基于云網(wǎng)一體的邊緣云部署研究

楊振東，陳旭東，馮銘能（.中國聯(lián)通廣東分公司，廣東廣州 5067；.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司廣東分公司，廣東廣州5067）

1 概述

1.1 云業(yè)務(wù)發(fā)展分析

云服務(wù)已經(jīng)成為當(dāng)前全球科技行業(yè)中增長最快的業(yè)務(wù)。亞馬遜（Amazon）成為蘋果公司之后全球第二家市值過萬億美元的公司，其云計算平臺（AWS）業(yè)務(wù)幾乎貢獻(xiàn)了亞馬遜絕大部分的經(jīng)營利潤。已有業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，亞馬遜有望成為第一個市值破2 萬億美元的公司，到2024年，亞馬遜的市值或?qū)⑦_(dá)到2.5萬億美元，AWS 成為全球市場份額（44%）最大的云計算服務(wù)商，這些大流量云平臺提供了海量的用戶數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的計算能力，為云服務(wù)、大數(shù)據(jù)、人工智能的迅猛發(fā)展提供了強(qiáng)勁的引擎。阿里巴巴將阿里云（全球市場份額3%）定位為未來主要業(yè)務(wù)，在新的數(shù)字時代布局云基礎(chǔ)設(shè)施來支持所有業(yè)務(wù)。云服務(wù)提供商正在全力加大對云基礎(chǔ)設(shè)施的投入。

1.2 5G業(yè)務(wù)發(fā)展分析

低時延業(yè)務(wù)驅(qū)動云網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)。4G 時代，在線游戲、高清視頻等應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)時延提出了很高的要求；5G 時代已經(jīng)到來，遠(yuǎn)程醫(yī)療、VR/AR、自動駕駛、智能制造、云游戲等新興行業(yè)和新興業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)時延提出近乎苛刻的要求，低時延網(wǎng)絡(luò)已成為業(yè)界關(guān)注的發(fā)展方向。

2 數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀及存在問題

2.1 云組網(wǎng)現(xiàn)狀

現(xiàn)有的云基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要是基于大型數(shù)據(jù)中心部署核心云，定位于服務(wù)全國、幾個省或某個省的用戶，提供IaaS 層和PaaS 層服務(wù)，通常所說的云網(wǎng)一體的運(yùn)營思路，主要是基于核心云和骨干網(wǎng)的云網(wǎng)一體，互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商（ICP）或SP 租用運(yùn)營商的大帶寬電路進(jìn)行云組網(wǎng)。

2.2 存在問題

傳統(tǒng)核心云采用集中部署方式，往往需要跨省、跨地（市）調(diào)用計算和存儲資源，訪問距離長、跳數(shù)多，移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載橫跨3張網(wǎng)（本地UTN網(wǎng)、本地承載網(wǎng)、骨干承載網(wǎng)），轉(zhuǎn)接層級達(dá)到7～10 級，這對于省內(nèi)和骨干傳輸、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源是一個極大的開銷，而且極易造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容涉及總部、省公司、地（市）等多個環(huán)節(jié)，業(yè)務(wù)響應(yīng)速度慢。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包受傳送網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和擁塞影響，存在丟包、抖動等問題，訪問速率受限，影響用戶體驗(yàn)。

傳統(tǒng)云平臺的計算處理能力不能滿足實(shí)時性的需求。時延敏感型應(yīng)用在核心云集中計算負(fù)擔(dān)大，不能滿足低時延需求，比如一些移動類的游戲需要低于100 ms 的快速響應(yīng)，一些交互式互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（實(shí)時語音翻譯）則需要更低的時延（低于10 ms），實(shí)時交互的工業(yè)控制系統(tǒng)或自動駕駛，時延應(yīng)該控制在幾毫秒之內(nèi)。

另外，有些業(yè)務(wù)（如高清視頻）在固網(wǎng)用戶中滲透率較高，根據(jù)用戶行為分析數(shù)據(jù)來看，固網(wǎng)用戶的業(yè)務(wù)訪問次數(shù)和業(yè)務(wù)流量占比較大，這就要求，在保障移網(wǎng)用戶體驗(yàn)的同時還要保障固網(wǎng)用戶體驗(yàn)。能否支持固移業(yè)務(wù)綜合承載綜合保障，這也是第三方合作廠商重點(diǎn)關(guān)注的問題。

