描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787111690894丛书名: 物联网工程专业系列教材
内容简介
随着通信和计算技术的快速发展、计算成本的不断降低，物理世界与信息世界正在发生加速融合。不仅仅是物理世界的信息被映射到网络当中，通信和计算的能力也随着嵌入式技术的发展融入到了世间万物。随着物联网和5G通信产业的快速兴起，越来越多的人和物开始持续产生大量、多样的计算任务，“无处不在的计算”成为了各类应用共性而迫切的需求，边缘计算应运而生。
相比于云计算，边缘计算将计算资源下沉到网络边缘设备、甚至嵌入到各类网络系统当中，为大至自动驾驶车联网、小到可穿戴设备提供快速、稳定、无处不在的计算服务。如果说物联网让物理世界具备了“感知”和“沟通”的能力，那么边缘计算的使命则是让世间万物具备“思考”的能力。网络边缘在形态上可以千变万化，既可以是部署在移动蜂窝网络的数据中心、亦可以是随车而载的小型服务器，甚至可以是随身携带的迷你节点，以完成各类场景的计算服务，这些场景包括移动计算、自动驾驶车联网、智慧工业、智能家居、可穿戴计算等。
相比于云计算，边缘计算将计算资源下沉到网络边缘设备、甚至嵌入到各类网络系统当中，为大至自动驾驶车联网、小到可穿戴设备提供快速、稳定、无处不在的计算服务。如果说物联网让物理世界具备了“感知”和“沟通”的能力，那么边缘计算的使命则是让世间万物具备“思考”的能力。网络边缘在形态上可以千变万化，既可以是部署在移动蜂窝网络的数据中心、亦可以是随车而载的小型服务器，甚至可以是随身携带的迷你节点，以完成各类场景的计算服务，这些场景包括移动计算、自动驾驶车联网、智慧工业、智能家居、可穿戴计算等。
目 录
推荐序一
推荐序二
自序
前言
第1章 边缘计算概述 1
1.1 边缘计算的背景与概念 1
1.1.1 边缘计算的历史背景 1
1.1.2 边缘计算的概念 3
1.1.3 边缘计算带来的改变 4
1.2 边缘计算发展的历史必然性 7
1.2.1 催生边缘计算的技术 7
1.2.2 计算形态变革的内在逻辑 12
1.2.3 边缘计算将深刻改变计算方式 16
1.3 边缘计算的重要意义 20
1.4 边缘计算中的关键问题 21
1.4.1 关键词 22
1.4.2 关键研究问题概述 23
1.4.3 边缘计算架构 27
1.4.4 操作系统与编程模型 27
1.4.5 计算卸载与资源分配 28
1.4.6 虚拟化与服务管理 28
1.4.7 服务集群管理 29
1.4.8 人工智能与大数据 29
1.4.9 移动性管理 30
1.4.10 系统与应用 30
1.5 发展趋势与技术挑战 31
1.5.1 发展趋势 31
1.5.2 关键机构与成果 32
1.6 本书的写作逻辑 33
习题 34
参考文献 34
第2章 边缘计算架构原理 35
2.1 边缘计算架构概述 35
2.1.1 系统评价及设计要求 35
2.1.2 边缘计算架构设计面临的独特挑战 37
2.2 总体系统架构 39
2.2.1 两类边缘：主干网边缘和
泛在边缘 39
2.2.2 云-边-端架构 40
2.2.3 边-端架构 42
2.2.4 多接入边缘计算 43
2.2.5 分布式D2D/D4D架构（泛在边缘架构） 43
2.2.6 AIoT架构 43
2.3 软件计算架构 44
2.3.1 一般边缘计算软件架构 45
2.3.2 多接入边缘计算架构 47
2.3.3 AIoT软件架构 48
2.3.4 卫星边缘计算架构 49
2.3.5 编程模型 53
2.4 边缘计算操作系统与开源框架 55
2.4.1 EdgeX Foundry 56
2.4.2 StarlingX 58
2.4.3 其他开源框架 58
2.4.4 融合边缘的前端物联网操作系统 59
习题 59
参考文献 59
第3章 边缘接入技术 60
3.1 无线传输机制 61
3.1.1 无线局域网传输机制 61
3.1.2 无线个域网传输机制 62
