邊緣計算網關平臺發展現狀綜述

一、邊緣計算簡介

隨著邊緣端側設備的計算與存儲能力的逐漸提升以及端側設備通信與交互能力的進一步開放，邊緣計算正在逐步興起，各個廠家正在逐漸推出自家的邊緣計算相關軟硬件產品。因此，本文就邊緣計算下端側平臺的一個發展狀況做出進一步的歸納與總結。

1.邊緣計算定義與概念

邊緣計算，官方定義為指在靠近物或數據源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端服務。其應用程序在邊緣側發起，產生更快的網絡服務響應，滿足行業在實時業務、應用智能、安全與隱私保護等方面的基本需求。

事實上，這里的邊緣應當與傳統的數據中心相對應，同時與其地理和邏輯位置相綁定。而作為一種新興的計算模式，邊緣計算旨在于將一些與邊緣硬件設備能力相匹配的計算任務部署于接近數據產生源的電信網絡邊緣，利用電信網絡設備本身的計算能力為用戶提供大量服務或功能接口，大大減少上傳至云數據中心的數據量，緩解電信網絡帶寬壓力，同時可以更好地解決數據安全和隱私問題。                                            

2.邊緣計算與傳統云計算的區隔

由于更多的基于x86架構的設備應用于邊緣計算領域，因此，邊緣計算與云計算在底層軟件上逐漸趨同化，但考慮到邊緣設備的計算能力，邊緣計算領域中所使用的軟件仍要根據其計算能力進行定制化的開發。

同時，相比于云計算的強大計算能力與高功耗，邊緣計算有著較低的功耗和一定范圍內的智能化能力；此外，由于其物理和邏輯位置，決定了邊緣計算有著低時延快反饋的特點，而這些正式云計算所無法比擬的。

但隨著兩者的進一步發展，邊緣計算與云計算正逐步協同化，雙方逐漸靠攏成為一個整體，結合自身優勢，為用戶提供良好的端到端體驗。

二、邊緣計算網關平臺簡介

相比于傳統的云計算，由于邊緣設備所處的位置距離數據源較近，且面對的網絡環境和終端設備復雜。因此，邊緣計算中面對的數據存在著較多的異構特點且數據較大；同時由于所處的環境眾多，支持的應用和涉及到的協議具有多樣化的特點；此外，由于邊緣設備所處的相對位置，其發揮的邊緣作用也不盡相同，這就使得邊緣計算需要一套平臺來規范化相應的架構和流程。

1.邊緣計算網關平臺相關定義與定位

邊緣計算網關平臺主要是指在邊緣計算平臺體系中，終端設備上部署的軟件平臺。該軟件平臺主要負責終端設備以及終端下掛設備的管理、與云平臺的協同交互和策略執行、終端涉及到的軟件與智能應用的管理、不同下掛設備涉及到的協議處理與轉換、終端數據的全生命周期服務管理以及設備的安全管理的一系列服務。

其中，終端設備特別指明為物理實體網關（CPE），該設備在物理位置上，靠近用戶或底層設備，具有大量異構的上行數據，用戶或設備可通過該設備接入互聯網；在網絡上，該設備為電信運營商的在用戶側的基礎網絡設施，運營商可通過對網關的管控實現對用戶入網的控制和管理。

2.業界發展現狀以及應用場景

   2.1邊緣計算行業發展現狀

由于邊緣的位置具有相對性，所以在業內不同位置的邊緣計算產品發展不盡相同。

（非端平臺）以運電信營商為主導的邊緣計算產品，更多強調的是運營商傳輸網絡邊緣，如蜂窩網絡基站、中央端局和在網絡邊緣的小型數據中心等這些與核心機房相對的邊緣節點，以CORD、StarlingX、Akraino EdgeStack這些產品為代表。而這些邊緣設備往往具有良好的性能，甚至可以和云數據中心的計算能力相匹配，但規模上可能不如云數據中心。