對于需要快速適應(yīng)本地網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和本地用戶環(huán)境的場景，比如為一個移動用戶實(shí)時傳播一個直播視頻流，當(dāng)無線信道惡化或者網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加時，需要遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心快速響應(yīng)，自適應(yīng)調(diào)整編碼方式或幀率以降低視頻流速率。傳統(tǒng)核心云平臺因時延較大無法滿足這種要求。

現(xiàn)有邊緣云有業(yè)務(wù)承載需求，但由于移網(wǎng)、固網(wǎng)流量在邊緣節(jié)點(diǎn)（比如匯聚節(jié)點(diǎn)）缺乏卸載手段，如果在邊緣云部署業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)訪問流量需要從省級或地（市）級數(shù)據(jù)中心卸載后訪問邊緣云，存在路由迂回，增加訪問時延，且邊緣云缺乏計費(fèi)、安全保障措施，不具備可行性。

3 面向邊緣云和接入網(wǎng)的云網(wǎng)一體部署方法

新的網(wǎng)絡(luò)資源模型為邊緣節(jié)點(diǎn)配置了計算和存儲能力，讓邊緣節(jié)點(diǎn)更接近迅速增長的固移終端設(shè)備，就可以降低核心云的計算負(fù)載，降低服務(wù)時延，同時也可以降低整個網(wǎng)絡(luò)的帶寬開銷。

3.1 云網(wǎng)一體化的邊緣云架構(gòu)

運(yùn)營商在匯聚節(jié)點(diǎn)部署輕量級的邊緣云，將邊緣云的IaaS/PaaS 能力向第三方開放，由第三方在邊緣云部署各類應(yīng)用，移網(wǎng)和固網(wǎng)流量在邊緣云進(jìn)行卸載，就近訪問第三方應(yīng)用內(nèi)容，提升用戶體驗(yàn)，打造新的業(yè)務(wù)合作模式。比如，封裝無線網(wǎng)絡(luò)、無線資源利用率統(tǒng)計、用戶設(shè)備標(biāo)識、位置等信息的PaaS 能力，讓這種PaaS 能力為客戶提供API 調(diào)用，實(shí)現(xiàn)靈活的網(wǎng)業(yè)互動和業(yè)務(wù)策略，最大化網(wǎng)絡(luò)價值變現(xiàn)。邊緣云和接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)協(xié)同，發(fā)揮云網(wǎng)一體的優(yōu)勢，滿足低時延邊緣云業(yè)務(wù)的需求，為用戶帶來更豐富、更優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)的產(chǎn)品和服務(wù)。邊緣云與核心云協(xié)作，邊緣云作為傳統(tǒng)核心云的延伸，貼近用戶提供本地場景感知的處理。傳統(tǒng)核心云具有更強(qiáng)的計算和存儲能力，可提供全局的集中式控制。因此，很多應(yīng)用的執(zhí)行需要從終端設(shè)備、邊緣云和核心云進(jìn)行分層級處理。

邊緣云部署固移綜合承載網(wǎng)絡(luò)，很好地滿足了邊緣云接入、安全、計費(fèi)、QoS 保障等方面的需求。移網(wǎng)核心網(wǎng)的S/PGW-U 或UPF 網(wǎng)元，和城域網(wǎng)的MSG-U網(wǎng)元部署在邊緣云，移網(wǎng)及固網(wǎng)所有業(yè)務(wù)在匯聚節(jié)點(diǎn)由MSG-U統(tǒng)一接入。移網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)采用分布式部署，將S/PGW-U 或UPF 下沉至匯聚節(jié)點(diǎn)，通過MSG-U 接入邊緣云的內(nèi)容源或互聯(lián)網(wǎng)。S/PGW-C 和SMF/AMF/PCF 全省集中部署，負(fù)責(zé)全省移動業(yè)務(wù)控制。固網(wǎng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)控分離，由MSG-U 統(tǒng)一負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，控制層由全省或地（市）集中部署的MSG-C 統(tǒng)一負(fù)責(zé)，如圖1 所示。

圖1 固移多業(yè)務(wù)接入邊緣云架構(gòu)