3.1.3 无线广域网传输机制 68
3.1.4 低功耗广域网传输机制 74
3.1.5 新型无线传输机制 81
3.1.6 总结 84
3.2 无线接入的通信服务协议 84
3.2.1 MQTT 85
3.2.2 AMQP 85
3.2.3 Kaf?ka 87
3.2.4 STOMP 87
3.3 可靠的数据传输 88
3.3.1 考虑移动性的可靠数据传输 88
3.3.2 基于博弈的数据接入 91
3.4 多接入边缘网络与超密集网络 92
习题 94
参考文献 94
第4章 计算任务卸载 95
4.1 任务卸载概述 96
4.1.1 任务卸载概念与步骤 96
4.1.2 计算卸载的时延模型 97
4.1.3 边缘计算任务卸载评价指标 101
4.2 任务卸载方式 103
4.2.1 0-1卸载 103
4.2.2 部分卸载 104
4.2.3 任务切分技术及实例分析 106
4.2.4 子任务卸载策略 109
4.3 不同场景下任务卸载策略研究 110
4.3.1 单用户边缘网络场景 110
4.3.2 多用户边缘网络场景 112
4.3.3 异构服务器边缘网络场景 115
4.4 不同架构下任务卸载策略研究 117
4.4.1 云-边-端架构中的卸载策略 117
4.4.2 边-边架构中的卸载策略 118
4.4.3 多接入边缘架构中的计算卸载 120
4.4.4 定制化边缘架构中的计算卸载 121
4.4.5 用户高移动性网络场景中的计算卸载 123
4.4.6 分布式D2D网络中的计算卸载 129
4.5 开源工具概述 133
4.5.1 Slacker 133
4.5.2 EdgeCloudSim 134
4.5.3 EdgeX Foundry 136
4.5.4 Apache Edgent 136
4.5.5 KubeEdge 137
4.6 边缘卸载策略展望与挑战 139
4.6.1 资源协同调度的挑战与展望 139
4.6.2 用户移动性管理的挑战与展望 140
习题 141
参考文献 141
第5章 虚拟化技术 142
5.1 虚拟化技术概述 143
5.2 虚拟化技术发展历史 143
5.3 虚拟化技术分类 145
5.3.1 指令架构级虚拟化 146
5.3.2 硬件抽象级虚拟化 147
5.3.3 操作系统级虚拟化 153
5.3.4 库函数级虚拟化 156
5.3.5 编程语言级虚拟化 157
5.4 轻量级虚拟化 158
5.4.1 虚拟机与容器 159
5.4.2 Docker 160
5.4.3 Unikernel 162
5.4.4 Firecraker 164
5.4.5 总结 165
5.5 微服务 165
5.5.1 服务架构的发展历程 166
5.5.2 微服务架构特点 166
5.5.3 微服务架构面临的挑战 169
5.6 服务网格 169
5.6.1 服务网格的发展历程 169
5.6.2 服务网格工具: Istio 173
5.6.3 服务网格工具对比 181
5.7 无服务架构 185
5.7.1 发展历史 185
5.7.2 Serverless开源工具 188
习题 192
参考文献 192
第6章 边缘服务管理支撑技术 193
6.1 NFV架构 194
6.1.1 NFV概述 19
推荐序二
自序
前言
第1章 边缘计算概述 1
1.1 边缘计算的背景与概念 1
1.1.1 边缘计算的历史背景 1
1.1.2 边缘计算的概念 3
1.1.3 边缘计算带来的改变 4
1.2 边缘计算发展的历史必然性 7
1.2.1 催生边缘计算的技术 7
1.2.2 计算形态变革的内在逻辑 12
1.2.3 边缘计算将深刻改变计算方式 16
1.3 边缘计算的重要意义 20
1.4 边缘计算中的关键问题 21
1.4.1 关键词 22
1.4.2 关键研究问题概述 23
1.4.3 边缘计算架构 27
1.4.4 操作系统与编程模型 27
1.4.5 计算卸载与资源分配 28
