边缘计算（计算机技术开发与应用丛书）

边缘计算是为计算机科学与技术、信息安全、物联网工程、软件工程等专业本科生开设的一门学科基础选修课，旨在使学生了解当前物联网行业发展新技术，并能够正确认知其发展方向。本教材以当前万物互联的环境为背景，结合5G网络发展，系统讲述了边缘计算的基本概念、相关技术及应用模型，介绍了云计算、雾计算、移动边缘计算等相关技术，并结合范例分析边缘计算技术发展及应用现状，同时提出了边缘计算领域的一些机遇和挑战。每章均有小结，使读者对各章的内容能清楚地理解和掌握。

全书共7章，分别介绍边缘计算的基本概念、系统架构、相关技术、边缘计算与云计算、边缘计算与雾计算、移动边缘计算及边缘计算范例。本书章节安排合理，在多年为物联网工程专业本科生教学的基础上，由浅入深、理论联系实际，将边缘计算的基本概念及原理系统地呈现给学生。本书涉及的内容广泛、技术思想凝练，突出核心原理和关键技术的阐述，在编写过程中力求做到内容充实新颖，既可满足计算机相关专业本科生的需要，也可作为从事边缘计算相关工作的专业人士参考读物，使读者在学习中增强对边缘计算的了解并掌握相关技术。

方娟，北京工业大学教授、博士生导师，北京市课程思政教学名师。现任北京工业大学信息学部副主任、计算机学院体系结构研究所所长、一流本科专业建设点负责人，信息技术新工科产学研联盟理事，北京物联网学会理事，中国计算机学会高级会员，中国电子学会高级会员。曾于2005年和2012年两次受国家留学基金委（CSC）资助赴美国进行学术交流访问两年，并多次赴美国、澳大利亚、荷兰、中国香港等国家和地区交流或访问。曾获北京市优秀人才、北京市中青年骨干称号。长期从事高性能计算、异构智能计算、边缘计算等领域的教学和科研工作，近年来主持国家自然科学基金、北京市自然科学基金等科研项目40余项，发表 SCI / EI 论文80余篇，授权国家发明专利27项，国际发明专利1项，参加3项国家标准制定，1项专利成果转化。主编和参编教材10余部，译著2部。

