邊緣計算：原理、技術與實踐

隨著通信和計算技術的快速發展、計算成本的不斷降低，物理世界與資訊世界正在發生加速融合。不僅僅是物理世界的資訊被映射到網路當中，通信和計算的能力也隨著嵌入式技術的發展融入到了世間萬物。隨著物聯網和5G通信產業的快速興起，越來越多的人和物開始持續產生大量、多樣的計算任務，“無處不在的計算”成為了各類應用共性而迫切的需求，邊緣計算應運而生。

相比於雲計算，邊緣計算將計算資源下沉到網路邊緣設備、甚至嵌入到各類網路系統當中，為大至自動駕駛車聯網、小到可穿戴設備提供快速、穩定、無處不在的計算服務。如果說物聯網讓物理世界具備了“感知”和“溝通”的能力，那麼邊緣計算的使命則是讓世間萬物具備“思考”的能力。網路邊緣在形態上可以千變萬化，既可以是部署在移動蜂窩網路的資料中心、亦可以是隨車而載的小型伺服器，甚至可以是隨身攜帶的迷你節點，以完成各類場景的計算服務，這些場景包括移動計算、自動駕駛車聯網、智慧工業、智慧家居、可穿戴計算等。

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自序
前言

第1章　邊緣計算概述 1
1.1　邊緣計算的背景與概念 1
1.1.1　邊緣計算的歷史背景 1
1.1.2　邊緣計算的概念 3
1.1.3　邊緣計算帶來的改變 4
1.2　邊緣計算發展的歷史必然性 7
1.2.1　催生邊緣計算的技術 7
1.2.2　計算形態變革的內在邏輯 12
1.2.3　邊緣計算將深刻改變計算方式 16
1.3　邊緣計算的重要意義 20
1.4　邊緣計算中的關鍵問題 21
1.4.1　關鍵字 22
1.4.2　關鍵研究問題概述 23
1.4.3　邊緣計算架構 27
1.4.4　作業系統與程式設計模型 27
1.4.5　計算卸載與資源配置 28
1.4.6　虛擬化與服務管理 28
1.4.7　服務集群管理 29
1.4.8　人工智慧與大數據 29
1.4.9　移動性管理 30
1.4.10　系統與應用 30
1.5　發展趨勢與技術挑戰 31
1.5.1　發展趨勢 31
1.5.2　關鍵機構與成果 32
1.6　本書的寫作邏輯 33
習題 34
參考文獻 34

第2章　邊緣計算架構原理 35
2.1　邊緣計算架構概述 35
2.1.1　系統評價及設計要求 35
2.1.2　邊緣計算架構設計面臨的獨特挑戰 37
2.2　總體系統架構 39
2.2.1　兩類邊緣：骨幹邊緣和
　泛在邊緣 39
2.2.2　雲-邊-端架構 40
2.2.3　邊-端架構 42
2.2.4　多接入邊緣計算 43
2.2.5　分散式D2D/D4D架構（泛在邊緣架構） 43
2.2.6　AIoT架構 43
2.3　軟體計算架構 44
2.3.1　一般邊緣計算軟體架構 45
2.3.2　多接入邊緣計算架構 47
2.3.3　AIoT軟體架構 48
2.3.4　衛星邊緣計算架構 49
2.3.5　程式設計模型 53
2.4　邊緣計算作業系統與開源框架 55
2.4.1　EdgeX Foundry 56
2.4.2　StarlingX 58
2.4.3　其他開源框架 58
2.4.4　融合邊緣的前端物聯網作業系統 59
習題 59
參考文獻 59

第3章　邊緣接入技術 60
3.1　無線傳輸機制 61
3.1.1　無線局域網傳輸機制 61
3.1.2　無線個域網傳輸機制 62
3.1.3　無線廣域網路傳輸機制 68
3.1.4　低功耗廣域網路傳輸機制 74
3.1.5　新型無線傳輸機制 81
3.1.6　總結 84
3.2　無線接入的通信服務協定 84
3.2.1　MQTT 85
3.2.2　AMQP 85
3.2.3　Kaf?ka 87
3.2.4　STOMP 87
3.3　可靠的資料傳輸 88
3.3.1　考慮移動性的可靠資料傳輸 88
3.3.2　基於博弈的資料接入 91
3.4　多接入邊緣網路與超密集網路 92
習題 94
參考文獻 94

第4章　計算任務卸載 95
4.1　任務卸載概述 96
4.1.1　任務卸載概念與步驟 96
4.1.2　計算卸載的時延模型 97
4.1.3　邊緣計算任務卸載評價指標 101
4.2　任務卸載方式 103
4.2.1　0-1卸載 103
4.2.2　部分卸載 104
4.2.3　任務切分技術及實例分析 106
4.2.4　子任務卸載策略 109
4.3　不同場景下任務卸載策略研究 110
4.3.1　單使用者邊緣網路場景 110
4.3.2　多使用者邊緣網路場景 112
4.3.3　異構伺服器邊緣網路場景 115
4.4　不同架構下任務卸載策略研究 117
4.4.1　雲-邊-端架構中的卸載策略 117
4.4.2　邊-邊架構中的卸載策略 118
4.4.3　多接入邊緣架構中的計算卸載 120
4.4.4　定制化邊緣架構中的計算卸載 121
4.4.5　使用者高移動性網路場景中的計算卸載 123
4.4.6　分散式D2D網路中的計算卸載 129
4.5　開源工具概述 133
4.5.1　Slacker 133
4.5.2　EdgeCloudSim 134
4.5.3　EdgeX Foundry 136
4.5.4　Apache Edgent 136
4.5.5　KubeEdge 137
4.6　邊緣卸載策略展望與挑戰 139
4.6.1　資源協同調度的挑戰與展望 139
4.6.2　用戶移動性管理的挑戰與展望 140
習題 141
參考文獻 141

第5章　虛擬化技術 142
5.1　虛擬化技術概述 143
5.2　虛擬化技術發展歷史 143
5.3　虛擬化技術分類 145
5.3.1　指令架構級虛擬化 146
5.3.2　硬體抽象級虛擬化 147
5.3.3　作業系統級虛擬化 153
5.3.4　庫函數級虛擬化 156
5.3.5　程式設計語言級虛擬化 157
5.4　羽量級虛擬化 158
5.4.1　虛擬機器與容器 159
5.4.2　Docker 160
5.4.3　Unikernel 162
5.4.4　Firecraker 164
5.4.5　總結 165
5.5　微服務 165
5.5.1　服務架構的發展歷程 166
5.5.2　微服務架構特點 166
5.5.3　微服務架構面臨的挑戰 169
5.6　服務網格 169
5.6.1　服務網格的發展歷程 169
5.6.2　服務網格工具: Istio 173
5.6.3　服務網格工具對比 181
5.7　無服務架構 185
5.7.1　發展歷史 185
5.7.2　Serverless開源工具 188
習題 192
參考文獻 192

第6章　邊緣服務管理支撐技術 193
6.1　NFV架構 194
6.1.1　NFV概述 19