年前施巍松教授和其團(tuán)隊(duì)(張星洲、王一帆、張慶陽)應(yīng)《計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展》編輯部之邀，慶刊60周年發(fā)表論文，邊緣計(jì)算社區(qū)經(jīng)過和施巍松教授溝通，將論文整理成幾篇，方便大家閱讀。字字珠璣，愿大家多多轉(zhuǎn)發(fā)分享。

本文為第一篇《邊緣計(jì)算的發(fā)展歷程》。

邊緣計(jì)算的發(fā)展歷程

本文在谷歌學(xué)術(shù)上以“edge computing”為關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索每年的文章數(shù)量，結(jié)果如圖1所示.可以看到，2015年以前，邊緣計(jì)算處于原始技術(shù)積累階段;2015—2017年，邊緣計(jì)算開始被業(yè)內(nèi)熟知，與之相關(guān)的論文增長了10余倍，得到了飛速發(fā)展;2018 年邊緣計(jì)算開始穩(wěn)健發(fā)展(其中2018年的論文數(shù)量根據(jù)2018年前9個(gè)月的數(shù)據(jù)推算而來，實(shí)際數(shù)據(jù)有出入)。本文依據(jù)這一分析結(jié)果和對(duì)行業(yè)發(fā)展趨勢的觀察將邊緣計(jì)算的發(fā)展分為3個(gè)階段:技術(shù)儲(chǔ)備期、快速增長期和穩(wěn)定發(fā)展期。 圖2列舉了邊緣計(jì)算發(fā)展中的典型事件(粗體字為中國對(duì)邊緣計(jì)算發(fā)展的貢獻(xiàn))。

1.技術(shù)儲(chǔ)備期

在此階段，邊緣計(jì)算歷經(jīng)“蟄伏一提出一定義一推廣”等發(fā)展過程.邊緣計(jì)算最早可以追溯至1998年Akamai公司提出的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)( content delivery network，CDN)，CDN 是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的緩存網(wǎng)絡(luò)，依靠部署在各地的緩存服務(wù)器，通過中心平臺(tái)的負(fù)載均衡 、內(nèi)容分發(fā)、調(diào)度等功能模塊，將用戶的訪問指向最近的緩存服務(wù)器上，以此降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，提高用戶訪問響應(yīng)速度和命中率。CDN強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的備份和緩存，而邊緣計(jì)算的基本思想則是功能緩存(function cache). 2005年美國韋恩州立大學(xué)施巍松教授的團(tuán)隊(duì)就已提出功能緩存的概念 ，并將其用在個(gè)性化的郵箱管理服務(wù)中，以節(jié)省延遲和帶寬。 2009年Satyanarayanan等人提出了Cloudlet的概念，Cloudlet 是一個(gè)可信且資源豐富的主機(jī)，部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，與互聯(lián)網(wǎng)連接，可以被移動(dòng)設(shè)備訪問，為其提供服務(wù)，Cloudlet可以像云一樣為用戶提供服務(wù)，又被稱為“小朵云”.此時(shí)的邊緣計(jì)算強(qiáng)調(diào)下行，即將云服務(wù)器上的功能下行至邊緣服務(wù)器，以減少帶寬和時(shí)延。

隨后，在萬物互聯(lián)的背景下，邊緣數(shù)據(jù)迎來了爆發(fā)性增長，為了解決面向數(shù)據(jù)傳輸 、計(jì)算和存儲(chǔ)過程中的計(jì)算負(fù)載和數(shù)據(jù)傳輸帶寬的問題，研究者開始探索在靠近數(shù)據(jù)生產(chǎn)者的邊緣增加數(shù)據(jù)處理的功能，即萬物互聯(lián)服務(wù)功能的上行。具有代表性的是移動(dòng)邊緣計(jì)算(mobile edge computing，MEC)、霧計(jì)算(fog computing)和海云計(jì)算(cloud-sea computing)。