同時，以大中型互聯網企業以及通信公司為主導的邊緣計算產品則更多強調的是位于用戶側的邊緣設備，包含智能網關、智能終端、智能汽車等一系列終端側設備。這些設備所具有的算力和資源較為有限，且功耗較為有限；但這些設備具有較好的靈活性和自主操控性。因此，邊緣計算網關平臺正是在這樣的一個背景下，依托于用戶側的網關設備，賦予其邊緣計算能力，通過與云平臺的相互協同來實現邊緣計算。而正是由于邊緣網關具有較大的靈活性與自主操控性，就需要一個平臺來實現邊緣網關的標準化、規范化以及協同化。

目前，業內領先的企業為了配合自家的云計算平臺以及相關生態鏈，往往將邊緣計算平臺打包在邊緣計算平臺內。該平臺包含了云平臺和端平臺兩個部分，其中的端平臺也就是邊緣計算網關平臺。而經過打包后的邊緣計算網關平臺，與北向的云平臺具有優良的協同處理接口和能力；同時與南向的物聯網或工控設備具有完備的協議轉換處理功能。但由于工控設備以及云平臺相對于企業或者工廠來講具有一定的私有性，在開源上，這些功能并未做到良好的開源和復用，往往需要開發者根據自身的需求自行定制。

  2.2 應用場景

目前，在業內主要有如下應用場景：

1）工業應用數據的視化場景：在數據可視化時，在沒有邊緣網關平臺的時候，云平臺只能采集原始數據，數據分析人員將需要優化業務流程從而進一步處理數據庫中的原始數據；而通過邊緣流式計算可以很好的解決上述問題，邊緣網關在邊緣側通過流式計算得到一些處理過的數據，然后上報至云平臺，從而可以大大降低數據分析的工作量，提高數據的可視化能力。

2）面向機器的自我診斷能力提升：工控設備測量數據常常由于各種因素（網絡因素、設備自身精度因素）經常會出現抖動情況，如果對設備的實時采集值配置閾值告警，經常會出現誤告警，導致用戶需要處理大量無用告警，逐漸用戶對告警的準確性失去信心，閾值告警形同虛設。而通過使用邊緣網關內的邊緣計算網關平臺，在邊緣側進行自診斷以及自維護，并將診斷后的結果再上報云端，可以大大提升機器的故障診斷與維護能力。

3）工業設備的預測性維護：在工控設備維護場景中，設備的不及時維護以及設備問題的定位往往會給生產帶來極大的不方便以及難以估量的損失。因此，將邊緣計算應用于工業設備的預測維護場景中，邊緣計算不僅可以在短時間預知工業設備的損壞情況，迅速處理出現的情況，及時維護設備；另一方面，方便維修人員定位設備問題并檢修。這樣可以節省設備損耗，提高工業競爭力。

3）安平監控場景：通過在邊緣的視頻預分析，實現園區、住宅、商超等視頻監控場景實時感知異常事件，實現事前布防、預判，事中現場可視、集中指揮調度，事后可回溯、取證等業務優勢。

4）工業視覺場景：傳統的工業制造主要采用人工肉眼檢測產品的缺陷，不僅使得檢測產品速度慢、效率低下，而且在檢測過程中容易出錯，導致誤檢、漏檢等問題，基于機器視覺的質檢方案，通過云端建模分析與邊緣實時決策的結合，實現自動視覺檢測，提升產品質量。

5）文字識別場景：在邊緣完成數據脫敏，對完整圖片進行切片，實現本地化處理和存儲關鍵數據和隱私數據，云端進行文字識別，提供靈活、可擴展、高可用的端到端解決方案。

3.邊緣計算網關平臺特點以及功能性指標

通過對于業內應用場景的了解，不難發現，將終端設備賦予邊緣計算能力后，其業務和計算流程逐漸趨于復雜化，通信與協同過程逐漸繁瑣。所以，需要可靠的邊緣計算網關平臺對自身以及下掛的終端設備進行進一步業務上的統籌和管理以及自身的計算和存儲能力的進一步管理和控制。