3.2 效益分析

3.2.1 固移流量本地卸載

省中心集中部署的網(wǎng)關(guān)S/PGW-U 和UPF 下沉至邊緣云，實(shí)現(xiàn)固移業(yè)務(wù)在邊緣云由MSG 接入和轉(zhuǎn)發(fā)，這為邊緣云IaaS/PaaS層的能力開放提供了先決條件。

移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過本地UTN 的接入環(huán)、匯聚環(huán)收斂后接入S/PGW-U 或UPF，完成移動業(yè)務(wù)請求的封裝，并通過SGi/N6 接口接入多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)MSG-U訪問互聯(lián)網(wǎng)。省去本地UTN 2 個層級、本地承載網(wǎng)及骨干承載網(wǎng)所有層級，以及Gi 路由器，實(shí)現(xiàn)移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載的高度扁平化。

固網(wǎng)業(yè)務(wù)包含寬帶業(yè)務(wù)、IPTV 業(yè)務(wù)、專線業(yè)務(wù)及VPN 業(yè)務(wù)，原來通過BRAS、SR、PE、BNG 等設(shè)備匯聚接入，現(xiàn)統(tǒng)一由MSG-U 接入和承載。MSG 可以有效地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離。MSG-U 分布在邊緣云，負(fù)責(zé)移網(wǎng)和固網(wǎng)業(yè)務(wù)的接入和承載。

S/PGW-C、SMF/AMF/PCF 和MSG-C 在省中心或地（市）核心機(jī)房集中部署，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)S/PGW-U、UPF 和MSG-U 管理、控制，實(shí)現(xiàn)資源的集中控制及統(tǒng)一配置、業(yè)務(wù)快捷開通，提升了網(wǎng)絡(luò)效率，增強(qiáng)了資源調(diào)度的靈活性。

計費(fèi)、安全等問題的解決為邊緣云部署第三方應(yīng)用提供了先決條件。在移網(wǎng)核心網(wǎng)下沉邊緣云的同時，運(yùn)營商參照傳統(tǒng)方式，與S/PGW-U 或UPF 同步部署安全采集、防攻擊系統(tǒng)。在匯聚機(jī)房部署相關(guān)安全防護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)對多業(yè)務(wù)MEC/CDN 服務(wù)器及相關(guān)邊緣云業(yè)務(wù)的全面防護(hù)。將S/PGW-U 或UPF 網(wǎng)元下沉到邊緣云實(shí)現(xiàn)了邊緣計算的計費(fèi)功能。

業(yè)務(wù)編排器完成與匯聚層邊緣云相關(guān)的5G 切片和QoS 保障統(tǒng)一編排管理。通過業(yè)務(wù)編排器進(jìn)行切片/QoS 統(tǒng)一編排管理、切片/QoS 保障能力整合、切片/QoS 保障能力封裝，把復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)切片/QoS 保障功能在運(yùn)營商內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，化繁為簡，業(yè)務(wù)編排器對外提供輕量級的簡便API接口，實(shí)現(xiàn)5G 切片/QoS 保障能力對外開放，方便第三方廠商低門檻靈活調(diào)用運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)能力，從而實(shí)現(xiàn)差異化、定制化的業(yè)務(wù)質(zhì)量保障，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)能力高價值變現(xiàn)，提升運(yùn)營商核心競爭力。

3.2.2 降低業(yè)務(wù)時延和帶寬占用

運(yùn)營商通過將包含第三方熱點(diǎn)應(yīng)用的內(nèi)容部署在邊緣云，并將邊緣云與MSG-U對接。如果要訪問的熱點(diǎn)內(nèi)容已經(jīng)分發(fā)至邊緣云，就由邊緣云就近提供服務(wù)，這樣有效降低了業(yè)務(wù)訪問時延，并且減少了MSGU 以上層級網(wǎng)絡(luò)的帶寬占用。另外，某些特定的應(yīng)用（如視頻監(jiān)控、安全監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析等）需要將大量的數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)邊緣，邊緣云的第三方應(yīng)用可以先做分析和預(yù)處理，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象、壓縮和緩存，再傳送到核心云上去。這樣會大大減少送往核心云的數(shù)據(jù)流量，從而節(jié)省了匯聚層以上傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬。

