【正文】 皮書(shū)，介紹了邊緣計(jì)算對(duì)于制造業(yè)等垂直行業(yè)的重要價(jià)值。l 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟2016年11月華為技術(shù)有限公司、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)信息通信研究院、英特爾公司、ARM和軟通動(dòng)力信息技術(shù)（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合倡議發(fā)起邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(Edge Computing Consortium，縮寫(xiě)為ECC)。二、邊緣計(jì)算（一）邊緣計(jì)算概念邊緣計(jì)算是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的分布式開(kāi)放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿(mǎn)足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。（二）基本特點(diǎn)和屬性l 聯(lián)接性聯(lián)接性是邊緣計(jì)算的基礎(chǔ)。聯(lián)接性需要充分借鑒吸收網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域先進(jìn)研究成果，如TSN、SDN、NFV、Network as a Service、WLAN、NBIoT、5G等，同時(shí)還要考慮與現(xiàn)有各種工業(yè)總線的互聯(lián)互通。l 約束性邊緣計(jì)算產(chǎn)品需適配工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)惡劣的工作條件與運(yùn)行環(huán)境，如防電磁、防塵、防爆、抗振動(dòng)、抗電流/電壓波動(dòng)等。邊緣計(jì)算產(chǎn)品需要考慮通過(guò)軟硬件集成與優(yōu)化，以適配各種條件約束，支撐行業(yè)數(shù)字化多樣性場(chǎng)景。這要求邊緣計(jì)算支持分布式計(jì)算與存儲(chǔ)、實(shí)現(xiàn)分布式資源的動(dòng)態(tài)調(diào)度與統(tǒng)一管理、支撐分布式智能、具備分布式安全等能力。邊緣計(jì)算作為“OICT”融合與協(xié)同的關(guān)鍵承載，需要支持在聯(lián)接、數(shù)據(jù)、管理、控制、應(yīng)用、安全等方面的協(xié)同。伴隨聯(lián)接設(shè)備數(shù)量的劇增，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理、靈活擴(kuò)展和可靠性保障面臨巨大挑戰(zhàn)。l 業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性（Realtime）工業(yè)系統(tǒng)檢測(cè)、控制、執(zhí)行的實(shí)時(shí)性高，部分場(chǎng)景實(shí)時(shí)性要求在10ms以?xún)?nèi)。l 數(shù)據(jù)的優(yōu)化（Optimization）當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的多樣化異構(gòu)數(shù)據(jù)，需要通過(guò)數(shù)據(jù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聚合、數(shù)據(jù)的統(tǒng)一呈現(xiàn)與開(kāi)放，以靈活高效地服務(wù)于邊緣應(yīng)用的智能。以預(yù)測(cè)性維護(hù)為代表的智能化應(yīng)用場(chǎng)景正推動(dòng)行業(yè)向新的服務(wù)模式與商業(yè)模式轉(zhuǎn)型。網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)由于更貼近萬(wàn)物互聯(lián)的設(shè)備，訪問(wèn)控制與威脅防護(hù)的廣度和難度因此大幅提升。此外，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整性、保密性，大量生產(chǎn)或人身隱私數(shù)據(jù)的保護(hù)也是安全領(lǐng)域需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。邊緣計(jì)算與云計(jì)算是行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的兩大重要支撐，兩者在網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)、應(yīng)用、智能等方面的協(xié)同將有助于支撐行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型更廣泛的場(chǎng)景與更大的價(jià)值創(chuàng)造。基于模型可以將物理和數(shù)字世界的知識(shí)模型化，從而實(shí)現(xiàn)：l 物理世界和數(shù)字世界的協(xié)作對(duì)物理世界建立實(shí)時(shí)、系統(tǒng)的認(rèn)知模型。