从云计算跨越到边缘计算

王 庆 英特尔开源技术中心网络与存储高级经理 OpenStack基金会个人独立董事

1 云计算的历史

早在1983年，Sun公司就曾提出了“网络即是电脑”概念，这就是云计算的最初雏形。随后的几十年里，计算机技术的迅猛发展以及互联网行业的兴起，似乎都在印证着这个概念提出的正确性和前瞻性。

在这几十年里，为云计算画上浓重一笔的是Amazon公司。Amazon创始人Jeff Bezos在2002年左右下达了一份强制命令，要求Amazon公司从内部转变成面向服务架构(SOA)体系。在此举推动下，Amazon公司把一切以服务第一的系统架构作为企业文化。在2006年3月，Amazon公司推出弹性计算云(EC2)，按照用户使用的资源多少和时间长短进行收费，开启了云计算商业化的元年。

紧随Amazon公司推出AWS之后，Google、IBM、Yahoo、Intel、HP、VMware、Microsoft和阿里巴巴等各大公司开始蜂拥进入云计算领域，相继开展云计算业务。Google推出了Google Cloud Platform，IBM推出了IBM Cloud ，Microsoft推出了Azure，阿里巴巴推出了阿里云，等等。

除了商业系统和软件外，在开源软件项目里，2010年7月，美国国家航空航天局(NASA)与Rackspace等宣布OpenStack开放源码计划，由此OpenStack登上历史舞台。其实，早在OpenStack诞生之初，就有四大开源云计算平台项目割据，分别是OpenNebula、Eucalyptus、CloudStack和OpenStack本身，但是后来除了OpenStack项目外，其余三大项目都发展得不是很好，现在也鲜有人提及，OpenStack却逐渐成为云计算基础架构即服务(IaaS)的事实标准。

2 边缘计算的诞生和发展

1995年麻省理工大学教授、互联网的发明者Tim Berners-Lee预见了未来互联网使用者会遇到网络拥挤难题，并向他的同事们发起挑战，要发明一种全新的互联网内容分发方法。之后，在Tom Leighton的带领下，麻省理工大学一干研究人员，先后加入难题攻坚队伍，发明了内容分发网络(CDN)技术架构。1998年，他们实施了商业计划，在麻省理工学院组建了Akamai公司。当时Akamai推出的CDN网络平台，就是边缘计算的雏形。与现代边缘计算不同的是，当时的边缘只负责存储和数据边缘化。

边缘计算的发展，无不是与云计算的发展有着千丝万缕的联系。云计算用户们迟早会遇到网络拥挤、延迟高、实时性差和性能瓶颈，而逐渐满足不了业务的需求。边缘计算可以认为是云计算的扩展和延伸。在边缘计算发展史里，为它画上浓重一笔的是欧洲电信标准化协会(ETSI)。2014年，ETSI成立移动边缘计算标准化工作组，开始推动相关标准化工作。ETSI提出的MEC概念，当初认为它是移动边缘计算(Mobile Edge Computing)，到了2016年，ETSI把MEC扩展为多接入边缘计算(Multi-Access Edge Computing)，把边缘计算能力从电信蜂窝网络进一步延伸到其它接入网络，并逐步形成边缘计算标准和参考架构，如图1所示。

MEC翻译成中文便是“多接入”“边缘”“计算”，即有：

1)多接入：多种网络接入模式，比如LTE、无线WiFi、有线、ZigBee、LoRa、NB-IoT等各种物联网应用场景；

2)边缘：网络功能和应用部署在网络的边缘侧，尽可能靠近最终用户，降低传输时延；

3)计算：即联合云计算和雾计算，充分有效利用计算、存储和网络等有限资源。

因此，参考图1架构实现的边缘计算实例系统，就应该具备这些属性。

在提到边缘计算的时候，不得不引入另一个小插曲，叫雾计算。雾计算是一种系统级的水平架构，它能够分配从云到物这一连续区域内任何地方的计算、存储、网络和控制的资源和服务。雾计算首先是在2011年由美国纽约Columbia大学Stolfo教授提出的，在2012年，Cisco公司正式提出雾计算的概念，并对其定义进行了详细阐述。雾计算认为数据、数据处理和应用程序都集中在网络边缘设备中，而不是几乎全部在集中式的数据中心里。该模式源自于雾比云更贴近“地面”而得名，且认为是云计算的延伸。