陆帅冰，北京工业大学信息学部教师，2019年6月获吉林大学工学博士学位。研究方向为计算机体系结构、边缘计算。

目录

第1章边缘计算

1．1什么是边缘计算

1．2边缘计算发展历程

1．2．1云服务推送

1．2．2物联网中的延伸

1．2．3数据使用者到生产者的转变

1．3边缘计算发展相关模型

1．3．1分布式数据库模型

1．3．2对等计算模型

1．3．3内容分发网络模型

1．3．4移动边缘计算模型

1．4本章小结

第2章边缘计算系统架构

2．1边缘计算基本概念

2．2整体架构

2．2．1边缘计算模型及基本架构

2．2．2多层级边缘架构

2．2．3边缘协作架构

2．3卸载技术

2．4资源管理

2．5安全与隐私保护

2．6本章小结

第3章边缘计算相关技术

3．1边缘计算关键技术

3．1．1虚拟机和容器

3．1．2软件定义网络

3．1．3内容交互/分发网络

3．1．4任务单元和微数据中心

3．2边缘计算系统

3．2．1Apache Edgent

3．2．2OpenStack

3．2．3EdgeX Foundry

3．2．4Azure IoT Edge

3．2．5AWS Greengrass

3．3本章小结

第4章边缘计算与云计算

4．1云计算基本概念

4．2云模型

4．2．1云交付模型

4．2．2云部署模型

4．3云计算参考架构

4．3．1负载分布架构

4．3．2资源池架构

4．3．3动态可扩展架构

4．3．4弹性资源架构

4．3．5云爆发架构

4．3．6冗余存储架构

4．4云使能技术

4．4．1数据中心网络

4．4．2虚拟化技术

4．4．3Web技术

4．4．4多租户技术

4．4．5服务组合技术

4．5边缘计算与云计算的差异

4．5．1多维度差异比较

4．5．2边云协同

4．6本章小结

第5章边缘计算与雾计算

5．1雾计算基本概念

5．2雾计算参考架构

5．2．1OpenFog架构

5．2．2OpenFog架构实例

5．3边缘计算与雾计算的差异

5．4本章小结

第6章移动边缘计算

6．1移动边缘计算基本概念

6．2整体系统架构及组件

6．2．1系统整体架构

6．2．2系统组件详细讲解

6．35G通信技术

6．4移动边缘计算与5G

6．5移动边缘计算部署场景

6．5．1基于LTE基站部署

6．5．2基于基站汇聚点部署

6．5．3基于无线网络控制器部署

6．6本章小结

第7章边缘计算范例

7．1智慧城市

7．1．1智慧城市背景

7．1．2智慧城市的定义

7．1．3智慧城市应用

7．2智能交通

7．2．1边缘计算在智能交通领域的应用

7．2．2边缘计算在自动驾驶领域的应用

7．3智能家居

7．3．1什么是智能家居

7．3．2智能家居的边缘计算应用

7．4协同边缘

7．4．1协同边缘背景

7．4．2Firework框架

7．4．3Firework应用

7．5边缘计算机遇与挑战

7．5．1边缘计算发展前景

7．5．2未来挑战

7．6本章小结

附录A缩略词

参考文献

物联网的蓬勃发展和富云服务的成功推动了一种新计算范式的发展，即“边缘计算”。边缘计算作为一种新型计算模型，是指在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷连接、实时业务、数据优化、应用智能等方面的关键需求。边缘计算的产生为解决响应时间要求、带宽成本节省及数据安全性和隐私性等问题提供了新的方法和思路。本书介绍边缘计算的定义及边缘计算相关技术，首先以上层云计算为出发点，从多维度分析服务由中心向边缘推送的过程； 然后对一些相关案例进行研究，包括智能家居、智慧城市、协作边缘等，阐述边缘计算的概念及应用； 最后，提出了边缘计算领域的一些机遇和挑战。

本书以边缘计算技术发展为主线，从边缘计算的基本概念、系统架构、相关技术到云计算、雾计算、移动边缘计算及相关范例均做了详细说明。本书章节安排合理，作者在多年为物联网工程专业本科生教学的基础上，由浅入深、理论联系实际，将边缘计算的基本概念及原理系统地呈现给读者。

全书共分7章。

第1章介绍边缘计算概念的由来，并分别从时间和技术发展角度介绍了边缘计算的发展历程，在此基础上介绍了边缘计算发展的相关模型。第2章介绍边缘计算系统架构，在介绍边缘计算基本概念的基础上，分别介绍边缘计算模型及架构、卸载技术、资源管理及安全与隐私保护。第3章介绍边缘计算相关技术，并对新兴的边缘计算系统做概要介绍。第4章从云计算基本概念出发，介绍包括云计算基础模型、参考架构、使能技术等概念，多维度分析比较边缘计算与云计算之间的差异，并对主流的边云协同服务框架做概要介绍。第5章从雾计算基本概念出发，介绍典型的基础架构OpenFog及该架构下的应用实例，从体系结构、数据处理及数据通信三方面对边缘计算与雾计算之间存在的差异进行分析比较。第6章介绍移动边缘计算的基本概念及其整体系统架构与组件，并结合5G通信技术的发展，介绍移动边缘计算与5G技术的相互影响，同时还介绍了移动边缘计算的部分部署场景。第7章介绍基于边缘计算模型设计的若干应用场景，包括智慧城市、智能交通、智能家居等，并分析了边缘计算未来的机遇和挑战。

本书涉及的内容广泛，技术思想凝练，突出核心原理和关键技术的阐述，使读者在学习中增强对边缘计算的了解并掌握相关技术，可作为计算机科学与技术、信息安全、物联网工程、软件工程等专业的本科生和有关专业研究生的教材，也可作为从事边缘计算相关工作的专业人士的参考读物。

本书的先修课程是“计算机组成原理”和“物联网工程导论”，课程“边缘计算”也可以与“计算机系统结构”“操作系统”“编译原理”等课程同时开设或在之后开设，参考学时是32学时，可根据情况调整。

本书由北京工业大学方娟、陆帅冰编著。感谢北京工业大学的相关老师和研究生对本书提出的修改建议。清华大学出版社为本书的出版做了大量工作，在此表示衷心的感谢。

由于计算机技术发展迅速，加上作者水平有限，书中难免有不当之处，敬请广大读者批评指正。

方娟陆帅冰

2022年3月

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