能夠?qū)⑽锢硎澜绲娜芷跀?shù)據(jù)與商業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)建立協(xié)同，實(shí)現(xiàn)商業(yè)過(guò)程和生產(chǎn)過(guò)程的協(xié)作。ICT行業(yè)通過(guò)水平化的邊緣計(jì)算領(lǐng)域模型和參考架構(gòu)屏蔽ICT技術(shù)復(fù)雜性，各垂直行業(yè)將行業(yè)KnowHow進(jìn)行模型化封裝，實(shí)現(xiàn)ICT行業(yè)與垂直行業(yè)的有效協(xié)作。基于模型，可以實(shí)現(xiàn)軟件接口與開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、平臺(tái)、工具、協(xié)議等解耦，從而簡(jiǎn)化跨平臺(tái)的移植。ICT行業(yè)在網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)等領(lǐng)域面臨著架構(gòu)極簡(jiǎn)、業(yè)務(wù)智能、降低CapEx和OpEx等挑戰(zhàn)，正在通過(guò)虛擬化、SDN、模型驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)編排、微服務(wù)等技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。同時(shí)，邊緣計(jì)算與云計(jì)算存在協(xié)同與差異，面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)，需要獨(dú)特的創(chuàng)新技術(shù)。（二）多視圖呈現(xiàn)以 ISO/IEC/IEEE 42010:2011 架構(gòu)定義國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，將產(chǎn)業(yè)對(duì)邊緣計(jì)算的關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析，并提出了解決措施和框架，通過(guò)如下三類(lèi)視圖來(lái)展示邊緣計(jì)算參考架構(gòu)：l 概念視圖闡述邊緣計(jì)算的領(lǐng)域模型和關(guān)鍵概念。l 部署視圖闡述系統(tǒng)的部署過(guò)程和典型的部署場(chǎng)景。為此，在功能視圖、部署視圖給出了相關(guān)技術(shù)方案推薦。根據(jù)ECN節(jié)點(diǎn)的典型應(yīng)用場(chǎng)景，系統(tǒng)定義了四類(lèi)ECN開(kāi)發(fā)框架?；谒念?lèi)ECN開(kāi)發(fā)框架，結(jié)合ECN節(jié)點(diǎn)所需要的特定硬件平臺(tái)，可以構(gòu)建六類(lèi)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。ECN節(jié)點(diǎn)典型功能包括：l 總線協(xié)議適配l 實(shí)時(shí)聯(lián)接l 實(shí)時(shí)流式數(shù)據(jù)分析l 時(shí)序數(shù)據(jù)存取l 策略執(zhí)行l(wèi) 設(shè)備即插即用l 資源管理ECN四類(lèi)開(kāi)發(fā)框架包括：l 實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)框架面向數(shù)字化的物理資產(chǎn)，滿(mǎn)足應(yīng)用實(shí)時(shí)性等需求；l 輕量計(jì)算系統(tǒng)框架面向資源受限的感知終端，滿(mǎn)足低功耗等需求；l 智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)框架支持多種網(wǎng)絡(luò)接口、總線協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)邊緣本地系統(tǒng)互聯(lián)并提供本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力，能夠和云端系統(tǒng)協(xié)同；l 智能分布式系統(tǒng)框架基于分布式架構(gòu)，能夠在邊緣側(cè)彈性擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲(chǔ)等能力，支持資源面向業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)管理和調(diào)度，能夠和云端系統(tǒng)協(xié)同。l 部署階段模型主要包括業(yè)務(wù)策略、物理拓?fù)涞饶Ｐ?。業(yè)務(wù)策略模型可描述，可靈活復(fù)用和變更，使能業(yè)務(wù)敏捷?；谶@些模型可以監(jiān)視和優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載在邊緣分布式架構(gòu)上的部署優(yōu)化等。（四）功能設(shè)計(jì)視圖 ECN1）基礎(chǔ)資源層包括網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算和存儲(chǔ)三個(gè)基礎(chǔ)模塊。