邊緣計(jì)算在優(yōu)化遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用研究

諸茂華，關(guān)月芝，溫玉波，劉綺姮

(國(guó)家海洋局南海信息中心 廣州 510320)

0 引言

海島在海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用，同時(shí)是優(yōu)化海洋開(kāi)發(fā)利用的重要載體。隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)和“一帶一路”建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多遠(yuǎn)離大陸的海島被開(kāi)發(fā)利用。遠(yuǎn)島觀測(cè)資料對(duì)于合理開(kāi)發(fā)利用海島資源、保護(hù)海島生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)外都在加大力度建設(shè)海洋觀測(cè)系統(tǒng)，遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸是海洋觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)面臨的難題之一。由于在遠(yuǎn)島建立海底光纜等電纜網(wǎng)絡(luò)的工作量大且難度高，目前遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸主要依靠衛(wèi)星通信技術(shù)，但衛(wèi)星通信技術(shù)存在傳輸費(fèi)用高、實(shí)時(shí)性差和網(wǎng)絡(luò)接入復(fù)雜等突出問(wèn)題。

本研究著重于海洋觀測(cè)系統(tǒng)在優(yōu)化遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方面的創(chuàng)新，提出基于邊緣計(jì)算的遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化方法，主要利用邊緣計(jì)算模式可在靠近數(shù)據(jù)源頭提供服務(wù)的特點(diǎn)，解決傳統(tǒng)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸依賴衛(wèi)星通信技術(shù)而帶來(lái)的問(wèn)題。邊緣計(jì)算主要側(cè)重于將對(duì)傳輸可靠性和實(shí)時(shí)性要求高的原始數(shù)據(jù)的計(jì)算放在邊緣側(cè)，而不是將所有原始數(shù)據(jù)的計(jì)算都放在信息中心處理。本研究在網(wǎng)絡(luò)中引入基于邊緣計(jì)算MEC-SDN架構(gòu)，以降低無(wú)線通信時(shí)延和提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效率，使網(wǎng)絡(luò)資源可以動(dòng)態(tài)靈活地調(diào)度和分配，從而達(dá)到優(yōu)化整體觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的效果。相對(duì)于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)，該架構(gòu)更適合遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析和智能化處理。

1 遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸面臨的挑戰(zhàn)

1.1 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)具有類型復(fù)雜、來(lái)源廣泛和數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。目前海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取主要依托于岸基觀測(cè)儀器、浮標(biāo)、志愿船、雷達(dá)和衛(wèi)星遙感等觀測(cè)手段，每種觀測(cè)手段應(yīng)用的設(shè)備類型不盡相同，如浮標(biāo)觀測(cè)設(shè)備包括淺海浮標(biāo)、深海浮標(biāo)、海嘯浮標(biāo)、波浪遙測(cè)浮標(biāo)、Argo浮標(biāo)和錨系浮標(biāo)等。海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)類型以多種形式共存，如各類型的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、視頻和遙感圖像。數(shù)據(jù)量從GB級(jí)到PB級(jí)，目前遙感數(shù)據(jù)和雷達(dá)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)。

由于海洋觀測(cè)的應(yīng)用多種多樣(如潮水位預(yù)警、海嘯預(yù)警和海浪預(yù)警)，大部分海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)具有不同的標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制和時(shí)效(如實(shí)時(shí)和延時(shí))要求，數(shù)據(jù)傳輸頻率各不相同(如每天或每小時(shí))。

1.2 遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒扌?/h3>

由于衛(wèi)星通信技術(shù)具有局限性，目前遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸主要存在4個(gè)突出問(wèn)題。

1.2.1 通信費(fèi)用高

遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)通常通過(guò)海事衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星傳輸，而衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸成本普遍根據(jù)數(shù)據(jù)量計(jì)算，通信費(fèi)用較高。原始數(shù)據(jù)中經(jīng)常含有冗余信息，會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸量和浪費(fèi)通信資源。隨著海洋觀測(cè)手段的增多，觀測(cè)數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，而衛(wèi)星帶寬有限，海量數(shù)據(jù)易在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生通信“瓶頸”，造成通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

