边缘计算 课件 第一章 边缘计算概述

边缘计算概述倡和正学出新明德

1.什么是边缘计算？

2.边缘计算的核心技术有哪些？

3.边缘计算的开发平台有哪些？

教师：我上课上的好累学生：可是我什么也没学会这节课的问题是什么？问题的答案是什么？什么是边缘计算？

目录1.1边缘计算定义与背景意义011.2边缘计算的体系结构021.3边缘计算的优势03041.4典型应用场景1.1边缘计算定义边缘计算（EdgeComputing）即‌一种分布式计算框架，通过在靠近数据源头的网络边缘侧（如物联网设备或本地服务器）就近处理数据，以减少延迟、优化带宽并提升实时性和安全性‌，其核心是将计算能力从云端下沉到网络边缘，以满足敏捷连接、实时业务和隐私保护等需求。‌‌边缘计算边缘计算本质上是一种云计算形式，其中计算分布在多个设备上，而不是在被称为“原始服务器”的一个位置上。近年来，感知通信技术的快速发展以及智能设备的大规模普及，人、机、物深度融合的物联网环境逐步形成。新型感知方式诸如无源感知、群智感知的出现，助力物联网突破电源、时空限制，广域覆盖与长时间持续感知成为可能。根据互联网数据中心预测，到2025年将有416亿个物联网终端联网，产生79.4ZB的数据量，几乎占全球数据量的一半。如果这些数据全部通过骨干网络传输到云端进行处理，将消耗大量的网络资源（带宽和能量），并造成网络拥塞。海量的感知数据对物联网技术的演进提出了更高的要求。1.1边缘计算产生背景1.1边缘计算产生背景另一方面，网络功能虚拟化技术以及软件定义网络技术的进步，使得传统的网络设备诸如路由器、交换机等逐渐拥有可编程功能；同时，受益于高度集成的片上系统，未来蜂窝网络中的基站和小基站也具有更加强大的处理能力。该图显示了一个三层的边缘物联网模型，最下层为各类终端组成的群智感知层，中间为边缘服务层，最上层为中心控制层。1.2边缘计算的体系结构

虚拟化基础设施可以为移动边缘应用提供计算和存储资源。

网络水平该层主要表示边缘计算工作系统与局域网、蜂窝移动网或者外部网络的接入情况。ETSI对边缘计算的网络框架和参考架构进行了定义，该框架从移动边缘系统水平、移动边缘主机水平和网络三个层次对移动边缘计算下不同的功能实体进行了划分，如图所示。移动边缘计算将计算和存储“下沉”到网络边缘，距离用户更近，用户请求不再经过漫长的网络传输到达遥远的核心网处理，而是由部署在本地的边缘计算服务器将一部分流量进行卸载，直接处理并响应用户，因此通信时延会大大降低。1.低延迟部署在移动网络边缘的边缘计算服务器对流量数据进行本地卸载，减少回程链路的带宽压力，降低发生链路拥塞和故障的可能性，极大地降低对传输网和核心网带宽的要求。2.节省宽带降低核心网的计算能耗；为用户提供缓存资源，内容的本地存储可以减少远程传输，降低传输能耗。3.高能效1.3

边缘计算的优势业务应用的本地化部署使得业务应用更靠近无线网络及用户本身，更易于实现对网络上下文信息（位置、网络负荷、无线资源利用率等）的感知和利用。4.提升用户体验

1.4典型应用场景MEC的业务应用场景主要分为面向用户、面向运营商及第三方、面向网络性能和用户体验质量提升的业务应用，如图所示。智慧城市无人驾驶智能家居现实增强（VR）边缘计算的核心技术有哪些？

核心技术核

心技

术云计算技术基础边缘服务器部署边缘内容缓存边缘计算卸载边缘智能边缘系统性能评价边缘协同虚拟化云计算软件定义网络虚拟化技术将硬件资源与软件分离，为用户提供更好的资源分区和组合方式。虚拟化技术不仅提高了MEC平台的资源利用效率，还提高了系统的可靠性和稳定性。1.虚拟化：当前多数移动应用程序都是基于云服务进行设计。C-RAN将基带处理单元等计算和存储密集型模块从基站迁移到云端，解决了基站容量有限的问题，提高了移动网络的能源效率。2.云计算：软件定义网是一种基于软件的网络架构，被应用于SD-MEC（software-definedmobileedgecomputing）中，提供了一种更加灵活的MEC网络部署和管理方式。3.软件定义网络：2.1

