前 言

Gartner發(fā)布的2020年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)中分別提及了邊緣計(jì)算以及區(qū)塊鏈技術(shù)。邊緣計(jì)算是一種在信息來(lái)源、存儲(chǔ)庫(kù)及使用者附近進(jìn)行信息處理、內(nèi)容收集和交付的計(jì)算拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它試圖將網(wǎng)絡(luò)流量與計(jì)算處理保留在本地以減少延遲、發(fā)揮邊緣能力以及賦予邊緣更大的自治性。而區(qū)塊鏈可以通過(guò)提供交易透明度與可追溯性并將其記錄在公共賬本中實(shí)現(xiàn)信任。這兩種看似不相關(guān)的概念能否在一定程度上結(jié)合從而產(chǎn)生更巨大的能量呢?讓我們一探究竟!

什么是邊緣計(jì)算

在過(guò)去的十年中，由于云計(jì)算能夠提供海量的計(jì)算，存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源導(dǎo)致了許多新的基于云的應(yīng)用程序以及許多互聯(lián)網(wǎng)公司(例如亞馬遜)的快速增長(zhǎng)。云中心具有強(qiáng)大的處理性能，能夠處理海量的數(shù)據(jù)，但云計(jì)算模型的系統(tǒng)性能瓶頸在于網(wǎng)絡(luò)帶寬的有限性以及信息處理效率問題。此外，云計(jì)算模型中傳送及處理數(shù)據(jù)導(dǎo)致的時(shí)延問題進(jìn)一步影響了用戶體驗(yàn)。因此，近年來(lái)一種名為邊緣計(jì)算的新的計(jì)算范式正在興起。邊緣計(jì)算本質(zhì)上是分散計(jì)算機(jī)服務(wù)并將它們更接近數(shù)據(jù)源的過(guò)程。

由于減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量及其傳播距離，會(huì)大大降低延遲，并減少對(duì)帶寬的浪費(fèi)。一般來(lái)說(shuō)，邊緣計(jì)算的結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)級(jí)別：終端設(shè)備(前端)，邊緣服務(wù)器(近端)和核心云(遠(yuǎn)端)。此層次結(jié)構(gòu)表示邊緣計(jì)算元素的計(jì)算能力及其特征。前端的終端設(shè)備(例如傳感器，執(zhí)行器)為用戶提供了更多的交互性和更好的響應(yīng)能力。但是，由于設(shè)備容量有限，必須將資源的進(jìn)一步需求轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器。近端的邊緣服務(wù)器可以支持網(wǎng)絡(luò)中的大多數(shù)流量以及大量資源需求，例如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)緩存和計(jì)算分流。因此，邊緣服務(wù)器在延遲方面有少量增加的情況下為最終用戶提供了更好的性能，而在遠(yuǎn)端的云服務(wù)器在傳輸延遲的情況下提供了更強(qiáng)大的計(jì)算能力(例如大數(shù)據(jù)處理)和更多的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。邊緣計(jì)算的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，此體系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)是執(zhí)行邊緣網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用程序的計(jì)算密集型和延遲敏感部分，并且邊緣服務(wù)器中的某些應(yīng)用程序與核心云通信以進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。

圖1 邊緣計(jì)算基本架構(gòu)

邊緣計(jì)算的興起主要由某些對(duì)延遲敏感的應(yīng)用程序的(例如虛擬現(xiàn)實(shí))需要，這些應(yīng)用程序?qū)ρ舆t有嚴(yán)格的要求。因此，通過(guò)將云資源和服務(wù)推向邊緣的計(jì)算范式可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性支持，位置感知和低延遲。圖二顯示了邊緣計(jì)算的典型特征。