因此，邊緣計算網關平臺具有如下的特點。

1、核心服務持久化

邊緣計算網關平臺的核心服務應當持久化在存儲空間上，隨著網關上電后而自動啟動。考慮到網關仍然是運營商的末端設備，所以其必要的網絡服務、隧道服務、語音服務、無線服務等服務都應當收到運營商管控，而這些服務應當不隨著用戶的應用變化而變化。

2、平臺架構微服務化

邊緣計算網關平臺的各子系統、插件、應用等以服務粒度進行劃分，劃分形成的微服務之間嚴格服務化解耦，各服務之間，以及與第三方云應用之間，僅允許通過開放的API進行交互，不允許直接共享數據，或者通過私有API交互；且各個服務間均可支可獨立發展、獨立發布、獨立升級；服務可視、可管、可控、可測、可維、故障自愈。

3、 通用應用容器化

邊緣計算網關內所涉及到應用眾多，不同的應用所需要的資源與環境往往大不相同。而隨著云原生的火熱，統一的調度、編排與管理逐漸成為必選項。良好的容器編排與管理能力往往直接決定了邊緣網關平臺具備的軟實力。但需要說明的是，核心服務不應當進行容器化。

4、通信服務輕量化

邊緣計算網關平臺由于在端側，需要不斷的與云端通信，繁重的通信服務往往加重端側設備的計算負擔，同時會占用更多的資源。因此，具備輕量級的通信協議不僅使得邊緣計算網關平臺可以快速與云平臺進行通信進行可靠的云端協同，同時可以靈活處理與云平臺的通信數據。

5、個性應用智能化

邊緣計算網關平臺上所運行的應用應當盡可能的智能化。一方面進一步利用邊緣網關的邊緣算力，可以避免不必要的計算資源浪費；同時，為網關下面的終端或終端用戶提供智能化的應用，可以極大地方便用戶的操作，為用戶或設備帶來良好的體驗。

6、斷網數據時序化

當邊緣計算網關處于斷網或者弱網的狀態時，為了盡可能的保證用戶的數據不丟失或者盡可能的保證業務可用，應當將此時的數據進行時序化。當網關恢復網絡連接后，數據根據時序進行進一步的交互，從而能有效的避免數據的丟失重傳和保證業務的可用。

7、資源調用靈活化

由于邊緣計算網關上的計算和存儲資源相對于服務器仍然受限，因此其計算或者存儲資源應當具備彈性伸縮，靈活使用的特點。從而使得對于網關設備上的資源利用達到最大化。

而正是上述特點，使得邊緣計算網關平臺在實際應用中，應當進一步具備如下功能：

邊緣網關平臺基礎功能：即網關平臺具備傳統的網關所具備的基本功能：包含網絡協議及數據轉發、DHCP、DNS、NTP、NAT、VLAN、VxLAN、IPSec、QoS、IPv6、VPN、DPI、語音等功能。

邊緣網關平臺中間件功能：即邊緣計算網關平臺為管理應用所具備的基礎功能：邊緣應用管理、設備管理、下掛設備管理、云端協同管理、消息路由管理、開放API管理、邊緣網關資源監控與管理、日志管理、固件版本管理、設備告警管理、業務編排管理等功能。

邊緣網關平臺應用功能：即邊緣計算網關平臺所提供的邊緣計算能力所需要的功能，具體包含：函數計算、感知計算、（實時）流數據分析、規則引擎、協議轉換、人工智能算法、斷網續傳、協議轉換、工控設備管理、設備鏡像、智能組網等功能。

邊緣網關平臺安全功能：邊緣計算網關平臺應當對網關即下掛設備之間的安全進行保證，具體包含：設備鑒權認證、通信協議加密、網關安全管理、工控設備安全管理、設備互信管理等功能。