1.2.2 數(shù)據(jù)易丟失

由于海洋環(huán)境惡劣，通信設(shè)備易出現(xiàn)信號(hào)和電源供應(yīng)不穩(wěn)定的情況，硬件設(shè)備也易發(fā)生故障，造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤率提高，影響海洋觀測(cè)工作。

1.2.3 數(shù)據(jù)源具有異構(gòu)性

由于海洋觀測(cè)設(shè)備類型眾多，其中還包括一些自主研發(fā)設(shè)備，導(dǎo)致出現(xiàn)越來(lái)越多的新協(xié)議和越來(lái)越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)接入。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，各管理系統(tǒng)通常只對(duì)單個(gè)設(shè)備或采集設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理，這些設(shè)備與對(duì)應(yīng)軟件之間的通信通常采用不同的數(shù)據(jù)交換協(xié)議和特定的驅(qū)動(dòng)程序，因此在系統(tǒng)中往往存在驅(qū)動(dòng)程序重復(fù)開(kāi)發(fā)和適用性差等問(wèn)題。

1.2.4 難以滿足應(yīng)用系統(tǒng)需求

隨著信息化的發(fā)展，應(yīng)用系統(tǒng)更加多樣化和專業(yè)化，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量和時(shí)效的要求越來(lái)越高，數(shù)據(jù)處理工作也越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸方式會(huì)大大增加服務(wù)的響應(yīng)時(shí)間，降低服務(wù)的時(shí)效性，難以滿足現(xiàn)代應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸高質(zhì)量和低延時(shí)的需求。

2 遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化

2.1 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算(Edge Computing，EC)是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的新的計(jì)算模型。網(wǎng)絡(luò)邊緣可以是從數(shù)據(jù)源到云中心的任何功能實(shí)體[1]。邊緣設(shè)備不僅可以從云中心請(qǐng)求服務(wù)，而且可以執(zhí)行不同類型的服務(wù)計(jì)算任務(wù)，如設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、任務(wù)緩存、計(jì)算處理和隱私保護(hù)等[2]。

2.2 移動(dòng)邊緣計(jì)算

移動(dòng)邊緣計(jì)算(Mobile Edge Computing，MEC)是邊緣計(jì)算模型的組成部分，利用先進(jìn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算任務(wù)遷移到就近的邊緣服務(wù)器上[3]。由于MEC位于無(wú)線接入網(wǎng)中且距離移動(dòng)用戶較近，可以實(shí)現(xiàn)更多的低延遲和高帶寬，從而提高服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署緩存和服務(wù)，不僅可以減少擁塞，而且可以有效地響應(yīng)用戶請(qǐng)求。

2.2.1 MEC對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

邊緣緩存和計(jì)算遷移是MEC的關(guān)鍵技術(shù)。有效使用MEC服務(wù)器存儲(chǔ)資源進(jìn)行邊緣緩存，可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載并提高傳輸性能。計(jì)算遷移可以將應(yīng)用程序的計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到MEC服務(wù)器上執(zhí)行，而MEC服務(wù)器的計(jì)算能力遠(yuǎn)勝于終端設(shè)備，因此應(yīng)用程序可以獲得更好的性能，同時(shí)減輕數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)通信的壓力[4]。

2.2.1.1 邊緣緩存的特點(diǎn)

不同的程序通常具有不同的性能要求，邊緣緩存的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面[5]。①提高系統(tǒng)容量。已有研究表明，網(wǎng)絡(luò)邊緣緩存可以顯著提高系統(tǒng)的整體容量。②縮短服務(wù)延遲。由于邊緣節(jié)點(diǎn)非?？拷鼣?shù)據(jù)源，使用邊緣服務(wù)器執(zhí)行內(nèi)容緩存可以有效減少數(shù)據(jù)傳輸延遲。③減少傳輸開(kāi)銷。通過(guò)優(yōu)化邊緣緩存節(jié)點(diǎn)之間的傳輸協(xié)作，可以提高數(shù)據(jù)傳輸性能。

