萬物互聯(lián)時(shí)代來襲移動(dòng)邊緣計(jì)算研究意義深遠(yuǎn)

中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院|王智明

移動(dòng)邊緣系統(tǒng)級(jí)管理主要有移動(dòng)邊緣編排器、運(yùn)營支撐系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序生命周期管理代理、移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理器、虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)管理器、面向用戶的服務(wù)門戶管理器。其中，移動(dòng)邊緣編排器是移動(dòng)邊緣系統(tǒng)級(jí)管理的核心功能。

近年來，隨著萬物互聯(lián)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，傳感器、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備以及智能家電等邊緣終端設(shè)備產(chǎn)生澤字節(jié)（zettabyte，ZB）級(jí)別海量數(shù)據(jù)。同時(shí)邊緣終端設(shè)備也逐漸具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模式識(shí)別、執(zhí)行預(yù)測(cè)分析或優(yōu)化、智能處理等功能。目前，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的集中式處理時(shí)代已逐漸轉(zhuǎn)入以萬物互聯(lián)為核心的邊緣計(jì)算時(shí)代，而集中式數(shù)據(jù)處理不能有效處理邊緣終端設(shè)備所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的集中式處理模式在萬物互聯(lián)時(shí)代存在特有問題：第一，線性增長的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心集中式分析處理能力無法匹配爆炸式增長的海量數(shù)據(jù)；第二，從邊緣終端設(shè)備傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)中心的海量數(shù)據(jù)增大傳輸帶寬的負(fù)載量，造成網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較長；第三，邊緣終端設(shè)備數(shù)據(jù)涉及個(gè)人隱私泄露和風(fēng)險(xiǎn)使用等。邊緣終端設(shè)備篩選并分析處理成有效的信息并發(fā)送到云端已成為一種新的計(jì)算模型，可有效降低云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬和計(jì)算負(fù)載。邊緣計(jì)算可以將原有云計(jì)算數(shù)據(jù)中心的部分或全部計(jì)算任務(wù)遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上，降低云計(jì)算中心的計(jì)算負(fù)載，減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，提高海量數(shù)據(jù)的處理效率，同時(shí)能較好地保護(hù)隱私數(shù)據(jù)，降低終端敏感數(shù)據(jù)隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

移動(dòng)邊緣計(jì)算概述

移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing,MEC）是將傳統(tǒng)云計(jì)算平臺(tái)的部分計(jì)算任務(wù)遷移到接入域，并將傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行深度融合，減少傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)交付的端到端時(shí)延，進(jìn)而為電信運(yùn)營商的運(yùn)作帶來全新模式，并建立全新的產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)圈。MEC的基本特點(diǎn)包括低計(jì)算負(fù)載、業(yè)務(wù)本地化、減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力、高數(shù)據(jù)處理效率以及低數(shù)據(jù)隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)，可為業(yè)務(wù)提供用戶位置感知及其他網(wǎng)絡(luò)能力。

MEC的概念最初于2013年在IBM與Nokia Siemens網(wǎng)絡(luò)共同推出的一款計(jì)算平臺(tái)上出現(xiàn)。2014年，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）成立移動(dòng)邊緣計(jì)算規(guī)范工作組（ETSI Mobile Edge Computing Industry Specification Group），開始推動(dòng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作。2016年，ETSI把此概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算（Multi Access Edge Computing），將邊緣計(jì)算能力從電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步延伸至其他無線接入網(wǎng)絡(luò)（如Wi-Fi）。此外，包括3GPP及CCSA在內(nèi)的其他標(biāo)準(zhǔn)組織也啟動(dòng)了相關(guān)工作。

中國電信行業(yè)正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和嶄新的發(fā)展契機(jī)?；陔娦旁啤⑽锫?lián)網(wǎng)的移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的電信運(yùn)營行業(yè)既帶來沖擊也帶來機(jī)遇。運(yùn)營商電信云數(shù)據(jù)中心的集中式處理模式面臨著爆炸式增長海量數(shù)據(jù)、較大帶寬負(fù)載量、較長時(shí)間延遲、個(gè)人隱私泄密和風(fēng)險(xiǎn)使用等問題。邊緣終端設(shè)備篩選并分析處理有效的信息并發(fā)送到電信云端已成為一種新型計(jì)算模型，可有效降低電信云數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)帶寬和計(jì)算負(fù)載。移動(dòng)邊緣計(jì)算可以將原有電信云數(shù)據(jù)中心的部分計(jì)算任務(wù)遷移到電信云邊緣終端設(shè)備上，降低電信云數(shù)據(jù)中心的計(jì)算負(fù)載，減緩網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，提高海量數(shù)據(jù)的處理效率。同時(shí)能較好地保護(hù)隱私數(shù)據(jù)，降低電信云終端敏感數(shù)據(jù)隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)具有重要意義。