4.邊緣計算網關平臺的未來發展趨勢

隨著5G與WIFI6技術的逐漸興起，越來越多的網關設備加入了5G與WIFI6。5G可以保證邊緣網關具有高帶寬與低時延，而隨著5G標準的不斷完善，配合5G切片的邊緣網關將在邊緣計算領域大有作為；而WIFI6提供了良好的用戶側無線環境，使得高清視屏、游戲加速、AR/VR逐漸在用戶側興起，越來越多的用戶會擁人這些應用的懷抱，而邊緣計算網關平臺結合自身硬件的算力，將為用戶在提供豐富的應用同時提供良好的用戶體驗；此外，由于網關本身具備了PON上行的特殊屬性，這就使得邊緣計算網關平臺在SD-WAN領域添磚加瓦。

與此同時，隨著工業互聯網的不斷發展，邊緣計算網關在工業互聯網領域也大顯身手。邊緣計算網關平臺為機器提供人工智能算法下多樣化的應用的同時，可以利用邊緣網關下掛的多個傳感器，結合硬件算力，為用戶提供物理距離與空間位置的感知，使得邊緣計算網關在工業互聯網領域綻放光彩。

而SDN領域中，隨著軟件定義的進一步發展，切片在網絡發展的作用逐漸體現出來。因此，隨著SDN的不斷發展與完善，邊緣計算網關平臺將結合SDN相關技術完成網關定制化切片的開發與應用，從而為用戶提供豐富的功能。

三、邊緣計算網關平臺有關產品

前文已經介紹了邊緣計算網關平臺的相關概念和特點，本章節就邊緣計算網關平臺的實際產品進行一個介紹，從而方便讀者對業內產品發展情況有一個整體的概覽。

1。百度邊緣端計算平臺（BIE）

百度公司在邊緣計算端平臺有著良好的開源社區與開源代碼，其基本方式是通過BIE智能邊緣本地運行包，即邊緣計算端平臺來完成對于邊緣應用的數據采集、同步處理、配置管理以及本地計算等功能。

該平臺底層采用Go語言進行開發，這使得對于Docker在具備良好的兼容性的同時具有可靠的管理能力；與此同時，端側平臺中，使用了MQTT協議作為端平臺的消息總線，這使得端側接入設備、云平臺或者端平臺內部的組件之間都可以用MQTT協議來進行消息的傳輸與處理，同時也極大的簡化了端側平臺與不同的云平臺進行協同的對接流程；此外，借助著百度的強有力的開源支撐，其應用較為豐富，對流式計算、人工智能算法等都有著不錯的支持。

圖1  百度邊緣計算網關平臺產品架構圖

2.華為邊緣計算平臺(IEF)

華為公司在邊緣計算端平臺同樣有著良好的開源社區與開源代碼，其端平臺主要是基于KubeEdge。它基于kubernetes構建，為網絡、應用程序提供基本的基礎架構支持。同樣的，華為的網關平臺支持安全管理、認證管理、設備影子、運維代理、容器管理、函數管理、流處理、視頻智能、機器推理、圖像檢測等功能。

同樣的，華為的端平臺由于基于KubeEdge框架，所以其開發語言仍為Go語言，對Docker和K8S云原生有著良好的支持。因此，IEF在容器的編排與管理上具有較好的優勢。同時，華為公司在端平臺的應用上具有較多的智能應用，對于工業互聯網的協議、人工智能的算法支持都非常豐富，但需要注意的是，華為在端平臺的應用方面并不開源。