2.2.1.2 計(jì)算遷移的特點(diǎn)

計(jì)算遷移決策是錯(cuò)綜復(fù)雜的過(guò)程，會(huì)受到設(shè)備性能、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和用戶偏好等因素的影響。其中，任務(wù)類型是影響因素之一，決定被遷移的計(jì)算任務(wù)可否被劃分、哪些計(jì)算任務(wù)支持執(zhí)行遷移以及如何進(jìn)行計(jì)算任務(wù)遷移。在決定計(jì)算遷移策略前應(yīng)主要確定3個(gè)事項(xiàng)。①確定可被遷移和不可被遷移的計(jì)算任務(wù)。②確定程序的連續(xù)性，計(jì)算遷移對(duì)于連續(xù)性任務(wù)會(huì)相當(dāng)困難。③確定計(jì)算任務(wù)之間的關(guān)系是并行還是串行:對(duì)于并行任務(wù)，可以遷移；對(duì)于串行任務(wù)，由于計(jì)算任務(wù)之間具有相互依賴的關(guān)系，相對(duì)來(lái)說(shuō)不適合遷移。

除上述影響因素外，計(jì)算遷移還應(yīng)考慮時(shí)延的問(wèn)題。通常而言，遷移延遲的計(jì)算包括從任務(wù)到邊緣服務(wù)器的傳輸時(shí)間、邊緣服務(wù)器上任務(wù)的計(jì)算時(shí)間以及接收任務(wù)計(jì)算結(jié)果的時(shí)間。

2.2.1.3 MEC的策略方法

現(xiàn)有研究成果已提出許多緩存算法和策略。例如:在邊緣緩存中利用視頻感知回程與無(wú)線信道調(diào)度技術(shù)，能最大限度地增加端到端網(wǎng)絡(luò)和視頻會(huì)話數(shù)量；與使用傳統(tǒng)緩存相比，使用邊緣緩存可以提高50%以上的容量[6]；在寬帶受限的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，使用邊緣緩存可顯著提高視頻容量，并具有非常低的延遲概率。

使用邊緣緩存須兼顧緩存內(nèi)容的多樣性和冗余性。在網(wǎng)絡(luò)邊緣緩存使用頻率最高的內(nèi)容可減少負(fù)載，從而降低回程鏈路的成本。決定緩存哪些文件以及將其緩存到哪里非常重要，利用兼顧基站緩存內(nèi)容多樣性和冗余性的分布式緩存方案，尋找最優(yōu)冗余緩存方法，從而決定在不同的基站緩存相同或不同的內(nèi)容。該方法的目標(biāo)是將網(wǎng)絡(luò)的總傳輸成本最小化，包括無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的成本以及通過(guò)回程鏈路傳輸?shù)胶诵木W(wǎng)絡(luò)的成本。采用自適應(yīng)粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)求解給定系統(tǒng)配置下的最優(yōu)冗余度，結(jié)果表明最優(yōu)冗余度主要受回程/無(wú)線電接入網(wǎng)(Radio Access Network，RAN)單位成本比和文件熱度分布陡度2個(gè)參數(shù)的影響；當(dāng)選擇最優(yōu)冗余度時(shí)，在給定回程/RAN單位成本比的情況下，總成本最高可降低54%，在典型的文件請(qǐng)求模式下最高可降低57%[7]。

