物聯(lián)網(wǎng)的邊緣計算

IoT后面的發(fā)展就是人們非?？春眠吘売嬎?。什么是邊緣計算呢？美國韋恩州立大學(xué)施巍崧教授在《Edge Computing： Vision and Challenges》論文當(dāng)中給出邊緣計算的定義：邊緣計算是一種可以在網(wǎng)絡(luò)的邊緣完成的計算技術(shù)，這種技術(shù)和平臺在云和IoT設(shè)備之間上傳和下載數(shù)據(jù)，以平衡系統(tǒng)的計算、實時性、功耗和安全方面的需求 。

為什么要使用邊緣計算？這里有三大要素：能耗、帶寬和隱私。最早去踐行邊緣計算的企業(yè)是美國的通用電氣（GE）。GE是一家工業(yè)設(shè)備的巨頭，它對邊緣技術(shù)的定義是這樣的：靠近數(shù)據(jù)源存在的計算基礎(chǔ)設(shè)備，例如工業(yè)控制器和來自各種設(shè)備傳感器的數(shù)據(jù)集合，這些設(shè)備通常遠(yuǎn)離云計算中心。

邊緣計算的三大要素，第一是安全和隱私，因為有時候設(shè)備廠商不太希望把產(chǎn)生的設(shè)計數(shù)據(jù)放到云端。第二是能耗，如果我們使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）的深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）的AI方法，如果將數(shù)據(jù)訓(xùn)練和模型推理都在云端服務(wù)器上完成，無論算得如何快，都將導(dǎo)致在云端和設(shè)備端直接、大量和反復(fù)地傳遞數(shù)據(jù)，這樣消費(fèi)的能耗和帶寬都將是巨大的，而且傳輸中的數(shù)據(jù)延遲可能會造成系統(tǒng)實時性降低。如果我們將數(shù)據(jù)訓(xùn)練和模型推理放在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣，實時性或許可以解決，但是在設(shè)備端，無論算力和能耗都是無法承受的。要想滿足這三大要素，邊緣計算將是比較好的解決方案，即將數(shù)據(jù)訓(xùn)練繼續(xù)放在云端，模型推理放在邊緣計算端，這樣可以平衡實時性、安全隱私和能耗的需求。

傳統(tǒng)的嵌入式企業(yè)，像恩智浦（NXP）是邊緣計算的積極倡導(dǎo)者，研華公司也是早期就做邊緣計算設(shè)備的企業(yè)。需要指出的是，邊緣計算設(shè)備一般會安裝在系統(tǒng)傳感和執(zhí)行端，多數(shù)邊緣計算設(shè)備是嵌入式系統(tǒng)。從物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)角度看，邊緣計算設(shè)備是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個組成部分，不能單獨(dú)存在，需要云計算和人工智能技術(shù)的支撐和服務(wù)。邊緣計算技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)目前處在初期階段，云計算、通信設(shè)備和嵌入式企業(yè)非常關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展是邊緣計算興起的最大推手。

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大致分成兩個時期，第一個時期是從互聯(lián)走向智能，第二個時期從智能走向自治。目前大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)項目還是處于第一個時期，正進(jìn)入第二個時期，邊緣計算將發(fā)揮重要作用，邊緣計算也將迎來快速發(fā)展的時期，人工智能正向邊緣和終端側(cè)延展，嵌入式人工智能時代將要來到。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺

IoT云平臺就是物聯(lián)網(wǎng)的云端，我們稱之為IoT云。過去幾年，IoT的云平臺發(fā)展得比較順利，趨于成熟。云計算可分為軟件即服務(wù)（SaaS），平臺即服務(wù)（PaaS）和基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù)（IaaS）。IoT云平臺符合PaaS的定義。IoT借助云計算的快速發(fā)展。目前來看，IoT的云平臺方面，各個IT大佬在跑馬圈地，我們可以看到國內(nèi)和國際的IT企業(yè)都在做這件事情，以前我們會看到一些在美國和中國的創(chuàng)業(yè)公司專門做IoT云，像廣州機(jī)智云，但現(xiàn)在還繼續(xù)在做IoT云的創(chuàng)業(yè)公司已經(jīng)很少了。

現(xiàn)在IT大佬已經(jīng)把觸角往下探了，他們甚至去投資一些IoT芯片和模組的公司，還有物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（IoTOS），例如阿里已經(jīng)投資到IoT OS，產(chǎn)品是，阿里希望阿里云能夠通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)通到模組和傳感器，能夠把客戶的數(shù)據(jù)拿到?？蛻艨梢宰砸幌?，諸如百度云、阿里云或者亞馬遜云，剛開始可能半年或者一年，或者用戶的節(jié)點(diǎn)很少的時候，全部是免費(fèi)。只有當(dāng)這位用戶的數(shù)據(jù)量上來之后，才有收費(fèi)的模式。所以這個領(lǐng)域在跑馬圈地，真正大數(shù)據(jù)的經(jīng)濟(jì)效益還在后面。

物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)未來趨勢就是向IoT OS發(fā)展。

2017年，筆者在《嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄：歷史的演進(jìn)與物聯(lián)網(wǎng)未來》一書中，把這段歷史作了比較詳盡的描述，其中嵌入式操作系統(tǒng)和IoT OS銜接最緊密的是實時多任務(wù)的操作系統(tǒng)（RTOS）和開源的Linux ［4］ 。

