彭曉暉 徐志偉

摘要：針對物端計算系統(tǒng)面臨的“昆蟲綱悖論”和“數(shù)據(jù)過于集中”2大生態(tài)問題，從計算系統(tǒng)的角度，討論分析了其在系統(tǒng)架構(gòu)、應用層協(xié)議、資源管理、開發(fā)與運行時、計算負載調(diào)度5個方面面臨的挑戰(zhàn)。提出了物端控域計算機設(shè)計愿景，即將物端計算系統(tǒng)劃分為具有相同或兼容管理策略的控域，并將每個域看作一臺分布式計算機，為其設(shè)計物端信息總線架構(gòu)原型。

關(guān)鍵詞：邊緣計算;物端計算;物端控域計算機;體系架構(gòu);應用層協(xié)議

Abstract： To address the two ecosystem problems of things system： “Paradox of Classis Insecta” and “Centralized Data”， five challenges of things system in perspective of computing system are discussed in this paper. These challenges include system architecture， application protocol， resource management， application development and runtime environment， and computing payload scheduling. Then， the design vision of the physical-zone-of-control computer is put forward， which divides things system into multiple zones of control with same or compatible management policy. The physical information bus architecture prototype which regards every zone as the distributed computer is finally proposed.

Key words： edge computing; things computing; physical zone of control computer; system architecture; application protocol

1 物端系統(tǒng)的背景

1.1 萬物互聯(lián)與物端計算系統(tǒng)

信息技術(shù)正在進入人機物三元計算的萬物互聯(lián)新時代，計算設(shè)備正在被賦予了各種具體的形態(tài)并融入到物理環(huán)境中[1]，我們稱這樣的設(shè)備為物端設(shè)備，例如溫濕度傳感器、攝像頭等。物端設(shè)備正以指數(shù)級增長的方式連入互聯(lián)網(wǎng)，形成物端計算系統(tǒng)，是邊緣計算[2]的重要組成部分。物端系統(tǒng)不斷地從物理世界感知多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)叫畔⑹澜邕M行計算，信息世界數(shù)據(jù)處理的結(jié)果也通過其反饋到物理世界，物端系統(tǒng)是感知和控制數(shù)據(jù)的出入口，是未來人機物三元計算空間的咽喉要塞。物端計算系統(tǒng)天生位于網(wǎng)絡(luò)的邊緣，具有天然的近數(shù)據(jù)源優(yōu)勢。將計算遷移至物端系統(tǒng)可以大幅減少網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗，縮短應用響應延遲和保護用戶數(shù)據(jù)安全和隱私。

物端計算機的顯著特征是需要與物理世界進行交互，不斷地感知物理世界狀態(tài)，并通過反饋控制改變物理世界狀態(tài)。例如，空氣凈化器可以根據(jù)小于2.5 μm的細顆粒物（PM 2.5）傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)整凈化器的凈化強度，直至達到設(shè)定的目標。這是人機物三元空間中典型的感知-計算-控制循環(huán)，也是未來萬物互聯(lián)時代的基本計算模式之一。其中，控制環(huán)節(jié)可以是系統(tǒng)根據(jù)某種策略或算法自動執(zhí)行，或由用戶根據(jù)計算結(jié)果選擇控制動作。

在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，由于物端計算機的軟硬件平臺還未完全準備好計算負載遷移至離環(huán)境和人更近的物端上，該循環(huán)的計算環(huán)節(jié)通常在云端進行，造成應用的響應延遲和不確定性。人機物三元計算環(huán)境中，大量的應用對實時性有較為苛刻的要求。我們在利用亞馬遜的Alex語音控制打開臥室照明燈的實驗中，每次開燈平均耗時3 s以上[3]。如圖1所示，智能音箱采集的語音數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诿绹膩嗰R遜云計算服務(wù)中心進行解析，識別出的開燈命令發(fā)送到位于新加坡的設(shè)備控制服務(wù)器，通過應用程序編程接口（API）打開位于本地的照明設(shè)備。由于數(shù)據(jù)通路過長，云計算模式顯著增加了開燈操作的時延和不確定性。

1.2 物端計算系統(tǒng)的生態(tài)問題

物端計算系統(tǒng)面臨的第一個生態(tài)問題是數(shù)據(jù)過于集中。隨著聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備不斷增加，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也是呈指數(shù)級增長。據(jù)國際數(shù)據(jù)公司（IDC）預測，到2025年，全球數(shù)據(jù)年產(chǎn)量將達160 ZB，其中75%以上是產(chǎn)生于網(wǎng)絡(luò)邊緣和物端設(shè)備[4]。近年來人工智能和大數(shù)據(jù)的發(fā)展顯示了用戶數(shù)據(jù)在下一代信息系統(tǒng)中的重要作用，以至于被譽為信息時代的“新石油”。然而各大設(shè)備廠商均將物端設(shè)備感知到的用戶數(shù)據(jù)收集到私有或公有的云計算中心存儲和分析。邊緣計算、霧計算和物端計算等新的計算模式均旨在將云計算中心的負載向下遷移，這種遷移目的之一也是為了解決數(shù)據(jù)過于集中的問題。萬維網(wǎng)（Web）發(fā)明者Tim Breners-Lee在2018年提出了去中心化平臺Solid，以解決數(shù)據(jù)過于集中帶來的一系列問題。

物端計算系統(tǒng)面臨的另外一大生態(tài)問題是昆蟲綱悖論[1]，即物端設(shè)備的種類像昆蟲一樣繁多，其本質(zhì)描述的是系統(tǒng)的多樣性和無序性。多樣性體現(xiàn)在應用場景、芯片架構(gòu)、硬件接口、操作系統(tǒng)、應用軟件、編程模式、通信協(xié)議等多個方面。這造成了物端計算機應用開發(fā)、部署和運維十分困難，程序員通常需要熟練掌握從硬件選型、軟件開發(fā)到通信協(xié)議選擇的全棧知識，才能研發(fā)出高效、可靠的新產(chǎn)品。無序性表現(xiàn)在系統(tǒng)的架構(gòu)、設(shè)計方法、編程模式等方面。由于缺乏統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計和編程方法，物端應用變得十分碎片化，設(shè)備之間難以協(xié)同計算，從而對人機物三元空間人的行為做出適當?shù)姆磻?/p>

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作者簡介

彭曉暉，日本東京大學博士畢業(yè)，中國科學院計算技術(shù)研究所副研究員、碩導;現(xiàn)主要從事物端計算系統(tǒng)的編程方法、應用協(xié)議與系統(tǒng)架構(gòu)研究，研究方向為分布式系統(tǒng)、邊緣計算等;主持和參與了數(shù)項國家、部委級研究課題;發(fā)表論文近20篇。

徐志偉，中國科學院計算技術(shù)研究所研究員、博士生導師、學術(shù)委員會主任，中國科學院大學教授，CCF會士，曾擔任國家自然科學基金委信息科學部專家咨詢委員會委員，《IEEE TC》《IEEE TSC》等多個國際著名期刊的編委等;主要研究領(lǐng)域為高性能計算機、分布式計算、網(wǎng)格計算與系統(tǒng)軟件，近年來主要從事邊緣計算、海云計算系統(tǒng)的研究，并提出了物端計算方向;曾獲國家杰出青年科學基金、中國科學院科技進步一等獎、國家科學進步二等獎、中國科學院優(yōu)秀青年科學家獎、中國科學院百人計劃資助、中國科學院杰出科技成就團隊獎等，2007年獲中國計算機學會“王選獎”;發(fā)表論文100余篇、專著3部。