圖2  華為端平臺產品架構圖

3.Linux Foundation項目中的產品

Linux基金會在邊緣計算網關平臺中包含多款產品，而百度的邊緣計算產品正式在Linux基金會下。而除此之外，Linux基金會還有如下產品，如圖四所示。

圖3  Linux基金會子產品圖

Linux基金會的子項目全部開源，但發展情況不盡相同。在眾多產品中，Akraino Edge Stack主要做有關邊緣計算產品相關的技術藍圖架構；HOME EDGE則是由三星公司提供代碼的開發與維護；Edge Virtualization Engine則是更偏向于在邊緣側的一款基于Xen的Type-1虛擬機管理程序，從而使其可以在任何受支持的硬件平臺上運行的產品；而EdgeXFoundry與FLEDGE則是以網關平臺為主，注重端側的發展，兩者均提出了微服務的架構，各個服務之間相互協同，完成對邊緣網關的管理。

圖4  EdgeX的微服務架構圖

4.Eclipse Foundation項目中的產品

Eclipse在邊緣計算領域也不松懈，在邊緣計算網關平臺中，Eclipse主要有Eclipse Kura和Eclipse ioFog。Kura主要使用JVM處理相關事務，因此，在Kura中圍繞JAVA做了一系列底層協議到的適配，例如通過javax.comm 2.0 API或OSGi I / O連接進行串行端口訪問；通過javax.usb，HID API，自定義擴展的USB訪問和事件；通過javax.bluetooth或OSGi I / O連接進行藍牙訪問。而在ioFog中，依然基于JAVA語言開發了一套邊緣計算端平臺，但該平臺遵循微服務的架構，由EdgeworkX進行維護。

四、結論

前幾節，我們就邊緣計算網關品臺的定義、概念以及一些特點和應用場景做了簡要的說明和介紹。本節在之前基礎上進行一定總結與歸納，并對未來的發展方向進行簡要探討。

1.邊緣計算網關平臺產品對比

隨著各個公司產品的不斷升級和完善，邊緣計算網關平臺已經初具原型。國內大廠對于應用的支持也逐漸完善。從百度、阿里、騰訊、華為的邊緣計算平臺產品上看，設備管理、消息路由、設備監控、固件升級、日志管理已經成為了網關平臺上的核心功能，是必須支持的基礎功能；而流數據分析、函數計算、容器化應用、規則引擎、人工智能算法，正逐漸成為邊緣計算網關平臺額度中堅力量，是支撐邊緣網關帶來用戶良好體驗的重要組成；同時，隨著邊緣網關與工業互聯網的不斷結合和發展，工控設備安全、工業互聯網協議轉換、斷網續傳等功能也將進入常態化趨勢。

圖5  國內邊緣計算平臺產品橫向對比

2.邊緣計算網關平臺架構總結

在平臺架構層面上，模塊化、微服務化已經成為各個廠商的主流方向，“大鍋飯”、“一鍋端”的局面在邊緣計算網關平臺上將會被模塊化、服務化的架構逐漸替代。而考慮到一些常態化的服務與多樣化的應用，“基礎服務持久化+計算服務容器化”是未來邊緣計算網關平臺的架構發展方向。

3.總結展望

隨著邊緣計算端平臺在進一步的發展，目前協議轉換、規則引擎、工業控制、預測性維護、函數計算、圖像推理等功能已經逐步成為在邊緣計算端側的主流功能，隨著5G的不斷深入與端側設備的算力不斷提升，邊緣計算端平臺應當增加如下功能：

相比于現有產品，提升運營商核心競爭力，使邊緣計算網關具有統一的SDN/NFV架構和接口，并通過軟件定義控制器的管理，完成邊緣計算網關的網絡、計算、存儲資源的智能按需配置與管理。

具備網絡數據高速轉發能力，配合5G的切片功能，在與云端協同的場景下，也能實現應用的低時延與高帶寬。

注智邊緣，在現有云端協同推理的基礎上，進一步擴大資源利用率，通過與邊緣云協同，實現邊緣節點的分布式訓練。

面向場景與業務能力，打破網關內邊緣應用之間的壁壘，提供完整的端側業務與應用編排能力，實現場景化的部署與管理，最大限度方便用戶使用與管理，減少用戶專業化的開發與配置。

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