業(yè)務(wù)下沉至邊緣節(jié)點(diǎn)減少了終端到邊緣云途經(jīng)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)量，只涉及到本地接入網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，如需擴(kuò)容，地（市）公司完全可控，避免受到總部、省公司擴(kuò)容流程的影響，大大提高了業(yè)務(wù)響應(yīng)速度。

3.2.3 商用可行性

運(yùn)營商充分發(fā)揮豐富的移網(wǎng)、固網(wǎng)接入網(wǎng)資源和本地化支撐服務(wù)的優(yōu)勢，向第三方提供基于匯聚層邊緣云IaaS/PaaS 資源和多業(yè)務(wù)接入網(wǎng)資源的云網(wǎng)一體化產(chǎn)品，發(fā)揮運(yùn)營商的獨(dú)特競爭優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)匯聚層邊緣云和接入網(wǎng)的能力開放和高價值變現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以允許多個第三方OTT 廠商接入?yún)R聚層邊緣云的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，在匯聚層邊緣云上部署各類應(yīng)用，如云游戲、物聯(lián)網(wǎng)、高清視頻、視頻直播、即時通信等內(nèi)容，在靠近目標(biāo)用戶的區(qū)域進(jìn)行云網(wǎng)協(xié)同，為用戶提供低時延、大帶寬、低抖動、性能穩(wěn)定的高品質(zhì)服務(wù)。入駐邊緣云的第三方廠商越多，運(yùn)營商的收益越高，而每個廠商相應(yīng)承擔(dān)的成本費(fèi)用就越低，這種商業(yè)合作模式就越具備可行性。

匯聚層邊緣云與移網(wǎng)、固網(wǎng)終端用戶之間傳輸跳數(shù)較少，傳輸時延較低，這為保障固移用戶體驗(yàn)提供了良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。同時，匯聚層邊緣云在網(wǎng)絡(luò)中的位置相對靠上（相對于在接入層部署邊緣云），實(shí)現(xiàn)本地網(wǎng)全網(wǎng)覆蓋所需的邊緣云數(shù)量相對較少，部署方式靈活，可以在用戶密集區(qū)域、業(yè)務(wù)熱點(diǎn)區(qū)域先行部署，再根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展和效益評估情況逐步擴(kuò)展部署，這樣有助于運(yùn)營商和OTT 廠商降低部署成本和運(yùn)營成本，也滿足業(yè)務(wù)遍及全國的大型OTT 廠商（如騰訊、阿里、百度、京東等）對覆蓋范圍、覆蓋用戶類型（移網(wǎng)和固網(wǎng)）、保障用戶體驗(yàn)和控制部署運(yùn)營成本的綜合要求。

3.2.4 降低終端用戶成本

一些復(fù)雜的計算任務(wù)可以從移動終端轉(zhuǎn)移到計算力更強(qiáng)且時延最低的邊緣云上，以云端游戲?yàn)槔?，運(yùn)營商可在邊緣云部署云服務(wù)器，讓游戲在服務(wù)器的虛擬機(jī)上運(yùn)行，用戶在自己的手機(jī)或電腦上訪問虛擬機(jī)。較低配置的終端只需完成用戶動作輸入，主要功能如游戲背景（畫面、音效）渲染在邊緣云服務(wù)器端執(zhí)行，這樣就降低游戲?qū)κ謾C(jī)計算、功耗等性能的要求，讓較低配置的手機(jī)能享受高端手機(jī)相同的體驗(yàn)。

3.2.5 發(fā)揮云網(wǎng)一體優(yōu)勢

運(yùn)營商充分發(fā)揮移網(wǎng)、固網(wǎng)接入網(wǎng)資源和本地化支撐服務(wù)優(yōu)勢，向第三方提供基于IaaS/PaaS 層邊緣云資源（計算、存儲、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)能力、網(wǎng)絡(luò)和用戶全信息提供API 接口供調(diào)用）和多業(yè)務(wù)接入網(wǎng)資源的云網(wǎng)一體化產(chǎn)品，打造運(yùn)營商的核心競爭力，實(shí)現(xiàn)邊緣云和接入網(wǎng)的能力開放和變現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以允許第三方接入邊緣云的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，在邊緣云部署各類應(yīng)用，比如云游戲、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、視頻類應(yīng)用，在靠近目標(biāo)用戶的區(qū)域進(jìn)行云網(wǎng)協(xié)同，為用戶提供低時延、大帶寬、穩(wěn)定的高品質(zhì)服務(wù)。

