- 新一代物联网架构技术：分层算力网络
- 陈南希 刘军 杨旸编著
- 2196字
- 2021-02-08 16:43:47
序言
物联网是指通过传感设备将物体连入互联网，进行信息的采集、交换和通信，以实现智能识别、定位、监控和管理等功能的一种网络。随着技术的进步，物联网从概念提出一步步地走向了成熟应用。目前，智慧城市、智能家居等物联网应用已逐渐普及，万物智能互联产生的数据量越来越庞大，因此对计算资源及计算能力提出了更高的要求。云计算作为可以随时获取、按需使用、随时扩展的软硬件平台，在一段时间内曾充分满足了物联网终端设备的资源期待，成为物联网的主要支撑技术。现实生活中的各种实时信息都可以由传感器检测，通过网络上传到云端进行分析、计算，再将结果反馈到各个终端，使人们能够以更加精细和动态的方式管理生产和生活。目前，物联网已经扩展到能源、交通、通信、环保、安防、商业、金融、家居、食品、医疗和教育等各个领域，与各个行业深度融合，带来了颠覆性的创新，催生了巨大的市场。
但新的市场和技术的发展也使得物联网终端的数量飞速增长，随后增长的是对云上数据计算的需求。设备不断产生实时数据，越来越多的数据集中在云端，而云计算数据中心的增长速度远远落后于数据处理需求的增速。终端设备能够从云端获取的内存、CPU和带宽等计算、通信资源开始捉襟见肘，造成目前市场上智能终端设备数据处理实时性不足，且难以支撑人工智能等计算开销较大的全新数据处理技术。因此，云计算已经不能满足物联网发展多样化、智能化的需求，而以雾计算（Fog Computing）、边缘计算技术为代表的新一代分层算力网络架构应运而生。
这些算力分层技术的核心是将数据处理过程分散于网络架构中各个层级的设备中，而不是集中于网络中心的云计算数据中心，是面向物联网的分布式数据处理架构。目前关于雾计算和边缘计算技术的理论研究和实际应用已经表明，这种处理数据的方式能够有效解决现有物联网中存在的问题，能够大大提高大数据与人工智能时代的数据处理速度，满足数据实时性要求。
虽然以算力分层技术为代表的新一代物联网架构目前已有大量的理论研究，也出现了诸如Kinetic、Cloud IoT Edge等雾计算、边缘计算平台，但是很多人对其概念还没有完整和系统的理解，对其核心技术和架构的了解不够深入、全面。本书在剖析新一代物联网架构技术的基础上，梳理出一条循序渐进的知识路线，详细阐述其中的关键技术，进一步探讨其研究领域和应用领域的科学技术问题。希望可以帮助广大读者了解分层算力网络，并且通过学习其基础架构，理解其运行模式。此外，书中介绍了分层算力网络的商业模式并提供了应用案例，希望能够引起更多相关技术人员、行业投资者的兴趣，加入新一代物联网架构技术的浪潮中来。
本书一共包含9章。
第1章介绍分布式物联网架构的技术演进，主要介绍了相关背景与基本概念，用简单的例子阐述该架构下的物联网应用，使读者对分层算力网络及其在物联网中的作用有一个初步的认知，并重点介绍雾计算这一分层算力网络的代表性架构技术。在后续章节中，用雾计算指代这些以雾计算和边缘计算为代表的架构技术。
第2章主要介绍雾计算的功能，分析了雾计算的发展趋势，表明雾计算技术势不可当，最后介绍现有网络中的挑战，为相关研究提供了方向。读者将在本章了解相关概念和工作原理，并了解该架构能够解决的问题。
第3章介绍雾计算中的资源和服务，进而介绍其潜在商业价值。
第4章到第6章我们以国际雾计算产学研联盟（OpenFog Consortium）[1]向电气电子工程师学会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）提交的开放雾计算参考架构标准（简称OpenFog参考架构）为基础展开。需要注意的是，OpenFog联盟已于2019年正式并入工业互联网联盟（Industrial Internet Consortium，IIC）。在IIC倡导下，雾计算与边缘计算融合发展，共同作为物联网的基础架构。这部分内容中，第4章简要介绍OpenFog参考架构，通过这一典型雾计算系统模型，让读者对雾计算的平台有更深刻的理解。第5章介绍节点与网络，包括雾计算的网络设施、节点计算、分布式存储以及节点安全。第6章介绍雾计算平台的软件实现，包括一些技术细节。
第7章介绍一些最新的雾计算与边缘计算技术平台，让读者了解前沿技术及其应用，为相关从业者提供研究方向上的参考。熟悉了这些平台以后，读者就可以尝试构建自己的物联网系统。
第8章介绍雾计算的工业标准，以及与雾计算架构技术相关的一些关联标准，使读者可以了解雾计算理论及其应用的各类规范。
第9章展示一些应用实例，详细阐述雾计算在交通、视觉安全和监控、智慧城市等方面的应用，展现应用雾计算带来的优势。同时展望雾计算技术带来的改变和未来发展趋势。
本书力求简洁和实用，以理论加实例的方式向读者展现雾计算的本质，以及目前关于雾计算的最新研究和应用成果，有一定计算机专业背景的读者可以通过本书快速了解新一代物联网技术的基本架构、前沿技术、商业模式及大量的最新技术平台。本书可供物联网从业者、投资者了解技术发展前景，也可作为技术人员深入研究物联网架构技术的参考材料。
本书主要由中国科学院上海微系统与信息技术研究所的陈南希博士负责。同时参与撰写的还有思科（中国）有限公司的刘军先生，他有多年主持各类雾计算应用项目的经验，为本书提供了多个经典案例。上海科技大学杨旸教授整理了大量OpenFog联盟与IIC在雾计算方面的最新研究进展。参与本书审校的人员还有王旭博士、苗续芝、徐小波、张柔佳、陈超、周道远等同事、同学，在此衷心感谢大家在本书写作过程中提供的帮助。
鉴于作者水平有限，本书难免有疏漏或者不妥的地方，欢迎各位读者批评指正。
[1]下文简称该联盟为OpenFog联盟，涉及其标准、模型等仅冠以OpenFog