過去幾年 IoT 成為重要風(fēng)口，眾多國內(nèi)外科技巨頭以及中小企業(yè)開展了在 IoT 方面的布局，阿里云稱IoT 是其第五賽道，以阿里云為支撐，在端側(cè)有，在其上阿里有物聯(lián)網(wǎng)市場和一站式開發(fā)平臺，再上面就是包括消費(fèi)和行業(yè)應(yīng)用。華為布局AIoT， 推出標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在端側(cè)，華為有Huawei LiteOS，端云結(jié)合是通過OceanConnect，它是華為云推出的IoT聯(lián)接管理平臺。行業(yè)應(yīng)用上，華為重點(diǎn)推廣NB-IoT。

亞馬遜推出Amazon FreeRTOS ，借助嵌入式系統(tǒng)最具影響力的RTOS- FreeRTOS，亞馬遜擴(kuò)展其在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的市場地位，借助AWS IoT云和邊緣計算技術(shù)，為開發(fā)者提供一站式解決方案 ［5］ 。

微軟在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端布置Azure Sphere OS，可以運(yùn)行在MCU上，邊緣側(cè)微軟有Azure IoT Edge，可以運(yùn)行在Linux 和Windows 系統(tǒng)，在云端微軟有，負(fù)責(zé)對IoT設(shè)備進(jìn)行安全管理和維護(hù)。

是最早推出的IoT OS，在行業(yè)具有標(biāo)桿作用。2018年ARM 推出ARM Pelion IoT Platform，提供端-端IoT 安全解決方案。據(jù)悉Pelion計劃在2019年在中國落地 ［6］ 。

物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)

我們看一下物聯(lián)網(wǎng)的通訊技術(shù)，這幾年有許多新的發(fā)展。

第一個就是藍(lán)牙5.0。藍(lán)牙是一個古老的點(diǎn)到點(diǎn)近場通訊技術(shù)，到了藍(lán)牙5.0之后，藍(lán)牙技術(shù)真正進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)時代，許多智能家居應(yīng)用可以使用藍(lán)牙5.0技術(shù)了。

第二就是NB-loT，是4G網(wǎng)絡(luò)到5G發(fā)展之后出現(xiàn)的一個分支——一個分支走向高速高帶寬、另一個分支走向低速低功耗。NB-IoT技術(shù)目前發(fā)展得也非?？?，特別是在中國，中國電信、中國移動和中國聯(lián)通目前在主要的城市都有網(wǎng)絡(luò)的布置，包括水、電和氣在內(nèi)的公共服務(wù)和其他應(yīng)用正在實施之中。5G應(yīng)該能夠推動兩大應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，第一個是無人駕駛。如果沒有5G，無人駕駛基本上不太可能。例如一輛無人駕駛車在道路上高速行駛，突然遇到行人沖到主路，這時系統(tǒng)需要在很短時間內(nèi)做出識別并剎車動作，如果沒有5G的網(wǎng)絡(luò)，無人駕駛就連基本安全保障也很難做到，一直會屬于實驗室，或者某個園區(qū)里面實驗產(chǎn)品。

另外一個5G的重要應(yīng)用場景就是AR（增強(qiáng)現(xiàn)實）

和VR（虛擬現(xiàn)實）。AR在設(shè)備維護(hù)等行業(yè)應(yīng)用中，現(xiàn)在4G的帶寬對智能AR眼鏡功耗和延遲都是太大，智能眼鏡因為尺寸限制，只能放一個很小的電池，延遲大造成專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)效果失真，直接造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

物聯(lián)網(wǎng)安全

2016年10月21日，北美地區(qū)若干重要網(wǎng)站無法正常訪問，包括twitter、paypal、github等。本次安全事件是由于美國知名網(wǎng)絡(luò)域名服務(wù)提供商Dyn遭受到強(qiáng)力的DDoS攻擊所致。Flashpoint公司已經(jīng)確認(rèn)Mirai僵尸網(wǎng)絡(luò)參與了該DDoS攻擊。Mirai是一種主要感染IoT設(shè)備的僵尸程序，該僵尸程序在源碼公開后，被黑客快速利用并擴(kuò)散形成了大量的僵尸網(wǎng)絡(luò)。

全球已有130萬臺以上的監(jiān)控探頭和攝像機(jī)等物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備感染了Mirai病毒。Mirai之后，大家才開始認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)安全確實已經(jīng)刻不容緩。IoT安全漏洞的案例很多，小到玩具，大到工業(yè)設(shè)備都面臨了IoT安全隱患。

從2015年開始，筆者一直主持上海一個嵌入式系統(tǒng)安全論壇。筆者有一個感受，就是IoT安全不好做，如果只是一家公司則做不了安全，IoT安全需要整個產(chǎn)業(yè)鏈，需要從芯片到云端的整體解決方案，即大家一起來打造安全，甚至包括開發(fā)者和維護(hù)人員都要有這種安全的意識，才能使整個設(shè)備和系統(tǒng)安全。

另外一個關(guān)鍵的點(diǎn)是未來的物聯(lián)網(wǎng)只有設(shè)備本身的功能安全（Safety）還不夠，信息安全（Security）講得也不夠。這兩個安全現(xiàn)在目前的看法就是要融合在一起。最近有一個新的工業(yè)信息安全的標(biāo)準(zhǔn)（IEC62443），西門子已經(jīng)剛剛通過了TUV組織的認(rèn)證。IEC62443把兩個安全標(biāo)準(zhǔn)融合在一起，作為一個實施準(zhǔn)則來做，現(xiàn)在看 IoT的安全任重道遠(yuǎn)，甚至可能是一個最后要攻下的堡壘，最難做的一件事情。