移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)

目前，各家運(yùn)營商都已在不同標(biāo)準(zhǔn)組織或機(jī)構(gòu)發(fā)起對(duì)MEC的架構(gòu)研究工作，以ETSI標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)為主，ETSI標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)成立專門工作組。ETSI在2016年發(fā)布MEC參考框架與參考架構(gòu)。移動(dòng)邊緣計(jì)算框架如圖所示。

圖中，移動(dòng)邊緣系統(tǒng)（Mobile Edge System）運(yùn)行于電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)或其子網(wǎng)絡(luò)中。

圖 移動(dòng)邊緣計(jì)算框架圖

移動(dòng)邊緣主機(jī)層中的移動(dòng)邊緣平臺(tái)主要運(yùn)行各類移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序的服務(wù)功能集，可以提供各種移動(dòng)邊緣服務(wù)。移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序可以通過訂閱的形式調(diào)用移動(dòng)邊緣服務(wù)獲取底層開放能力，例如：用戶定位信息管理、用戶流量帶寬管理等功能。

移動(dòng)邊緣主機(jī)層中的移動(dòng)邊緣主機(jī)管理組件用于進(jìn)行對(duì)特定移動(dòng)邊緣平臺(tái)、移動(dòng)邊緣主機(jī)及其運(yùn)行的移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序的特定功能管理。移動(dòng)邊緣系統(tǒng)級(jí)管理可以通過維護(hù)對(duì)移動(dòng)邊緣系統(tǒng)的全局視圖進(jìn)行系統(tǒng)管理。

移動(dòng)邊緣主機(jī)包含移動(dòng)邊緣平臺(tái)和虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)的實(shí)體，可以為移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序提供計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源。移動(dòng)邊緣主機(jī)及相關(guān)管理實(shí)體還可以支持各類移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序。移動(dòng)邊緣主機(jī)上以實(shí)例的形式運(yùn)行移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序，以對(duì)外提供移動(dòng)邊緣服務(wù)能力。

網(wǎng)絡(luò)層主要包含DNS服務(wù)器/代理、3GPP網(wǎng)絡(luò)、本地網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)。

移動(dòng)邊緣平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）提供環(huán)境，該環(huán)境可以被移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序發(fā)現(xiàn)、發(fā)布、使用，該環(huán)境也可以提供移動(dòng)邊緣服務(wù)，包含其它平臺(tái)提供的移動(dòng)邊緣服務(wù)；

2）從移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理器、應(yīng)用程序或服務(wù)接收流量規(guī)則，并相應(yīng)地指示數(shù)據(jù)平臺(tái)，該數(shù)據(jù)平臺(tái)包含到特定IP地址的流量規(guī)則中代表用戶的令牌解析；

3）從移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理器接收DNS記錄并配置DNS代理/服務(wù)器；

4)托管移動(dòng)邊緣服務(wù)，包括無線網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)、定位服務(wù)、帶寬管理服務(wù)；

5）提供對(duì)持久存儲(chǔ)和時(shí)間信息的訪問。

移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序運(yùn)行于虛擬機(jī)（VM），虛擬機(jī)（VM）位于由移動(dòng)邊緣主機(jī)提供的虛擬基礎(chǔ)設(shè)施之上，并且可以與移動(dòng)邊緣平臺(tái)進(jìn)行交互以消費(fèi)和提供移動(dòng)邊緣服務(wù)。

在某些情況下，移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序還可以與移動(dòng)邊緣平臺(tái)進(jìn)行交互，以執(zhí)行與應(yīng)用程序生命周期相關(guān)的某些支持程序，例如：可用性指示、準(zhǔn)備用戶狀態(tài)的重定位等。

移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序可以具有一定數(shù)量的與其相關(guān)的規(guī)則和要求，例如所需資源、最大延遲時(shí)間、所需或有用服務(wù)等。這些要求由移動(dòng)邊緣系統(tǒng)級(jí)別管理進(jìn)行驗(yàn)證，并且如果默認(rèn)值失蹤還可以重新分配默認(rèn)值。

移動(dòng)邊緣系統(tǒng)級(jí)管理主要有移動(dòng)邊緣編排器、運(yùn)營支撐系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序生命周期管理代理、移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理器、虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)管理器、面向用戶的服務(wù)門戶管理器。其中，移動(dòng)邊緣編排器是移動(dòng)邊緣系統(tǒng)級(jí)管理的核心功能。