圖2 邊緣計(jì)算的特征

位置感知和低延遲：在物理和邏輯意義上，邊緣計(jì)算都支持比遠(yuǎn)程集中式的云能夠更有效的對(duì)傳感設(shè)備進(jìn)行通信和信息分發(fā)。由于傳播距離短，邊緣計(jì)算有潛力在更多實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用中發(fā)揮更大的潛力。例如煤氣泄漏事件，當(dāng)IoT設(shè)備收集到數(shù)據(jù)時(shí)，首先要做的是關(guān)閉煤氣閥門，而不是傳到云端再去處理，這樣的場(chǎng)景中邊緣計(jì)算能夠發(fā)揮巨大的價(jià)值。此外，由于邊緣計(jì)算靠近終端，因此對(duì)設(shè)備的移動(dòng)更敏感，邊緣節(jié)點(diǎn)間的協(xié)同能夠?qū)崿F(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的位置感知功能。

智能和自組織管理：現(xiàn)代邊緣節(jié)點(diǎn)的性能足以滿足一組本地用戶的高速率傳輸，大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和復(fù)雜的計(jì)算程序的需求。這為應(yīng)用程序的自治管理和邊緣協(xié)調(diào)開辟了道路，從而可以將本地設(shè)備的計(jì)算和存儲(chǔ)卸載到本地邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，或有選擇地委派給其他節(jié)點(diǎn)或云核心。

分布式和隱私保護(hù)：許多邊緣計(jì)算服務(wù)器可能是私有的Cloudlet，而這些較少的信息集中度將減輕因所有權(quán)和數(shù)據(jù)管理分離而導(dǎo)致的云計(jì)算中信息泄漏的擔(dān)憂。例如，企業(yè)部署的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)間會(huì)敏感地交換信息，分布式的架構(gòu)具有增強(qiáng)隱私的潛力。

異構(gòu)和可擴(kuò)展：云計(jì)算滿足不了目前大規(guī)模爆發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算需求。IoT聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和產(chǎn)生數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)量遠(yuǎn)大于云計(jì)算的增長(zhǎng)。邊緣節(jié)點(diǎn)由于其分布式架構(gòu)，所以節(jié)點(diǎn)間可以大量擴(kuò)展。因此，邊緣計(jì)算是實(shí)現(xiàn)設(shè)備可擴(kuò)展的一種可行的方法。此外，邊緣節(jié)點(diǎn)能夠提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，從而消除物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的異構(gòu)型，進(jìn)一步提供計(jì)算效率。

區(qū)塊鏈?zhǔn)鞘裁?/strong>

區(qū)塊鏈這個(gè)名詞想來(lái)大家并不陌生了，國(guó)家強(qiáng)調(diào)要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。區(qū)塊鏈的概念首次由中本聰在論文《一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中提出，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N鏈條式的數(shù)據(jù)庫(kù)，鏈條的主體是區(qū)塊。每個(gè)區(qū)塊(Block)可以分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭記錄了前一區(qū)塊的摘要，而區(qū)塊體則是交易賬本，包含大量交易內(nèi)容、交易時(shí)間等。是后一區(qū)塊綁定了前一區(qū)塊的內(nèi)容，多個(gè)區(qū)塊集合起來(lái)，構(gòu)成鏈條結(jié)構(gòu)。為了更加直觀的了解區(qū)塊鏈，其實(shí)我們可以將區(qū)塊鏈系統(tǒng)類比互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行層級(jí)劃分，從下至上依次是數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)，共識(shí)，帳本拓?fù)洌?lì)，智能合約和應(yīng)用程序?qū)?，如圖3所示。

圖3 區(qū)塊鏈基本架構(gòu)

數(shù)據(jù)層封裝了通過(guò)從不同應(yīng)用程序以塊或事務(wù)的形式生成的數(shù)據(jù)。兩方之間的交易進(jìn)行驗(yàn)證并裝入一個(gè)區(qū)塊中，下一個(gè)區(qū)塊總是指向前一個(gè)區(qū)塊，從而產(chǎn)生塊的有序列表。網(wǎng)絡(luò)層定義了區(qū)塊鏈?zhǔn)褂玫木W(wǎng)絡(luò)機(jī)制。該層的目標(biāo)是傳播從數(shù)據(jù)層生成的數(shù)據(jù)。通常可以將網(wǎng)絡(luò)建模為P2P網(wǎng)絡(luò)，其中對(duì)等方是參與者，一旦生成交易，區(qū)塊將被分發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)，并且僅轉(zhuǎn)發(fā)有效的交易。共識(shí)層由共識(shí)算法組成，從而在分散環(huán)境中的不信任節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成共識(shí)。

