎng)之間控制面的功能有什么關 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)絡的這些核心功能，包括網(wǎng)絡策略控制和內(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應用功能，也可以通過NEF網(wǎng)絡開放 功能來調(diào)用5G標準的API接口，實現(xiàn)對上面網(wǎng)絡信息的 計費以及材料控制服務。 

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 ?絡轉(zhuǎn)發(fā)處理需求，還需?持IT類業(yè)務應?的容器化部 署與編排管理、邊緣AI類以及視頻類業(yè)務應?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?絡流量業(yè)務鏈處理 類服務，因不能與UPF共享?絡處理會有重復投資，而 且同時在邊緣點建設電信云與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，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)務的統(tǒng)?管理復雜度，而 且MEC系統(tǒng)中部分融合業(yè)務也很難簡單分為IT類還是 CT類業(yè)務。如自動駕駛，兩種業(yè)務都包含，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等全流程服務和應用。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》