1.4.6 虚拟化与服务管理 28
1.4.7 服务集群管理 29
1.4.8 人工智能与大数据 29
1.4.9 移动性管理 30
1.4.10 系统与应用 30
1.5 发展趋势与技术挑战 31
1.5.1 发展趋势 31
1.5.2 关键机构与成果 32
1.6 本书的写作逻辑 33
习题 34
参考文献 34
第2章 边缘计算架构原理 35
2.1 边缘计算架构概述 35
2.1.1 系统评价及设计要求 35
2.1.2 边缘计算架构设计面临的独特挑战 37
2.2 总体系统架构 39
2.2.1 两类边缘：主干网边缘和
泛在边缘 39
2.2.2 云-边-端架构 40
2.2.3 边-端架构 42
2.2.4 多接入边缘计算 43
2.2.5 分布式D2D/D4D架构（泛在边缘架构） 43
2.2.6 AIoT架构 43
2.3 软件计算架构 44
2.3.1 一般边缘计算软件架构 45
2.3.2 多接入边缘计算架构 47
2.3.3 AIoT软件架构 48
2.3.4 卫星边缘计算架构 49
2.3.5 编程模型 53
2.4 边缘计算操作系统与开源框架 55
2.4.1 EdgeX Foundry 56
2.4.2 StarlingX 58
2.4.3 其他开源框架 58
2.4.4 融合边缘的前端物联网操作系统 59
习题 59
参考文献 59
第3章 边缘接入技术 60
3.1 无线传输机制 61
3.1.1 无线局域网传输机制 61
3.1.2 无线个域网传输机制 62
3.1.3 无线广域网传输机制 68
3.1.4 低功耗广域网传输机制 74
3.1.5 新型无线传输机制 81
3.1.6 总结 84
3.2 无线接入的通信服务协议 84
3.2.1 MQTT 85
3.2.2 AMQP 85
3.2.3 Kaf?ka 87
3.2.4 STOMP 87
3.3 可靠的数据传输 88
3.3.1 考虑移动性的可靠数据传输 88
3.3.2 基于博弈的数据接入 91
3.4 多接入边缘网络与超密集网络 92
习题 94
参考文献 94
第4章 计算任务卸载 95
4.1 任务卸载概述 96
4.1.1 任务卸载概念与步骤 96
4.1.2 计算卸载的时延模型 97
4.1.3 边缘计算任务卸载评价指标 101
4.2 任务卸载方式 103
4.2.1 0-1卸载 103
4.2.2 部分卸载 104
4.2.3 任务切分技术及实例分析 106
4.2.4 子任务卸载策略 109
4.3 不同场景下任务卸载策略研究 110
4.3.1 单用户边缘网络场景 110
4.3.2 多用户边缘网络场景 112
4.3.3 异构服务器边缘网络场景 115
4.4 不同架构下任务卸载策略研究 117
4.4.1 云-边-端架构中的卸载策略 117
4.4.2 边-边架构中的卸载策略 118
4.4.3 多接入边缘架构中的计算卸载 120
4.4.4 定制化边缘架构中的计算卸载 121
4.4.5 用户高移动性网络场景中的计算卸载 123
4.4.6 分布式D2D网络中的计算卸载 129
4.5 开源工具概述 133
4.5.1 Slacker 133
4.5.2 EdgeCloudSim 134
4.5.3 EdgeX Foundry 136
4.5.4 Apache Edgent 136
4.5.5 KubeEdge 137
4.6 边缘卸载策略展望与挑战 139
4.6.1 资源协同调度的挑战与展望 139
4.6.2 用户移动性管理的挑战与展望 140
习题 141
参考文献 141
第5章 虚拟化技术 142
5.1 虚拟化技术概述 143
5.2 虚拟化技术发展历史 143
5.3 虚拟化技术分类 145
5.3.1 指令架构级虚拟化 146
5.3.2 硬件抽象级虚拟化 147
5.3.3 操作系统级虚拟化 153
5.3.4 库函数级虚拟化 156
5.3.5 编程语言级虚拟化 157
5.4 轻量级虚拟化 158