在現(xiàn)有系統(tǒng)中，存在三種主要的共識(shí)機(jī)制：工作量證明(PoW)權(quán)益證明(PoS)和實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(PBFT)。賬本拓?fù)鋵又饕谴鎯?chǔ)共識(shí)層產(chǎn)生的認(rèn)證數(shù)據(jù)。除了圖3所示的傳統(tǒng)區(qū)塊鏈(主鏈)結(jié)構(gòu)外，一些新的鏈拓?fù)淠軌虼蟠笤鰪?qiáng)區(qū)塊鏈的可擴(kuò)展性。例如，閃電網(wǎng)絡(luò)可以提供小額支付渠道來(lái)發(fā)送交易，其價(jià)值轉(zhuǎn)移發(fā)生在區(qū)塊鏈之外。激勵(lì)層集成了經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施，以激勵(lì)節(jié)點(diǎn)做出自己的努力來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)。這對(duì)于保持分散的區(qū)塊鏈系統(tǒng)在沒有中央授權(quán)的情況下整體運(yùn)作至關(guān)重要。

在比特幣和以太坊中，比特幣和以太幣將作為獎(jiǎng)勵(lì)，向在鏈中添加區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。除了獎(jiǎng)勵(lì)外，存款和罰款都被引入到區(qū)塊鏈中以保護(hù)外包計(jì)算。智能合約層將可編程特性帶入?yún)^(qū)塊鏈。比特幣腳本提供了多種花費(fèi)硬幣的方式?；旧希聞?wù)的每個(gè)輸入都連接到先前的輸出，并且在輸入的輸入給出給定簽名的情況下，當(dāng)輸出的腳本評(píng)估為true時(shí)，該連接才有效。在以太坊中，作為功能強(qiáng)大的腳本的智能合約是一組狀態(tài)響應(yīng)規(guī)則，用于在用戶之間自動(dòng)轉(zhuǎn)移數(shù)字資產(chǎn)，而不僅僅是貨幣。區(qū)塊鏈的最高層是應(yīng)用程序，包括加密貨幣，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)，智能城市等，這些應(yīng)用程序可能會(huì)革新金融，管理和制造等許多領(lǐng)域。然而，區(qū)塊鏈仍處于起步階段，學(xué)術(shù)界和行業(yè)都在嘗試深化該技術(shù)以支持這些高級(jí)應(yīng)用程序。區(qū)塊鏈被認(rèn)為是“下一代顛覆式創(chuàng)新技術(shù)”，作為分布式記賬系統(tǒng)的核心技術(shù)，區(qū)塊鏈被認(rèn)為在金融、物聯(lián)網(wǎng)、商業(yè)貿(mào)易、征信、資產(chǎn)管理等眾多領(lǐng)域都擁有廣泛的應(yīng)用前景。

區(qū)塊鏈技術(shù)尚處于快速發(fā)展的早期階段，涉及分布式系統(tǒng)、密碼學(xué)、博弈論、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等諸多學(xué)科知識(shí)。其核心優(yōu)勢(shì)就是通過(guò)去中心化，運(yùn)用數(shù)據(jù)加密、時(shí)間戳、分布式共識(shí)等手段，構(gòu)建全新信任機(jī)制和高效協(xié)同機(jī)制，從而催生諸多全新的應(yīng)用場(chǎng)景。

二者結(jié)合賦能新模式

2018年中科院計(jì)算技術(shù)研究所信息技術(shù)戰(zhàn)略研究中心發(fā)布的《邊緣計(jì)算技術(shù)研究報(bào)告》中提到的內(nèi)容：“邊緣計(jì)算目前的推進(jìn)有一問題，海量的、分布式計(jì)算結(jié)果不用上傳到云平臺(tái)上，但云平臺(tái)后期要追溯某個(gè)計(jì)算的數(shù)據(jù)，就沒有辦法實(shí)現(xiàn)?！贝藞?bào)告認(rèn)為，區(qū)塊鏈技術(shù)有望突破邊緣計(jì)算這一技術(shù)瓶頸，并將加速物聯(lián)網(wǎng)去中心化的趨勢(shì)。區(qū)塊鏈為什么可以和邊緣計(jì)算結(jié)合?因?yàn)檫吘売?jì)算面臨著安全的挑戰(zhàn)。我們知道，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，大量部署在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心、云內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施(存儲(chǔ)、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò))將不可避免的被推出機(jī)房，重新部署在邊緣和終端設(shè)備上。這樣發(fā)展的結(jié)果就是大量邊緣設(shè)備缺少機(jī)房的物理屏障，并且部署在防火墻外，將面臨以下嚴(yán)重的安全挑戰(zhàn)：