技术基础垂直协作：端-边-云三级协同协作优势：资源共享负载均衡提升系统容量与可靠性水平协作：边-边、端-端协同协同边缘计算包括终端设备，边缘服务器和云中心之间相互协作的垂直协作,还包括边缘层的边缘服务器之间的相互协作的水平协作。2.2边缘协同部署位置：基站、接入点、网关等关键问题：位置规划数量与成本平衡能耗优化

2.3边缘服务器部署目标：最小化延迟、最大化服务质量空间换时间，内容就近缓存。边缘缓存技术是用空间换时间的典型应用，通过使用更多的缓存空间，获取更快的通信传输速度。

原理：典型架构：CDN（内容分发网络）ICN/NDN（信息中心网络）D2D缓存（设备到设备）

典型架构：提升访问速度，减轻骨干网压力优势：2.4

边缘内容缓存定义：计算卸载是移动边缘计算的一项关键技术，是实现良好的网络性能和提高用户服务QoS的关键。关键问题：是否卸载？卸载到哪里？如何分配资源？网络系统必须要考虑边缘服务器剩余的算力资源是否满足计算任务卸载的需求，否则将会导致任务排队时延较长的问题。

2.5边缘计算卸载目标：时延、能耗、资源利用率在边缘端部署AI模型，实现本地推理与决策

定义：低延迟响应数据隐私保护减少云端依赖

优势：人脸识别、AR、工业质检等应用：2.6

边缘智能核心性能指标：传输时延数据从终端到边缘服务器的传输时间关键影响因素：网络距离、链路质量、数据处理速度能耗效率边缘节点处理任务的能量消耗优化目标：降低计算与通信能耗，实现绿色通信吞吐量单位时间内系统处理的数据量或任务数反映系统整体处理能力系统容量边缘节点支持的最大数据传输速率体现信道资源与缓存能力的综合性能

2.7边缘系统性能评价缓存相关性能指标：缓存命中率反映内容在边缘被直接响应的比例高命中率⇒低时延、高用户体验内容流行度分布决定缓存策略（如多副本存储热门内容）影响系统整体效率与资源利用率

2.7边缘系统性能评价协作与动态性影响：节点协作效应边-边、边-云协作可提升系统容量与负载均衡缓解单点瓶颈，提升服务可靠性动态网络状态用户移动性、内容更新、节点状态变化需动态评估性能，适应实时场景边缘计算的开发平台有哪些？

目录3.1云计算平台与Docker容器

013.2Kubernetes容器编排平台023.3KubeEdge边缘计算平台03云计算定义：云计算平台是一种通过互联网提供计算资源、存储资源和其他IT服务的平台，用户可以通过互联网按需使用这些资源，而不需要拥有或管理底层的物理硬件设备。特点：云平台将计算、存储、网络等基础设施资源虚拟化，并通过网络进行访问

3.1云计算平台与Docker容器云平台的架构：基础设施即服务（InfrastructureasaService,IaaS）、平台即服务（PlatformasaService,PaaS）和软件即服务（SoftwareasaService,SaaS）三个层次。Docker容器定义：Docker是一种开源的容器化平台，能够简化应用程序的开发、部署和运行。特点：Docker容器技术启动速度更快，资源占用更少。

3.1云计算平台与Docker容器Docker架构：Docker采用的客户端-服务器架构如图所示。DockerClient是用户与Docker系统交互的接口，用户通过命令行工具发送指令来管理容器和镜像。DockerClient将请求通过RESTAPI发送给Docker守护进程，该守护进程运行在DockerHost上。DockerHost是实际执行容器的宿主机，安装了DockerEngine，负责管理容器的生命周期，包括容器的创建、启动、停止等操作。这种架构设计确保了Docker容器技术的高可用性和可扩展性，为容器化应用的部署和维护提供了基础。定义：

Kubernetes是由Google开发的开源容器编排平台，用于自动化部署、扩展和管理容器化应用。核心功能：通过容器编排提高容器化应用程序的可管理性和可伸缩性，尤其是在大规模微服务架构中。

3.2Kubernetes容器编排平台Kubernetes整体架构：主要由控制平面和Worker工作节点组成，如图所示。Kubernetes支持多种容器运行，例如Docker、Containerd和CRI-O。定义：KubeEdge是由华为开发的开源云原生边缘计算平台，2024年10月正式从云原生计算基金会（CNCF）毕业。核心功能：支持大规模边缘节点的数据采集、实时处理和智能分析等功能，为智能交通、智慧医疗、工业物联网等多种场景提供高效、可靠和安全的边缘计算解决方案。3.3KubeEdge