5.4.1 虚拟机与容器 159
5.4.2 Docker 160
5.4.3 Unikernel 162
5.4.4 Firecraker 164
5.4.5 总结 165
5.5 微服务 165
5.5.1 服务架构的发展历程 166
5.5.2 微服务架构特点 166
5.5.3 微服务架构面临的挑战 169
5.6 服务网格 169
5.6.1 服务网格的发展历程 169
5.6.2 服务网格工具: Istio 173
5.6.3 服务网格工具对比 181
5.7 无服务架构 185
5.7.1 发展历史 185
5.7.2 Serverless开源工具 188
习题 192
参考文献 192
第6章 边缘服务管理支撑技术 193
6.1 NFV架构 194
6.1.1 NFV概述 19
前 言
随着通信技术和计算技术的快速发展，计算成本不断降低，物理世界与信息世界正在加速融合。不仅物理世界的信息被映射到网络当中，网络通信和计算的能力也随着嵌入式技术的发展融入了世间万物。随着物联网和5G通信产业的快速兴起，越来越多的人和物开始持续产生大量、多样、复杂的计算任务，“无处不在的计算”成为各类应用共性而迫切的需求，“边缘计算”应运而生。
相比于云计算，边缘计算将计算资源下沉到网络边缘设备，嵌入到各类网络系统当中，为大到自动驾驶车联网，小到可穿戴设备提供快速、稳定、无处不在的计算服务。如果说物联网让物理世界具备了“感知”和“沟通”的能力，那么边缘计算的使命则是在“摩尔定律”失灵的背景下，让世间万物具备“思考”的能力。网络边缘设备在形态上千变万化，既可以是部署在移动蜂窝网络的数据中心，也可以是随车而载的小型服务器，甚至可以是随身携带的智能手机。正是形式多样、无处不在的边缘设备，支撑完成了各类泛在场景的计算服务，包括移动计算、卫星计算、自动驾驶车联网、智慧工业、智能家居、可穿戴设备等。
当前的边缘计算正处于科研界与工业界进行思想碰撞、共同发力的关键时期，有望为移动互联网、物联网、人工智能等新兴技术提供强大的赋能潜力和颠覆性的计算范式，但在关键基础理论、网络系统架构、协同运算模式、关键技术方法等方面仍存在重要的研究挑战。本书将介绍边缘计算的基础理论、概念模型、系统架构、设计原理、关键技术、原型系统、应用案例等，为计算机科学、物联网工程、互联网+、电子信息、通信工程、人工智能、智慧城市等专业的学生、研究人员和从业者提供全面、系统的参考。本书配备完整的PPT、习题和实验（包括教程与实验源码），可作为高年级本科生及研究生的相关课程教材。
相比于云计算，边缘计算将计算资源下沉到网络边缘设备，嵌入到各类网络系统当中，为大到自动驾驶车联网，小到可穿戴设备提供快速、稳定、无处不在的计算服务。如果说物联网让物理世界具备了“感知”和“沟通”的能力，那么边缘计算的使命则是在“摩尔定律”失灵的背景下，让世间万物具备“思考”的能力。网络边缘设备在形态上千变万化，既可以是部署在移动蜂窝网络的数据中心，也可以是随车而载的小型服务器，甚至可以是随身携带的智能手机。正是形式多样、无处不在的边缘设备，支撑完成了各类泛在场景的计算服务，包括移动计算、卫星计算、自动驾驶车联网、智慧工业、智能家居、可穿戴设备等。
当前的边缘计算正处于科研界与工业界进行思想碰撞、共同发力的关键时期，有望为移动互联网、物联网、人工智能等新兴技术提供强大的赋能潜力和颠覆性的计算范式，但在关键基础理论、网络系统架构、协同运算模式、关键技术方法等方面仍存在重要的研究挑战。本书将介绍边缘计算的基础理论、概念模型、系统架构、设计原理、关键技术、原型系统、应用案例等，为计算机科学、物联网工程、互联网+、电子信息、通信工程、人工智能、智慧城市等专业的学生、研究人员和从业者提供全面、系统的参考。本书配备完整的PPT、习题和实验（包括教程与实验源码），可作为高年级本科生及研究生的相关课程教材。
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