很多邊緣設(shè)備內(nèi)部是計(jì)算能力較弱的嵌入式芯片系統(tǒng)，很難實(shí)現(xiàn)自我安全保護(hù)，容易成為黑客的接入點(diǎn)。

邊緣或終端設(shè)備可自組織地加入某一物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng);

系統(tǒng)缺乏對(duì)設(shè)備的控制權(quán)，進(jìn)而缺乏對(duì)惡意設(shè)備的識(shí)別及防范能力。

所以這個(gè)時(shí)候，區(qū)塊鏈最顯著的數(shù)據(jù)永久保存和防篡改就排上了用場(chǎng)。幸運(yùn)的是，作為大規(guī)模分布式去中心化系統(tǒng)，區(qū)塊鏈通過(guò)哈希鏈及共識(shí)算法，提供了數(shù)據(jù)永久保存及防篡改特性，可以有效地輔助解決物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算環(huán)境中各類安全問題。此外，通過(guò)有效利用區(qū)塊鏈的去中心化特性，亦可以構(gòu)建去中心化文件系統(tǒng)、去中心化計(jì)算系統(tǒng)等，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供有效支撐。邊緣計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)，一般是分布式的，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中也存在著不同的節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)也運(yùn)行著這樣或者那樣的運(yùn)算服務(wù)，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備不僅僅有專用設(shè)備，甚至有的邊緣計(jì)算項(xiàng)目也提供了更多的小型設(shè)備專用軟件，如小米、tplink等智能路由器可以刷的openwrt固件、各種品牌電視盒子使用的安卓系統(tǒng)、樹莓派運(yùn)行的Linux系統(tǒng)等等，而在這些小型系統(tǒng)之中完全可以根據(jù)設(shè)備實(shí)際網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)大小等分配一定的計(jì)算任務(wù)，這些計(jì)算設(shè)備利用一定的資源完成任務(wù)，最后獲得一定的代幣獎(jiǎng)勵(lì)，這也是最簡(jiǎn)單的邊緣計(jì)算模式，再利用區(qū)塊鏈的智能合約、分布式記賬機(jī)制和token形式的通證，完全可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)，甚至一些特殊算法的挖礦設(shè)備也可以利用邊緣計(jì)算的模式進(jìn)行人工智能加速。圖4展示了區(qū)塊鏈在邊緣計(jì)算中應(yīng)用的簡(jiǎn)單示意圖。

圖4 區(qū)塊鏈賦能邊緣計(jì)算

智慧家居作為一個(gè)邊緣計(jì)算的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，利用區(qū)塊鏈技術(shù)能夠提升系統(tǒng)整體的安全性和可信性。如果要減少中心化的智慧家居的負(fù)面影響，就需要引入去中心化的區(qū)塊鏈技術(shù)。因?yàn)橹腔奂揖拥脑O(shè)備都具有邊緣計(jì)算能力，以區(qū)塊鏈作為各設(shè)備彼此連接與交互的基礎(chǔ)，可以保證所有設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的地位都是平等的，廠商們將專注于自家設(shè)備的精進(jìn)而無(wú)需分心考慮爭(zhēng)奪智慧家居的制高點(diǎn)，智慧家居的單一最高控制權(quán)也將完全回歸用戶手中。區(qū)塊鏈的加密與共識(shí)機(jī)制，能夠保障設(shè)備之間的連接與交互不以犧牲網(wǎng)絡(luò)整體的最大利益為代價(jià)。因此，即使個(gè)別設(shè)備被人駭進(jìn)控制，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不會(huì)因此的淪陷，同時(shí)，也能夠迅速將被滲透節(jié)點(diǎn)隔離出網(wǎng)絡(luò)、不影響其他節(jié)點(diǎn)繼續(xù)正常工作，更不會(huì)存在任何DDoS攻擊的空間。

