边缘计算:
原理、技术与实践

该书从“边缘计算”这一名词的出现开始讲起,重点介绍了边缘计算的概念原理,并且从真实系统运行的视角解剖了边缘计算的关键技术过程,解答了边缘计算“是什么”、“为什么”、“怎么办”三个关键的基础性问题,并在阐述技术过程的基础上,同时提供了系统实现的手段和做法。

作者序

物联网从诞生以来,已经晃晃悠悠地走过了20个年头,期间有高峰、有低谷,但已时至今日了,物联网的发展似乎总还是让人不那么满意——说了这么久,物联网到底在哪呢?什么时候我的茶壶能够自己协调好开水、茶叶、茶具,然后像一位贴心的管家一样帮我泡好一杯茶呢?
可见,物联网虽然名称叫“网”,但却远远不只是一个“网”,它的实现涉及到对物理世界的全方位改造:即除了给万物增加“感知”(传感)和“交流”(通信组网)能力之外,还要增加“思考”(复杂运算)的能力。只有具备了这三方面基础,我们上面关于茶壶的畅想才可能变为现实。考虑到集成电路的发展历史,如果能够一直沿着摩尔定律的轨迹将芯片体积持续缩小,那么总有一天,我们能够具备“体积无限小、能力无限大”的嵌入式芯片,从而让各类微小的物联网设备具备复杂运算的能力。然而,现状却事与愿违,摩尔定律已经失效,各类计算需求的复杂度却仍在高速增加。
为解决这个问题,另一个思路则是为物联网设备提供无处不在的额外计算资源,让物联网设备在自身能力受限的情况下,可以将复杂的计算任务交给这些额外资源来应对,这一思路就是边缘计算。可以说,边缘计算是让世间万物具备“思考”能力的关键手段。试想,当边缘算力与网络相伴相生,我们相当于随时随地具有一台高性能计算机可供使用,只要有边缘网络,那么我们可以在手机上玩“3A”游戏大作,小小茶壶也可以识别复杂环境,查找并协调泡茶必备的各个材料,各种各样体积微小的物联网设备能够应对复杂的计算和逻辑推理。让计算需求随时随地得到及时的处理,是边缘计算的重要使命。
当前的边缘计算正处于思想碰撞、快速演进的重要时期,不同机构从不同角度对其进行了定义和产业化的探索。例如电信运营商关注的重点在于算力的铺设,软件厂商关注的重点在服务的管理,硬件厂商关注的重点在专用的边缘设备,科研界则关注新型架构及优化算法等。正因为如此,边缘计算对于一般读者而言可能显得有些“云里雾里”——边缘计算概念似乎无处不在,云计算、人工智能、物联网等等,似乎所有这些领域都多出了一个边缘计算的课题,但这些领域的课题却都无法充分刻画边缘计算的全貌。
这本书的目的正在于此:对边缘计算的底层逻辑和思想概念进行梳理,让一般读者对边缘计算具备准确、全面的认识,了解边缘计算的发展历程、原理技术、前沿进展以及实践方法。本书从用户视角对边缘计算的原理技术展开介绍(如图所示),从前端设备向边缘计算设备发起请求开始,伴随着一次完整的边缘计算过程来介绍各项关键技术原理,以及相关理论和技术方法。最后,本书针对两类典型的边缘计算场景,讨论了如何实现一个初步的边缘计算原型系统,帮助读者快速体会边缘计算理论方法的系统落地。本书配备全套的教学讲义、课后习题及答案、系统源码,可供读者使用。


本书的逻辑架构

在决定撰写此书后,我与闵革勇老师怀着激动的心情与团队的师生探讨,大家都表现出了很高的热情,投入了大量时间精力。舒畅、刘长胜、高伟峰、丛荣、毛文量、莫继为、胡诗琦、冯思林、张健飞在各自擅长的领域纷纷贡献了他们对边缘计算技术的见解和思路,这对于本书的顺利成文形成十分重要的参考和支撑。李经纬同学将书中的插图进行了风格美化和统一、胡诗琦同学极有耐心地规范了书中的诸多格式问题,让这本书阅读起来更加顺畅美观。
同时,要着重感谢机械工业出版社李永泉编辑,正是他的热情邀请才促使我们下定决心来完成这本书。不仅如此,在出版过程当中李编辑不断地与我讨论诸多细节和琐碎的问题,对这本书的顺利出版和质量保障起到了至关重要的作用。
边缘计算仍处在快速发展的过程当中,知识翻新速度很快,本书难免存在纰漏,恳请读者批评指正。

赵志为
2021年7月 于清水河畔