雾计算与边缘计算：原理及范式

物联网范式有望把“物”作为互联网环境的一部分，这些物通常包括具有感知能力和标签的物理设备、移动设备（如智能手机和汽车）、消费类电子设备以及家用电器（如冰箱、电视和医疗设备）。在以云为中心的物联网应用中，来自“物”的感知数据在公共云和私有云上进行提取、积聚和处理，这将导致显著的时延。为此，雾计算利用了网关、微云、网络交换机/路由器上的分布在物联网各层的近邻计算资源来应对开发实时物联网应用时的时延问题。而在电信领域，一种类似的利用近邻资源的方法是移动边缘计算。
为了充分发挥雾计算和边缘计算及其他相似范式的潜能，研究者和实践者需要应对相关挑战，并提出概念上和技术上的合理解决方案。这些方案包括开发可扩展架构，开放封闭系统，解决数据感知、存储、处理和操作时涉及的隐私与道德问题，设计交互协议，以及自动管理。
本书的主要目的是展示雾计算和边缘计算中最先进的应用、架构和技术。本书也着眼于挖掘潜在的研究方向和技术，力图促进多个领域的进一步发展，包括智能家居、智慧城市、科学、工业、商业和消费者应用程序等。我们希望本书能作为一个参考帮助到更多的受众，如系统架构师、实践者、开发人员、新研究人员和研究生。本书还有一个关联网站（http://cloudbusorg/fog/book/）用来存放前沿的在线资源。
本书的结构
本书包含了由物联网、云计算和雾计算领域的几位权威专家撰写的章节，以协调统一的方式呈现，从基础原理开始，接着介绍中间件，最后提出实现与雾计算和边缘计算相关的应用的技术解决方案。
本书内容分为三个部分。第一部分（第1～5章）聚焦基础原理。第1章介绍了物联网范式以及以云为中心的物联网的局限性，讨论了克服局限性的相关技术和新计算范式，如雾计算、边缘计算等，以及它们的主要优势和基本机制。此外，还展示了雾计算和边缘计算环境的分层，并详细讲解了雾计算和边缘计算带来的机遇和挑战。第2章从组网、管理、资源等角度对其挑战以及未来研究方法进行了进一步阐述。第3章讨论了建模技术的使用和对由云、雾和物联网组成的云–物系统进行展示和评估的文献。第4章盘点了最新的在5G、边缘/雾和云计算下进行网络切片的相关文献。作为第一部分的最后一章，第5章基于一致的、定义明确的、正式的约束和优化目标表达式，讨论了雾计算中优化问题的一般概念性框架。
第二部分（第6～10章）关注中间件。第6章讨论了在所提出的架构下，雾计算和边缘计算中间件设计的不同方面。第7章介绍了一种边缘云参考架构的核心原理，该架构基于容器作为打包和分布机制。该章还提供了使用Raspberry Pi集群的实验结果来验证提出的架构方案。第8章提出了在雾计算环境下的数据管理概念架构，并讨论了雾计算数据管理的未来研究方向。第9章讨论了在雾环境下支撑应用程序部署的FogTorchΠ原型。该原型可以展示处理能力、预测服务质量属性、评估雾计算基础设施的运行成本以及应用程序的处理和服务质量需求。第10章盘点了用于物联网设备安全防护的机器学习算法和雾计算下机器学习的适用范围。
第三部分（第11～17章）主要介绍了雾计算应用和相关问题。第11章讨论了可以部署在传统集中数据分析平台中且可以在雾计算环境下进行数据分析的雾引擎原型。另外，该章还提供了智能家居和智能营养监控系统的研究案例，它们在概念上使用了雾引擎。第12章介绍了智能电子健康网关中的雾计算服务，并通过远程心电监控案例对实施的系统进行了评估。第13章讨论和比较了在雾及边缘处构建这样的自动化监控应用需要的计算能力和算法。第14章在智能交通管理系统用例的场景下，确定了数据驱动传输架构的计算需求，为智能交通应用设计了基于云、雾协同的计算平台。第15章分别在智能家居、智能健康、智能交通领域探讨了应用的测试问题。第16章对雾/边缘/物联网应用进行了分类，分析了通用数据保护条例中最新的限制条例，讨论了这些法律约束如何影响物联网在云和雾环境下的设计与运行。雾计算环境由物联网设备、雾节点、云数据中心组成，并将产生大量的物联网数据，其高昂的开销是物联网发展面临的一个重大问题。为了解决这个问题，第17章介绍了iFogSim仿真组件，提供了详细的安装教程以及建模雾环境的详细指导。

出版者的话
译者序
前言
致谢
作者名单
第一部分　基础原理
第1章　物联网和新的计算范式2
11　引言2
12　相关技术4
13　通过雾计算和边缘计算完成云计算5
131　FEC的优势：SCALE5
132　FEC如何实现SCALE五大优势：通过SCANC6
14　雾计算和边缘计算的层次结构8
141　内边缘9
142　中边缘9
143　外边缘9
15　商业模式10
151　X即服务10
152　支持服务11
153　应用服务11
16　机遇和挑战11
161　开箱即用的体验11
162　开放平台12
163　系统管理13
17　结论13
参考文献14
第2章　解决联合边缘资源面临的挑战16
21　引言16