就理论而言，雾计算更具系统性，更具有层次性和可扩展性，且范围更广一些，它既包括网络边缘，也包括物到云延伸这部分的连续性服务。一般情况下，雾计算也可以进行边缘计算，所以也可以认为雾计算包含边缘计算。

图1 Mobile edge system reference architecture

2015年11月，Cisco、ARM、Dell、Intel、Microsoft和Princeton大学等机构联合发起成立开放雾计算联盟OpenFog，定义了雾计算架构，将计算、存储、网络资源分布到更靠近用户边缘侧的地方。该联盟旨在加速采用与物联网和人工智能相关的边缘计算，建立最佳实践和架构框架，以及创建指南文档。

言归正传，在MEC被提出之后，边缘计算和MEC在电信行业蔓延开来，并成为未来5G的关键技术之一。

第三代合作伙伴计划(3GPP)在RAN3及SA2两个工作组分别发起MEC相关的技术报告，已经正式接受MEC作为5G架构关键议题。

下一代移动通信网络(NGMN)也已经同意将MEC纳入到5G需求和架构中，并指出在网络边缘需要引入一种智能节点，可部分执行核心网功能或者其它功能。

IMT-2020(5G)推进组在《5G网络架构设计白皮书》中指出MEC将业务平台下沉到网络边缘，为移动用户就近提供业务计算和数据缓存能力，并实现网络从接入管道向信息化服务使能平台的关键跨越，是5G的代表性能力。

在我国，中国通信标准化协会(CCSA)在无线通信技术工作委员会也启动了一项研究项目，将MEC系统称为面向业务的无线接入网(SoRAN)，旨在研究SoRAN方案架构、SoRAN应用与需求、API接口规范及对现有无线设备和网络的影响。

乍一看，边缘计算都是为了电信级应用的。低时延高速率，大部分要求是跟电信运营商和电信设备制造商相关的技术和业务，但你逐渐会发现它不仅局限于电信行业。

例如，2016年9月，电信行业与汽车行业的全球跨行业产业联盟(5GAA)成立，联盟的使命在于研发、实验和推动智能车联、智慧交通等万物互联所需的通信解决方案和应用，包括相关的标准化推进、商业机会挖掘，以及全球市场的拓展。5GAA发起方包括Audi、BMW、Daimler以及Ericsson、华为、Intel、Nokia、Qualcomm五家电信通讯公司，成立后该组织成员不断扩大。

2017年8月Ericsson、Intel、日本NTT与Toyota成立了一个名为汽车边缘计算联盟(AECC)的新联盟，以开发连接汽车的网络和计算生态系统，更多地关注使用边缘计算和高效网络设计来增加网络容量，以适应汽车大数据。它还定义要求，开发用例并鼓励最佳实践。有了这，不论智能辅助驾驶也好，自动驾驶也好，亦或是无人驾驶，都可以利用边缘计算基础设施计算，实现人工智能驾驶。

在我国，2016年12月，华为、中科院沈自所、中国信通院、Intel、ARM和软通动力等机构联合发起在北京成立边缘计算产业联盟(ECC)。该联盟旨在搭建边缘计算产业合作平台，推动OT和ICT产业开放协作，孵化行业应用最佳实践，促进边缘计算产业健康与可持续发展。

各种联盟如雨后春笋一般出现，加速推进边缘计算的发展和相关标准架构的形成。

3 边缘计算的应用案例

说起边缘计算的应用，着实十分广泛，从智慧城市、智慧家居、智慧医院、在线直播，到智能泊车、自动驾驶、无人机、智能制造、虚拟现实以及增强现实，举不胜举。而且新的应用、新的用户案例不断挖掘出来，甚至未来的人工智能和5G，也与边缘计算有着紧密的关联。