3.2.6 保障用戶體驗(yàn)一致性

由于在邊緣云實(shí)現(xiàn)了固移綜合接入，終端可通過固網(wǎng)或移網(wǎng)訪問邊緣云上的第三方應(yīng)用。例如在邊緣云部署的云端游戲可支持不同手機(jī)、電腦終端之間快速切屏操作，在臺式機(jī)上玩云游戲時，如果臨時需要在這臺電腦上完成一些工作，可以拿出智能手機(jī)，登錄游戲，游戲會自動切換到手機(jī)屏幕上。

3.2.7 提升邊緣云業(yè)務(wù)體驗(yàn)

邊緣云服務(wù)器部署在匯聚節(jié)點(diǎn)，終端分別經(jīng)過基站、IPRAN 接入環(huán)、固定接入網(wǎng)訪問邊緣云服務(wù)器。影響用戶體驗(yàn)的主要因素是擁塞、誤碼和時延，需要在接入側(cè)進(jìn)行QoS保障，主要措施如下：

a）通過PCRF/PCF 對數(shù)據(jù)流使用的移網(wǎng)空口、移動核心網(wǎng)資源進(jìn)行QoS優(yōu)先級保障。

b）通過編排器對數(shù)據(jù)流使用的傳輸網(wǎng)、承載網(wǎng)、寬帶網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)資源進(jìn)行QoS優(yōu)先級保障。

c）通過UPF、S/PGW-U 或MSG-U 采用傳輸控制協(xié)議（TCP）優(yōu)化措施對業(yè)務(wù)請求對應(yīng)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行優(yōu)化處理，優(yōu)化處理具體包括傳輸控制協(xié)議確認(rèn)字符（TCP ACK）分裂功能和TCP亂序重排。前者在TCP慢啟動階段對上行TCP ACK 報文進(jìn)行適當(dāng)分裂，以加快下行TCP發(fā)送窗口增長速度，提高播放速率；后者對上層網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的亂序TCP 數(shù)據(jù)包進(jìn)行重排序，減少不必要的下行重傳。

3.2.8 支持面向5GC的平滑演進(jìn)

在有業(yè)務(wù)應(yīng)用需求的匯聚區(qū)域單點(diǎn)部署S/PGWU 或UPF 設(shè)備，承載邊緣云的業(yè)務(wù)，以實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)。本文的部署架構(gòu)在設(shè)備形態(tài)選擇和業(yè)務(wù)處理方式方面與5G 核心網(wǎng)的演進(jìn)方向一致?；?G CUPS 架構(gòu)和5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，4G 和5G 無線網(wǎng)絡(luò)融合接入，用戶面和控制面分離，控制面網(wǎng)關(guān)集中配置和統(tǒng)一接口，部署在核心云，用戶面網(wǎng)關(guān)分布式靈活部署，部署在邊緣云，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)在超低時延、超高帶寬、超強(qiáng)穩(wěn)定性等業(yè)務(wù)上的處理能力，具體如圖2所示。

圖2 邊緣云支持向5G CORE的平滑演進(jìn)

4 結(jié)論

本文對云業(yè)務(wù)、4G/5G 及固移融合綜合承載的趨勢進(jìn)行分析，提出了面向邊緣云和接入網(wǎng)的云網(wǎng)一體運(yùn)營方法，運(yùn)營商在匯聚節(jié)點(diǎn)部署輕量級的邊緣云，將邊緣云的IaaS/PaaS 能力向第三方開放，由第三方在邊緣云部署各類應(yīng)用，移網(wǎng)和固網(wǎng)流量在邊緣云進(jìn)行卸載，就近訪問第三方應(yīng)用內(nèi)容，提升用戶體驗(yàn)，打造新的業(yè)務(wù)合作模式。邊緣云和接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)協(xié)同，發(fā)揮云網(wǎng)一體的優(yōu)勢，滿足低時延邊緣云業(yè)務(wù)的需求。