22　组网挑战17
221　联合边缘环境中的组网挑战18
222　解决组网挑战19
223　未来研究方向21
23　管理挑战22
231　联合边缘环境中的管理挑战22
232　目前的研究23
233　解决管理挑战23
234　未来研究方向24
24　其他挑战25
241　资源挑战25
242　建模挑战27
25　结论28
参考文献28
第3章　集成物联网+雾+云基础设施：系统建模和研究挑战33
31　引言33
32　方法论34
33　集成C2F2T文献中的建模技巧36
331　解析模型37
332　佩特里网模型39
333　整数线性规划41
334　其他方法41
34　集成C2F2T文献中的应用场景42
35　集成C2F2T文献中的度量指标44
351　能耗44
352　性能45
353　资源消耗45
354　成本46
355　服务质量46
356　安全46
36　未来研究方向46
37　结论47
致谢48
参考文献48
第4章　5G、雾计算、边缘计算和云计算中网络切片的管理和编排51
41　引言51
42　背景52
421　5G52
422　云计算53
423　移动边缘计算53
424　边缘计算与雾计算53
43　5G中的网络切片54
431　基础设施层55
432　网络功能和虚拟化层55
433　服务和应用层55
434　切片管理和编排56
44　软件定义云中的网络切片56
441　网络感知虚拟机管理56
442　网络感知虚拟机迁移规划57
443　虚拟网络功能管理58
45　边缘和雾中的网络切片管理59
46　未来研究方向60
461　软件定义云60
462　边缘计算与雾计算61
47　结论62
致谢62
参考文献62
第5章　雾计算和边缘计算的优化问题67
51　引言67
52　背景及相关工作68
53　预备知识69
54　雾计算优化案例70
55　雾计算的形式化建模框架70
56　指标71
561　性能71
562　资源使用72
563　能耗72
564　财务成本73
565　其他质量属性73
57　雾结构中的优化机会73
58　服务生命周期中的优化机会74
59　雾计算中优化问题的分类75
510　优化技术76
511　未来研究方向76
512　结论77
致谢77
参考文献77
第二部分　中间件
第6章　雾计算和边缘计算的中间件：设计问题82
61　引言82
62　对雾计算和边缘计算中间件的需求82
63　设计目标83
631　Ad-Hoc设备发现83
632　运行时期执行环境83
633　最小的任务中断83
634　操作参数的开销83
635　环境感知自适应设计84
636　服务质量84
64　最先进的中间件基础设施84
65　系统模型85
651　嵌入式传感器或执行器85
652　个人设备85
653　雾服务器85
654　微云86
655　云服务器86
66　建议架构86
661　API规范87
662　安全性87
663　设备发现87
664　中间件87
665　传感器/执行器89
67　案例研究示例89
68　未来研究方向90
681　人类参与和环境感知90
682　移动性90
683　安全可靠的执行90
684　任务的管理和调度90
685　分布式执行的模块化90
686　结算和服务水平协议91
687　可扩展性91
69　结论91
参考文献91
第7章　边缘云架构的轻量级容器中间件96
71　引言96
72　背景及相关工作97
721　边缘云架构97
722　用例98
723　相关工作98
73　轻量级边缘云集群99
731　轻量级软件—容器化99
732　轻量级硬件—Raspberry Pi集群100
74　架构管理—存储与编排100
741　自建的集群存储与编排101
742　OpenStack 存储101
743　Docker编排103
75　物联网集成105
76　边缘云架构的安全管理105
761　安全要求和区块链原则106
762　基于区块链的安全架构107
763　基于区块链的集成编排108
77　未来研究方向110
78　结论111
参考文献111
第8章　雾计算中的数据管理114
81　引言114
82　背景115
83　雾数据管理116
831　雾数据生命周期117
832　数据特征118
833　数据预处理与分析118
834　数据隐私120
835　数据存储与数据暂存120
836　电子健康案例研究120
837　提出的架构121
84　未来研究方向125
841　安全性125
842　雾计算与存储层次的定义125
85　结论125
参考文献125
第9章　支持雾应用程序部署的预测性分析128
91　引言128
92　案例：智能建筑129
93　使用FogTorchΠ进行预测性分析133
931　应用程序和基础设施建模133
932　搜索符合条件的部署133
933　估算资源消耗和成本135