對(duì)于多信道無(wú)線干擾環(huán)境下MEC的多用戶計(jì)算遷移問(wèn)題，可采用博弈論的方法實(shí)現(xiàn)分布式高效的計(jì)算遷移，即將移動(dòng)設(shè)備之間的分布式計(jì)算遷移決策問(wèn)題描述為1個(gè)多用戶計(jì)算遷移博弈，且該博弈存在納什均衡。隨著用戶規(guī)模的擴(kuò)大，該方法能夠獲得較好的計(jì)算性能和可擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)證明，利用分布式計(jì)算遷移方案，邊緣計(jì)算的性能比云計(jì)算提高30%；邊緣計(jì)算的系統(tǒng)開(kāi)銷比云計(jì)算(所有任務(wù)在云端處理)減少51%，比本地計(jì)算(所有任務(wù)在本地用戶處理)減少55%～68%[8]。

計(jì)算遷移策略的設(shè)計(jì)不可避免地會(huì)遇到具有挑戰(zhàn)性的雙時(shí)間尺度隨機(jī)優(yōu)化問(wèn)題。對(duì)于較長(zhǎng)的時(shí)間，應(yīng)考慮在本地執(zhí)行任務(wù)還是將任務(wù)遷移到MEC服務(wù)器計(jì)算；而對(duì)于較短的時(shí)間，任務(wù)輸入數(shù)據(jù)的傳輸策略應(yīng)與信道側(cè)信息相適應(yīng)。利用馬爾可夫決策過(guò)程方法，應(yīng)根據(jù)任務(wù)緩沖區(qū)的排隊(duì)狀態(tài)、本地處理單元的執(zhí)行狀態(tài)以及傳輸單元的狀態(tài)來(lái)遷移計(jì)算任務(wù)。通過(guò)解析每種任務(wù)的平均時(shí)延和終端設(shè)備的平均消耗，采用一維搜索算法解決消耗延遲最小化的問(wèn)題，并尋找最優(yōu)化調(diào)度。實(shí)驗(yàn)證明，最優(yōu)隨機(jī)任務(wù)遷移策略比基準(zhǔn)策略的平均執(zhí)行延遲更短，最多可減少80%的延遲[9]。

綜上所述，邊緣緩存和計(jì)算遷移能有效地提高系統(tǒng)整體容量、縮短服務(wù)延時(shí)、減少傳輸開(kāi)銷和提高計(jì)算性能。

2.2.2 MEC在海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

由于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限且數(shù)據(jù)量較大，海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的衛(wèi)星通信易出現(xiàn)“擁堵”現(xiàn)象。對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸排隊(duì)導(dǎo)致的通信延遲問(wèn)題，可通過(guò)MEC架構(gòu)，根據(jù)隨機(jī)任務(wù)遷移算法生成任務(wù)遷移策略，最小化終端設(shè)備資源消耗和執(zhí)行時(shí)延，將部分計(jì)算任務(wù)遷移到邊緣端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的線性控制和優(yōu)化。同一個(gè)協(xié)作集合內(nèi)的邊緣緩存節(jié)點(diǎn)能夠與鄰居共享其上下文信息，并根據(jù)這些信息指導(dǎo)本節(jié)點(diǎn)的緩存更新策略，通過(guò)邊緣服務(wù)提供額外的存儲(chǔ)和計(jì)算資源，從而提高應(yīng)用的時(shí)效性。

海況視頻、地波雷達(dá)和高精度遙感影像等大容量數(shù)據(jù)須耗費(fèi)較多的帶寬和通信費(fèi)用，通信延遲的情況時(shí)有發(fā)生。①對(duì)于海況視頻數(shù)據(jù)的傳輸，可依托MEC的邊緣視頻圖像預(yù)處理技術(shù)，具有計(jì)算能力的邊緣計(jì)算視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以提高前端攝像頭的智能計(jì)算能力[10]，通過(guò)對(duì)視頻執(zhí)行預(yù)處理任務(wù)，把視頻中的冗余信息去除，并把部分或全部視頻分辨率移至邊緣，從而降低存儲(chǔ)空間、帶寬占用和通信費(fèi)用；②對(duì)于地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的傳輸，在邊緣服務(wù)器中使用預(yù)處理算法，并通過(guò)邊緣服務(wù)之間的互相協(xié)調(diào)提前進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)矯正工作，將徑向流數(shù)據(jù)合成為矢量流場(chǎng)數(shù)據(jù)，從而提高傳輸效率；③對(duì)于高精度遙感影像數(shù)據(jù)的傳輸，為壓減上傳的數(shù)據(jù)，利用基于行為感知的彈性存儲(chǔ)機(jī)制，邊緣計(jì)算可提供具有預(yù)處理能力的平臺(tái)，實(shí)時(shí)解讀影像中的行為特征，基于行為特征進(jìn)行決策，并對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，不僅可以縮小無(wú)效圖像的存儲(chǔ)空間，而且可以將目標(biāo)影像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)最大化，從而增強(qiáng)信息的可信度和提高存儲(chǔ)空間的利用率。