移動(dòng)邊緣計(jì)算是指在接近移動(dòng)用戶的無線接人網(wǎng)范圍內(nèi)，提供信息技術(shù)服務(wù)和云計(jì)算能力的一種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并已成為一種標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的技術(shù)。由于移動(dòng)邊緣計(jì)算位于無線接人網(wǎng)內(nèi)，并接近移動(dòng)用戶，因此可以實(shí)現(xiàn)較低延時(shí)、較高帶寬來提高服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。移動(dòng)邊緣計(jì)算強(qiáng)調(diào)在云計(jì)算中心與邊緣計(jì)算設(shè)備之間建立邊緣服務(wù)器，在邊緣 服務(wù)器上完成終端數(shù)據(jù)的計(jì)算任務(wù)，但移動(dòng)邊緣終端設(shè)備基本被認(rèn)為不具有計(jì)算能力，而邊緣計(jì)算模型中的終端設(shè)備具有較強(qiáng)的計(jì)算能力，因此移動(dòng)邊緣計(jì)算類似一種邊緣計(jì)算服務(wù)器的架構(gòu)和層次，作為邊緣計(jì)算模型的一部分.思科公司于2012年提出了霧計(jì)算，并將霧計(jì)算定義為遷移云計(jì)算中心任務(wù)到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備執(zhí)行的一種高度虛擬化計(jì)算平臺(tái). 它通過減少云計(jì)算中心和移動(dòng)用戶之間的通信次數(shù)，以緩解主干鏈路的帶寬負(fù)載和能耗壓力。霧計(jì)算和邊緣計(jì)算具有很大的相似性，但是霧計(jì)算關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施之間的分布式資源共享問題，而邊緣計(jì)算除了關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施之外，也關(guān)注邊緣設(shè)備，包括計(jì)算、 網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)資源的管理，以及邊端、邊邊和邊云之間的合作.與此同時(shí)，2012年，中國科學(xué)院啟動(dòng)了戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究專項(xiàng)，稱之為下一代信息與通信技術(shù)倡儀，其主旨是開展“海云計(jì)算系統(tǒng)項(xiàng)目”的研究，其核心是通過“云計(jì)算”系統(tǒng)與“海計(jì)算”系統(tǒng)的協(xié)同與集成，增強(qiáng)傳統(tǒng)云計(jì)算能力，其中，“海”端指由人類本身、物理世界的設(shè)備和子系統(tǒng)組成的終端.與邊緣計(jì)算相比，海云計(jì)算關(guān)注“海”和“云”這兩端，而邊緣計(jì)算關(guān)注從“海”到“云”數(shù)據(jù)路徑之間的任意計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。

2013年，美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室的Ryan LaMothe在一個(gè)2頁紙的內(nèi)部報(bào)告中提出“edge computing”一詞，這是現(xiàn)代“edge computing”的首次提出。此時(shí)，邊緣計(jì)算的涵義已經(jīng)既有云服務(wù)功能的下行，還有萬物互聯(lián)服務(wù)的上行.

2.快速增長期

2015—2017年為邊緣計(jì)算快速增長期，在這段時(shí)間內(nèi)，由于邊緣計(jì)算滿足萬物互聯(lián)的需求，引起了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的密切關(guān)注.

在政府層面上，2016年5月，美國自然科學(xué)基金委(National Science Foundation，NSF)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)研究中將邊緣計(jì)算替換云計(jì)算，列為突出領(lǐng)域 (highlight area) ;8月，NSF和英特爾專門討論針對(duì)無線邊緣網(wǎng)絡(luò)上的信息中心網(wǎng)絡(luò);10月，NSF舉辦邊緣計(jì)算重大挑戰(zhàn)研討會(huì)(NSF Workshop on Grand Challenges in Edge Computing),會(huì)議針對(duì)3個(gè)議題展開研究：邊緣計(jì)算未來5~10年的發(fā)展目標(biāo)，達(dá)成目標(biāo)所帶來的挑戰(zhàn)，學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府應(yīng)該如何協(xié)同合作來應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn).這標(biāo)志著邊緣計(jì)算的發(fā)展已經(jīng)在美國政府層面上引起了重視.

在學(xué)術(shù)界，2016年5月，美國韋恩州立大學(xué)施 巍松教授團(tuán)隊(duì)給出了邊緣計(jì)算的一個(gè)正式定義邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種新型計(jì)算模型，邊緣計(jì)算操作的對(duì)象包括來自于云服務(wù)的下行數(shù)據(jù)和來自于萬物互聯(lián)服務(wù)的上行數(shù)據(jù)，而邊緣計(jì)算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源，是一個(gè)連續(xù)統(tǒng)。并發(fā)表了“Edge Computing: Vision and Challenges”一文， 第1次指出了邊緣計(jì)算所面臨的挑戰(zhàn)，該文在2018年底被他引650次.同年10月，ACM和IEEE開始聯(lián)合舉辦邊緣計(jì)算頂級(jí)會(huì)議(ACM/IEEE Symposium on Edge Computing，SEC)，這是全球首個(gè)以邊緣計(jì)算為主題的科研學(xué)術(shù)會(huì)議.自此之后，ICDCS, INFOCOM, Middleware, WWW 等重要國際會(huì)議也開始增加邊緣計(jì)算的分會(huì)(tack)或者專題研討會(huì)(workshop).