●移動(dòng)邊緣編排器

1）維護(hù)移動(dòng)邊緣系統(tǒng)全局視圖，該移動(dòng)邊緣系統(tǒng)基于已部署的移動(dòng)邊緣主機(jī)、可用資源、可用移動(dòng)邊緣服務(wù)和技術(shù)；

2）引用應(yīng)用程序包，檢查程序包的完整性和授權(quán)真實(shí)性，驗(yàn)證應(yīng)用程序規(guī)則和需求；

3）選擇合適的移動(dòng)邊緣主機(jī)進(jìn)行應(yīng)用實(shí)例化，基于如下限制：時(shí)延、可用資源、可用服務(wù)；

4）觸發(fā)應(yīng)用程序初始實(shí)例化和終止；

5）觸發(fā)應(yīng)用程序重定位。

●運(yùn)營支持系統(tǒng)

1）運(yùn)營支撐系統(tǒng)通過服務(wù)門戶接收來自實(shí)例或應(yīng)用終端用戶應(yīng)用請(qǐng)求，并且決定是否授權(quán)這些請(qǐng)求。授權(quán)的請(qǐng)求將轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)邊緣編排器以進(jìn)行進(jìn)一步處理；

2）運(yùn)營支撐系統(tǒng)還接收來自用戶應(yīng)用程序的用于在外部云和移動(dòng)邊緣系統(tǒng)之間重新定位的請(qǐng)求云和移動(dòng)邊緣系統(tǒng)。

●用戶應(yīng)用生命周期管理代理

1）用戶應(yīng)用程序?qū)儆谝苿?dòng)邊緣應(yīng)用程序，移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序在移動(dòng)邊緣系統(tǒng)中實(shí)例化，通過用戶應(yīng)用程序響應(yīng)用戶應(yīng)用程序請(qǐng)求；

2）用戶應(yīng)用程序生命周期管理代理允許用戶應(yīng)用程序請(qǐng)求加入、實(shí)例化、終止用戶應(yīng)用程序，并在移動(dòng)邊緣系統(tǒng)內(nèi)外將用戶應(yīng)用程序重新定位，用戶應(yīng)用程序生命周期管理代理允許通知用戶應(yīng)用關(guān)于用戶應(yīng)用程序的狀態(tài)；

3）用戶應(yīng)用程序生命周期管理代理授權(quán)來自UE應(yīng)用程序的請(qǐng)求，并與運(yùn)營支撐系統(tǒng)、移動(dòng)邊緣編排器交互以進(jìn)一步處理這些請(qǐng)求，用戶應(yīng)用程序生命周期管理代理只能從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)接入訪問。

●移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理

1）管理應(yīng)用程序的生命周期，包括向移動(dòng)邊緣管理器通知相關(guān)的應(yīng)用相關(guān)事件；

2）向移動(dòng)邊緣平臺(tái)提供元素管理功能。

管理應(yīng)用程序規(guī)則和要求，包括服務(wù)授權(quán)、流量規(guī)則、DNS配置和沖突解決在內(nèi)。移動(dòng)邊緣平臺(tái)管理器仍然接收來自于虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)管理器的虛擬資源故障報(bào)告和性能測(cè)量以進(jìn)一步處理。

●虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)管理器

1）分配、管理和發(fā)布虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)的虛擬化資源（計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)）；

2）準(zhǔn)備虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)運(yùn)行軟件映像，該準(zhǔn)備包括配置基礎(chǔ)設(shè)施，并且可以包括接收和存儲(chǔ)軟件圖像；

3）收集和報(bào)告關(guān)于虛擬化資源（計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)）的性能和故障信息；

4）執(zhí)行應(yīng)用程序重定位，對(duì)于從內(nèi)部到外部云環(huán)境的應(yīng)用程序重新定位，虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)管理器與外部云管理器進(jìn)行交互，以執(zhí)行應(yīng)用程序重定位。

●面向用戶的服務(wù)門戶管理器

面向用戶的服務(wù)門戶管理器允許運(yùn)營商的第三方用戶（例如商業(yè)企業(yè)）選擇和訂購滿足其特定需求的一組移動(dòng)邊緣應(yīng)用程序，并從所提供的應(yīng)用程序接收服務(wù)級(jí)別信息。

小結(jié)

本文提出的移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)架構(gòu)，充分利用了部分計(jì)算任務(wù)遷移到邊緣終端設(shè)備后降低的計(jì)算負(fù)載，減緩的網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力，較高的海量數(shù)據(jù)處理效率，對(duì)隱私數(shù)據(jù)的較好保護(hù)，將有效推動(dòng)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)研究的關(guān)注，加快運(yùn)營商在移動(dòng)邊緣計(jì)算方面的研究。