云边融合系统与应用

本教材以当前万物互联的环境为背景，结合5G网络发展，分为四个部分，共11章。基础篇从身边的云计算出发，系统讲述了云计算、边缘计算和云边融合系统的基本概念、系统架构及优势与挑战。技术篇介绍了云计算、边缘计算和云边融合系统的技术基础，以及创新性地结合大规模复杂数据预测和复杂分布式系统优化两方面应用案例对云边融合系统深入浅出地阐述了其相关技术。应用篇针对云边融合在CDN、工业互联网、能源互联网、智慧建筑、智能交通等新型基础设施场景中的应用进行介绍，同时对云边融合在安防监控、智慧农业、生态环境等典型行业应用场景进行分析。发展篇从“云边融合+大数据+人工智能”三位一体及云边融合技术与各领域新技术深度融合的发展战略，论述了云边融合技术、产业与应用的未来展望。每章均有小结和参考文献，使读者对各章的内容能清楚地理解和掌握。

毕敬，北京工业大学教授、博士生导师。长期致力于复杂大数据计算与分析、云边资源协同与优化领域的理论方法和关键技术创新研究。主持承担了多项国家和省部级项目，包括国家自然科学基金委面上和青年项目、“十三五”科技部水体污染控制与治理科技重大专项子课题等。担任IEEE高级会员、IEEE系统、人与控制论学会WiE和TAB CDI委员会秘书长、多个IEEE期刊及国际会议副主编、专题分会主席及程序委员会委员等工作。 苑海涛，副教授，硕士生导师，工业互联网与建模仿真系副主任，全球前2%顶尖科学家、小米青年学者、北京航空航天大学青年拔尖人才、北航优秀硕士论文指导教师，美国新泽西理工学院计算机工程博士、北京航空航天大学控制科学与工程博士。

第 1 章 绪论 …………………………………………………………………………………… 1 1.1 背景介绍及意义 ………………………………………………………… 2 1.2 国内外研究现状 ………………………………………………………… 2 1.3 本书组织结构 ………………………………………………………… 7 第 2 章 云计算基础 …………………………………………………………………………… 9 2.1 身边的云计算 ………………………………………………………… 9 2.2 云计算的产生与发展 ………………………………………………………… 13 2.3 云计算的内涵与特性 ………………………………………………………… 23 2.4 云计算的目标、任务与价值 ………………………………………………………… 27 2.5 云计算系统的系统架构 ………………………………………………………… 32 2.6 云计算的风险与挑战 ………………………………………………………… 51 2.7 本章小结 ………………………………………………………… 51 第 3 章 边缘计算基础 ……………………………………………………………………… 52 3.1 什么是边缘计算 ………………………………………………………… 52 3.2 边缘计算的产生背景 ………………………………………………………… 55 3.3 边缘计算的发展历史 ………………………………………………………… 58 3.4 边缘计算的系统架构 ………………………………………………………… 69 3.5 边缘计算的优势与挑战 ………………………………………………………… 74 3.6 本章小结 ………………………………………………………… 76 第 4 章 云边融合系统基础 ………………………………………………………………… 77 4.1 云计算与边缘计算的差异 ………………………………………………………… 77 4.2 云边融合基本概念 ………………………………………………………… 86 4.3 云边融合系统架构 ………………………………………………………… 87 4.4 云边融合面临的问题 ………………………………………………………… 92 4.5 本章小结 ………………………………………………………… 97 第 5 章 云计算系统的使能技术 …………………………………………………………… 99 5.1 云计算技术基础 ………………………………………………………… 99 5.2 分布式技术………………………………………………………… 112 5.3 虚拟化技术 ………………………………………………………… 121 5.4 云平台技术 ………………………………………………………… 129 5.5 本章小结 ………………………………………………………… 132 第 6 章 边缘计算相关技术 ………………………………………………………………… 133 6.1 边缘计算技术基础………………………………………………………… 133 6.2 网络通信技术 ………………………………………………………… 137 6.3 计算技术………………………………………………………… 141 6.4 边缘计算系统 ………………………………………………………… 144 6.5 本章小结 ………………………………………………………… 149 第 7 章 云边融合相关技术 ………………………………………………………………… 150 7.1 资源协同 ………………………………………………………… 151 7.2 数据协同 ………………………………………………………… 154 7.3 智能协同 ………………………………………………………… 160 7.4 应用协同…………………………………………………………167 7.5 服务协同 ………………………………………………………… 171 7.6 本章小结 …………………………………………………………174 第 8 章 大规模复杂数据预测 ……………………………………………………………… 176 8.1 大规模复杂数据预测问题概述 ………………………………………………………… 176 8.2 典型大规模复杂数据预测方法 …………………………………………………………178 8.3 基于改进 Transformer 的云数据中心资源预测方法 …………………………………………………………189 8.4 基于 ST-LSTM 神经网络的网络流量预测方法………………………………………………………… 202 8.5 本章小结 ………………………………………………………… 213 第 9 章 复杂分布式系统优化 ……………………………………………………………… 214 9.1 复杂分布式系统优化问题概述 ………………………………………………………… 214 9.2 典型复杂分布式系统优化方法 ………………………………………………………… 217 9.3 基于云边融合的物联网智能计算迁移与资源融合优化………………………………………………………… 230 9.4 基于云边融合的车联网智能计算迁移与资源融合优化………………………………………………………… 244 9.5 本章小结 …………………………………………………………278 第 10 章 云边融合的创新实践——新型基础设施………………………………………… 279 10.1 云边融合在 CDN 场景中的应用 ………………………………………………………… 279 10.2 云边融合在工业互联网场景中的应用 ………………………………………………………… 282 10.3 云边融合在能源互联网场景中的应用 ………………………………………………………… 286 10.4 云边融合在智慧建筑场景中的应用 ………………………………………………………… 290 10.5 云边融合在智慧交通场景中的应用 ………………………………………………………… 294 10.6 本章小结 ………………………………………………………… 298 第 11 章 云边融合的创新实践 ——典型行业应用………………………………………… 299 11.1 云边融合在安防监控场景中的应用 ………………………………………………………… 299 11.2 云边融合在农业生产场景中的应用 ………………………………………………………… 301 11.3 云边融合在生态环境场景中的应用 ………………………………………………………… 304 11.4 云边融合在医疗保健场景中的应用 …………………………………………………………306 11.5 云边融合在智慧教育场景中的应用 ………………………………………………………… 310 11.6 本章小结 ………………………………………………………… 314 第 12 章 云边融合的未来发展……………………………………………………………… 315 12.1 “云边融合 + 大数据 + 人工智能”三位一体发展战略………………………………………………………… 315 12.2 云边融合与新技术的融合 ………………………………………………………… 321 12.3 云边融合产业生态及其地位 ………………………………………………………… 327 12.4 面向新型计算模式的云边融合 ………………………………………………………… 332 12.5 本章小结 ………………………………………………………… 339 第 13 章 总结与展望………………………………………………………………………… 340 13.1 总结 ………………………………………………………… 340 13.2 展望 ………………………………………………………… 341 参考文献………………………………………………………………………………………… 343