工業(yè)界也在努力推動(dòng)邊緣計(jì)算的發(fā)展，2015年 9月，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(ETSI)發(fā)表關(guān)于移動(dòng)邊緣計(jì)算的白皮書，并在2017年3月將移動(dòng)邊緣計(jì)算行業(yè)規(guī)范工作組正式更名為多接人邊緣計(jì)算 (multi-access edge computing，MEC)，致力于更好地滿足邊緣計(jì)算的應(yīng)用需求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定. 2015年11月，思科、ARM、戴爾、英特爾、微軟和普林斯頓大學(xué)聯(lián)合成立了 OpenFog聯(lián)盟，主要致力于 Fog Reference Architecture 的編寫.為了推進(jìn)和應(yīng)用場景在邊緣的結(jié)合，該組織于2018年12月 并入了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟.

國內(nèi)邊緣計(jì)算的發(fā)展速度和世界幾乎同步，特別是從智能制造的角度.2016年11月，華為技術(shù)有限公司、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所、中國信息通信研究院、英特爾、ARM等在北京成立了邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(edge computingconsortium)，致力于推動(dòng)“政產(chǎn)學(xué)研用”各方產(chǎn)業(yè)資源合作，引領(lǐng)邊緣計(jì)算產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展.2017年5月首屆中國邊緣計(jì)算技術(shù)研討會(huì)在合肥開幕，同年8月中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)邊緣計(jì)算專委會(huì)成立，標(biāo)志著邊緣計(jì)算的發(fā)展已經(jīng)得到了專業(yè)學(xué)會(huì)的認(rèn)可和推動(dòng).

3.穩(wěn)健發(fā)展期

2018年是邊緣計(jì)算發(fā)展過程中的重要節(jié)點(diǎn)，盡管此前業(yè)內(nèi)已經(jīng)對(duì)邊緣計(jì)算報(bào)以了很大期望，而 2018年邊緣計(jì)算被推向前臺(tái)，開始被大眾熟知。這一階段，邊緣計(jì)算的參與者范圍擴(kuò)大很快，如表1所示，參與者已經(jīng)基本涵蓋了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的方方面面，本文將它們分為6類：云計(jì)算公司、硬件廠商、CDN 公司、通信運(yùn)營商、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟/開源社區(qū)，并在表1中列舉它們近2年在邊緣計(jì)算領(lǐng)域的事件。

邊緣計(jì)算在穩(wěn)健發(fā)展期有4個(gè)重要事件，2018 年1月全球首部邊緣計(jì)算專業(yè)書籍《邊緣計(jì)算》出版，它從邊緣計(jì)算的需求與意義、系統(tǒng)、應(yīng)用、平臺(tái)等多個(gè)角度對(duì)邊緣計(jì)算進(jìn)行了闡述.2018年9月17日在上海召開的世界人工智能大會(huì)，以“邊緣計(jì)算，智能未來”為主題舉辦了邊緣智能主題論壇，這是中國從政府層面上對(duì)邊緣計(jì)算的發(fā)展進(jìn)行了支持和探討.2018年8月兩年一度的全國計(jì)算機(jī)體系 結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)年會(huì)以“由云到端的智能架構(gòu)”為主題，由此可見，學(xué)術(shù)界的研究焦點(diǎn)已經(jīng)由云計(jì)算開始逐漸轉(zhuǎn)向邊緣計(jì)算.同時(shí)，邊緣計(jì)算也得到了技術(shù)社區(qū)的大力支持，具有代表性的是2018年10月CNCF基金會(huì)和Eclipse基金會(huì)展開合作，將把在超大規(guī)模云計(jì)算環(huán)境中已被普遍使用的Kubernetes,帶人到物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算場景中.新成立的Kubernetes物聯(lián)網(wǎng)邊緣工作組將采用運(yùn)行容器的理念并擴(kuò)展到邊緣，促進(jìn)Kubernetes在邊緣環(huán)境中的適用。

本文相信，經(jīng)過前期的技術(shù)儲(chǔ)備和最近幾年的快速增長，邊緣計(jì)算將成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的熱門話題，實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的融合，加快產(chǎn)品落地，便利大眾生活，步人穩(wěn)健發(fā)展時(shí)期。