道阻且長(zhǎng)

尋找邊緣計(jì)算與區(qū)塊鏈技術(shù)的關(guān)聯(lián)與結(jié)合也許是一個(gè)新的突破口。然而，邊緣計(jì)算和區(qū)塊鏈的結(jié)合在目前并不是完美的。邊緣計(jì)算和區(qū)塊鏈在各自應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程中，雖成果可觀，但也長(zhǎng)期存在著大大小小的問題。邊緣計(jì)算作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)υ朴?jì)算的補(bǔ)充，除數(shù)據(jù)追溯問題外，在算力通用性、付費(fèi)模式以及數(shù)據(jù)安全方面的問題著實(shí)令人頭疼。區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的結(jié)合則始終面臨著服務(wù)托管、計(jì)算性能、響應(yīng)時(shí)間和海量存儲(chǔ)等方面的困擾。在邊緣計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景下，解決數(shù)據(jù)安全、計(jì)算資源分配不均等問題須盡快提上日程。針對(duì)邊緣計(jì)算服務(wù)器實(shí)際計(jì)算力的局限性和物聯(lián)網(wǎng)的私有性特質(zhì)，相關(guān)研究表示，“白名單制”是現(xiàn)下較為現(xiàn)實(shí)可行的解決辦法，即省略“挖礦”達(dá)成共識(shí)機(jī)制的過(guò)程。但這也意味著，一旦有其他設(shè)備冒充物聯(lián)網(wǎng)終端白名單設(shè)備與移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行交互，安全隱患也將大大增加。另外，由于移動(dòng)物聯(lián)設(shè)備本身PoW能力較弱，甚至不具備挖礦能力，這便要求移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器的參與。然而，當(dāng)眾多物聯(lián)終端委托統(tǒng)一的邊緣計(jì)算服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算時(shí)，資源分配該如何實(shí)現(xiàn)?又該通過(guò)怎樣的共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)最優(yōu)應(yīng)用?“邊緣計(jì)算+區(qū)塊鏈”的嘗試依然任重道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] (Dorri, Kanhere et al. 2016, Li and Zhang 2017, Casado-Vara, de la Prieta et al. 2018, Liu, Yu et al. 2018, Seitz, Henze et al. 2018, Yang, Yu et al. 2019)

[2] Casado-Vara, R., et al. (2018). Blockchain framework for IoT data quality via edge computing. Proceedings of the 1st Workshop on Blockchain-enabled Networked Sensor Systems, ACM.

[3] Dorri, A., et al. (2016). "Blockchain in internet of things: challenges and solutions." arXiv preprint arXiv:1608.05187.

[4] Li, C. and L.-J. Zhang (2017). A blockchain based new secure multi-layer network model for Internet of Things. 2017 IEEE International Congress on Internet of Things (ICIOT), IEEE.

[5] Liu, M., et al. (2018). "Distributed resource allocation in blockchain-based video streaming systems with mobile edge computing." IEEE Transactions on Wireless Communications 18(1): 695-708.

[6] Seitz, A., et al. (2018). Fog Computing as Enabler for Blockchain-Based IIoT App Marketplaces-A Case Study. 2018 Fifth International Conference on Internet of Things: Systems, Management and Security, IEEE.

【本文為51CTO專欄作者“中國(guó)保密協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)分會(huì)”原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者】

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[7] Yang, R., et al. (2019). "Integrated blockchain and edge computing systems: A survey, some research issues and challenges." IEEE Communications Surveys & Tutorials 21(2): 1508-1532.

[8] 洪學(xué)海, 汪洋, 郭樹盛. 邊緣計(jì)算技術(shù)研究報(bào)告[EB/OL] http://www.cnic.cas.cn/xwdt/yfdt/201811/P020181108393346075254.pdf. 2018,2