例如，一个简单的应用——监控头判断交通违法信息。在马路监控头捕捉到了汽车交通违法视频之后，可以传到边缘站点，对视频进行图像提取、车牌定位、字符分割以及最终车牌识别。如果没有边缘计算，监控视频需要传到远程数据中心做违法判断以及车牌识别，而且随着时间的推移，需要传送的数据越来越多，对于网络高带宽和应用实时性提出了很大的挑战。然而，如果数据能在本地边缘站点处理掉了，那么就节省了数据传输的时间，节约了连接网络的带宽。做一个简单的比较，如果违法事件和违法车牌分别在本地被监测和识别到了，只传送结果信息，这是边缘计算；如果需要把视频传到数据中心处理计算，那是云计算。通过比较，边缘计算的优势一目了然。交通违法检测只是一个方面，也许时延要求并不是十分高，但是对于一些关键应用，诸如人脸识别、烟雾报警、人口密度指数预警防踩踏事件、动态监测、双摄像头测距、森林防火、天气监测等等，边缘计算的优势就大大地发挥出来了。

除此之外，边缘计算还可以应用在一些更加复杂的场景里，比如体育场周边的在线视频直播和点播、工厂工业互联监测和自动化、运输快递行业冷链监测和管理、移动通信行业虚拟无线接入网(vRAN)和通用客户端设备(uCPE)等等。

4 开源软件项目

在开源技术方面，与边缘计算相关的开源软件项目确实不是很多，最先出场的应该是CORD。

CORD项目早先是由AT&T提出的一个ONOS用户场景。我们知道，局端(CO)提供关键的接入汇聚网络服务，例如有线、光纤、DSL和无线。AT&T在2013年11月发布了一个Domain2.0白皮书，目标是使AT&T网络业务和基础设施能够像数据中心云服务一样具备敏捷性、可伸缩性和经济性，可以方便地编排、调度、管理和使用。这就是为什么CORD称作“重新组织局端为数据中心”，实际就是将电信局端云化。

2015年1月，AT&T与开放网络实验室(ON.Lab)对CORD的概念验证进行了定义，并在同年6月的ONS大会进行了演示。2016年7月，CORD放到Linux基金会下成为独立的开源项目。最初CORD目标不是针对边缘计算的，它是基于SDN、NFV和云计算技术，逐渐融合成为一套全新端到端的解决方案。CORD建立在OpenStack或Docker之上，使用ONOS为SDN控制器，并使用XOS为编排工具。通过利用分布式、开源软件和白盒交换机来实现创新，降低企业成本，使它们具备了快速创新的能力。后来由于边缘计算的兴起，从2017年开始CORD逐渐涵盖了边缘计算MEC领域的内容，慢慢成为边缘计算的平台，旨在采用开源技术提供边缘云实现方案。CORD场景可以适用于电信局端和接入端、家庭乃至整个企业环境，也可以在塔、汽车、无人机或任何地方运行。目前，CORD用户包括AT&T、SK Telecom、中国联通以及NTT。

在2017年6月，OPNFV北京峰会上又亮相了一个名为虚拟局端(vCO)的项目，它是由OPNFV开源工作组基于开源SDN控制器ODL和OpenStack开发的。该工作组成员包括Cisco、Cumulus、Ericsson、F5、Intel、联想、Mellanox、Netscout、Nokia和Red Hat等公司。vCO可以使用ODL和OpenStack启动具有虚拟网络功能的VNF，比如vCPE和vRAN，而且还能使用ONAP作为端到端平台管理VNF。不仅如此，越来越多的新服务正在转向局端，使其成为电信运营商NFV战略的关键组成部分，这其中就包括多接入边缘计算MEC。与CORD一样，vCO认为局端是托管边缘计算的最佳位置，MEC中涉及到需要在用户侧服务的网络功能，都可以通过vCO进行编排和管理。另外，vCO可以认为是另一个CORD，但与CORD不同的是，vCO除了能支持OpenFlow白盒交换机之外，还能支持边界网关协议(BGP)。