將SDN應(yīng)用于邊緣計(jì)算，可支持百萬(wàn)級(jí)海量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接入與靈活擴(kuò)展，提供高效低成本的自動(dòng)化運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與安全的策略協(xié)同與融合。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織IEEE制訂了TSN（TimeSensitiveNetworking）系列標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)實(shí)時(shí)優(yōu)先級(jí)、時(shí)鐘等關(guān)鍵服務(wù)定義了統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是工業(yè)以太聯(lián)接未來(lái)的發(fā)展方向。近年來(lái)，雖然摩爾定律仍然推動(dòng)芯片技術(shù)不斷取得突破，但物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的普及帶來(lái)了信息量爆炸式增長(zhǎng)，而AI技術(shù)應(yīng)用增加了計(jì)算的復(fù)雜度，這些對(duì)計(jì)算能力都提出了更高的要求。同時(shí)，隨著ECN節(jié)點(diǎn)包含了更多種類(lèi)和數(shù)量的計(jì)算單元，成本成為了關(guān)注點(diǎn)。同時(shí)，以深度學(xué)習(xí)為代表的新一代AI在邊緣側(cè)應(yīng)用還需要新的技術(shù)優(yōu)化。業(yè)界正在進(jìn)行的優(yōu)化方向包括自頂向下的優(yōu)化，即把訓(xùn)練完的深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行壓縮來(lái)降低推理階段的計(jì)算負(fù)載；同時(shí)，也在嘗試自底向上的優(yōu)化，即重新定義一套面向邊緣側(cè)嵌入系統(tǒng)環(huán)境的算法架構(gòu)。新一代時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)TSDB（Time Series Database）是存放時(shí)序數(shù)據(jù)（包含數(shù)據(jù)的時(shí)間戳等信息）的數(shù)據(jù)庫(kù)，并且需要支持時(shí)序數(shù)據(jù)的快速寫(xiě)入、持久化、多緯度的聚合查詢(xún)等基本功能。面臨了如下的典型挑戰(zhàn)：? 時(shí)序數(shù)據(jù)寫(xiě)入：支持每秒鐘上千萬(wàn)上億數(shù)據(jù)點(diǎn)的寫(xiě)入。? 成本敏感：由海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)帶來(lái)的是成本問(wèn)題。2）虛擬化層虛擬化技術(shù)降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和部署成本，已經(jīng)開(kāi)始從服務(wù)器應(yīng)用場(chǎng)景向嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景滲透。后者是虛擬化層功能運(yùn)行在主機(jī)操作系統(tǒng)上。3）EVF（Edge Virtualization Function）層EVF是將功能軟件化和服務(wù)化，并且與專(zhuān)有的硬件平臺(tái)解耦。ECN的業(yè)務(wù)可擴(kuò)展性能夠降低CapEx并延長(zhǎng)系統(tǒng)的生命周期。EVF層提供如下可裁剪的多個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)：l 分布式的聯(lián)接計(jì)算Fabric服務(wù)；l OPC UA服務(wù)；l 實(shí)時(shí)流式數(shù)據(jù)分析服務(wù)；l 時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)；l 策略執(zhí)行服務(wù)；l 安全服務(wù)。SDN不僅是新技術(shù)，而且變革了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的方式：從應(yīng)用的角度構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，用IT的手段運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)。其中最重要的是SDN控制器，它實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施層的轉(zhuǎn)發(fā)策略的配置和管理，支持基于多種流表的轉(zhuǎn)發(fā)控制。l 模型驅(qū)動(dòng)的策略自動(dòng)化提供靈活的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化與管理框架，能夠?qū)⒒A(chǔ)設(shè)施和業(yè)務(wù)發(fā)放功能服務(wù)化，實(shí)現(xiàn)智能資產(chǎn)、智能網(wǎng)關(guān)、智能系統(tǒng)的即插即用，大大降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理人員的技能要求。