在物联网领域，2017年4月，Linux基金会发布了一个开源物联网边缘计算项目：EdgeX Foundry。该项目构建于Dell早期的基于Apache2.0协议的FUSE物联网中间件框架之上，其中包括十几个微服务和超过12.5万行代码。在FUSE合并了类同项目AllJoyncompliant IoTX之后，Linux基金会协同Dell创立了EdgeX Foundry。在其架构中，南侧包括所有的物联网物理设备，以及与这些设备、传感器、执行器或者其他对象直接通信的网络边缘器件，北侧负责数据汇总、存储、聚合、分析和转换为决策信息的云平台，以及负责与云平台通信。该项目主要目的是，创造一个互操作性的、即插即用组件的物联网边缘计算的生态系统，协调各种传感器网络协议与多种云平台及分析平台，充分挖掘横跨边缘计算、安全、系统管理和服务等模块间的互操作性，打造并推广EdgeX这种面向物联网的通用开放标准。

EdgeX Foundry并不是一项新标准，而是统一标准和边缘应用的方式，是一个简单的互操作性框架。它独立于操作系统，支持任何硬件和应用程序，促进设备、应用程序和云平台之间的连接。它的主要任务是简化和标准化工业物联网边缘计算，同时保持其开放性。

最后，我们来谈谈边缘计算项目新宠儿Akraino，这也是目前业界普遍认可的开源边缘计算方案。2018年初，Linux基金会和AT&T宣布推出一个新的开源项目Akraino Edge Stack，旨在创建一个开源软件栈，支持针对边缘计算系统和应用进行优化的高可用性云服务。Akraino将有助于为电信运营商、提供商和物联网提供商提供易用性高、可靠性强和性能高的服务。随后，有包括Intel、中国移动、中国电信、中国联通、华为、中兴、腾讯和Wind River等公司先后加入该社区，并讨论、商议、设计未来Akraino架构。

2018年5月，在Akraino的框架下， AT&T开源了部分内部代码称之为Airship。与此同时Intel和Wind River决定开源了大部分其电信行业云平台拳头产品Wind River Titanium Cloud的代码，并命名为StarlingX，为在虚拟机和容器中运行的电信运营商级应用程序提供边缘计算服务，支持高可靠性和高性能的要求。除了这两个项目之外，Akraino框架下其它各组件仍然不是十分完备或成熟，有些功能的代码还是一片空白，等着将来别的开源软件代码进来填充，比如ONAP。而且，对于Airship和StarlingX，社区还在继续增加更多功能、增强稳定性和优化性能。

另外，在OpenStack基金会，虽然OpenStack项目对于边缘计算的支持还在早期阶段，但是随着云计算演化趋势的需要，在OpenStack基金会组织下也成立了边缘计算工作组。根据2017年5月OpenStack波士顿峰会的提议，在9月的旧金山举行了一个为期2天的OpenDev研讨会，讨论的话题也就是边缘计算。2018年2月，结合社区的反馈和边缘计算工作组讨论的工作成果，OpenStack基金会发布了边缘计算白皮书。同年5月，OpenStack基金会吸收Airship和StarlingX进入其社区，在Linux基金会的Akraino框架下，合作开发一个支持边缘计算业务的全栈方案。

综上所述，未来Akraino将是一个跨社区、跨项目、多公司协同合作、共同开发的一个开源项目。其设计了一个宏伟的蓝图，并基于成熟代码之上，又有众多大公司和运营商的支持，我们相信通过社区共同努力，它的成熟度会不断提高，功能性会不断完善，最终将成为边缘计算领域首选的开源解决方案。

边缘计算发展到今天，仍处于初级阶段。构建分布式边缘计算基础设施工具和架构目前还停留在纸面上，实际软硬件方案还未成形。未来利用云计算成熟建设方案和经验，以及随着5G技术的推出，具体边缘计算的基础架构会迅速成形，各大运营商和云服务提供商将会很快推出边缘计算平台。在此基础上，各种复杂智能实时有效的应用程序和用户场景将会一起伴随出现，届时我们将迎接一个崭新时代的到来。