l 架構(gòu)開(kāi)放將集中的網(wǎng)絡(luò)控制以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息開(kāi)放給智能應(yīng)用，應(yīng)用可以靈活快速地驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度。2）低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)（TSN）標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用，具有傳輸速率高、拓?fù)潇`活、傳輸距離遠(yuǎn)、成本有效等優(yōu)點(diǎn)。業(yè)界對(duì)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并提出了多種工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)的商業(yè)實(shí)現(xiàn)，多種商業(yè)實(shí)現(xiàn)并存的格局給互聯(lián)互操作帶來(lái)了障礙和挑戰(zhàn)。TSN設(shè)計(jì)理念是在標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層之上，在MAC層提供統(tǒng)一的低時(shí)延隊(duì)列調(diào)度機(jī)制、資源預(yù)留機(jī)制、時(shí)鐘同步機(jī)制、路徑控制機(jī)制、配置管理模型等，能實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的互聯(lián)互通。3）異構(gòu)計(jì)算（HC）異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)旨在協(xié)同和發(fā)揮各種計(jì)算單元的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：CPU擅長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制、任務(wù)分解、調(diào)度；GPU具有強(qiáng)大的浮點(diǎn)和向量計(jì)算能力，擅長(zhǎng)矩陣和矢量運(yùn)算等并行計(jì)算；FPGA具有硬件可編程和低延時(shí)等優(yōu)勢(shì)；ASIC具有功耗低、性能高，成本有效等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)通過(guò)開(kāi)放統(tǒng)一的編程接口，實(shí)現(xiàn)軟件跨多種平臺(tái)。異構(gòu)計(jì)算讓多個(gè)計(jì)算單元實(shí)現(xiàn)內(nèi)存統(tǒng)一尋址，任何處理單元的數(shù)據(jù)可以輕易地被其它處理單元所訪問(wèn)，不必將數(shù)據(jù)復(fù)制一份到對(duì)方的內(nèi)存區(qū)域中，大大提高了系統(tǒng)性能。涉及了調(diào)度算法、指令集、編譯器等一系列的架構(gòu)優(yōu)化。面向AI應(yīng)用，開(kāi)放集成多種AI訓(xùn)練和推理平臺(tái)，兼容多廠商計(jì)算單元。在芯片方面，整合了CPU+GPU資源，能夠?qū)崿F(xiàn)視頻編解碼加速。4）時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù) （TSDB）海量數(shù)據(jù)的高效寫(xiě)入、查詢(xún)及分布式存儲(chǔ)是時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。分片可以基于時(shí)間戳+Tag+分級(jí)。存儲(chǔ)前可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，既提高數(shù)據(jù)寫(xiě)入效率，又節(jié)省存儲(chǔ)空間。同時(shí)，分級(jí)往往結(jié)合存儲(chǔ)成本等因素，將每個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同成本的存儲(chǔ)介質(zhì)(內(nèi)存，HDD，SSD)上。除了商業(yè)版本外，業(yè)界已經(jīng)有大量的開(kāi)源時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，如：opentsdb，kairosDB，influxdb等。 業(yè)務(wù)Fabric業(yè)務(wù)Fabric是模型化的工作流，由多種類(lèi)型的功能服務(wù)按照一定邏輯關(guān)系組成和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)特定的業(yè)務(wù)需求，是對(duì)業(yè)務(wù)需求的數(shù)字化表示。服務(wù)的類(lèi)型不僅包括邊緣計(jì)算提供的通用服務(wù)，還包括垂直行業(yè)所定義的特定行業(yè)服務(wù)。業(yè)務(wù)Fabric功能包括：l 定義工作流和工作負(fù)載；l 可視化呈現(xiàn)；l 語(yǔ)義檢查和策略沖突檢查；l 業(yè)務(wù)Fabric、服務(wù)等模型的版本管理。聯(lián)接計(jì)算Fabric的主要功能包括：l 可