2.3 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking，SDN)已逐漸成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的主流，其設(shè)計(jì)思想是將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與控制平面分開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)編程控制。將SDN應(yīng)用于邊緣計(jì)算，可支持?jǐn)?shù)量眾多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入，實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)展，提供高效率和低成本的自動(dòng)化運(yùn)維管理[11]。

2.3.1 SDN對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化

SDN的目的是實(shí)現(xiàn)管理的集中化和智能化，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于MEC的SDN架構(gòu)

將邊緣服務(wù)器合并到網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)使用SDN機(jī)制，可將來(lái)自邊緣的業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)路由到可向用戶提供最高質(zhì)量服務(wù)的層和服務(wù)器。由于SDN模式將網(wǎng)絡(luò)智能集中在基于軟件的中央控制器，可使相對(duì)簡(jiǎn)單的邊緣設(shè)備不必執(zhí)行復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)(如服務(wù)發(fā)現(xiàn)和協(xié)調(diào))。SDN管理的多層邊緣計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施在減少邊緣設(shè)備遇到障礙和限制方面具有較好的能力，能夠滿足性能和延遲等服務(wù)質(zhì)量需求，并提高用戶滿意度[12]。

2.3.2 SDN在海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

優(yōu)化海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題之一是解決信息管理系統(tǒng)與各觀測(cè)點(diǎn)底層之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，而SDN是很好的解決方案。SDN對(duì)用戶尤其是應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員和服務(wù)供應(yīng)商隱藏所有的內(nèi)部復(fù)雜情況，憑借其網(wǎng)絡(luò)編程能力，通過(guò)向最終用戶隱藏這種異構(gòu)環(huán)境的復(fù)雜性，自然成為協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)和設(shè)備的候選方案；其將控制與數(shù)據(jù)平面分離，實(shí)現(xiàn)可編程控制機(jī)制[13]，以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、清除網(wǎng)絡(luò)流量、增加網(wǎng)絡(luò)容量以及促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的虛擬化。

SDN可滿足海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)在多種異構(gòu)設(shè)備管理、邊緣計(jì)算資源管理和快速應(yīng)用集成等方面的需求，降低邊緣計(jì)算體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性[14]。

3 基于MEC-SDN的遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為滿足海洋觀測(cè)系統(tǒng)邊緣計(jì)算服務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)可靠和靈活可重構(gòu)的要求，本研究基于MEC-SDN搭建海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)高效網(wǎng)絡(luò)和極簡(jiǎn)運(yùn)維2個(gè)關(guān)鍵價(jià)值，分別帶來(lái)的效益是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠和業(yè)務(wù)靈活調(diào)整?；贛EC-SDN的遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于MEC-SDN的遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于MEC是開(kāi)放架構(gòu)的平臺(tái)，可根據(jù)實(shí)際情況靈活地部署在不同的位置，以滿足不同的服務(wù)需求[15]。把MEC服務(wù)器部署在海島基站側(cè)，傳感設(shè)備負(fù)責(zé)獲取各種異構(gòu)數(shù)據(jù)，并發(fā)送到MEC服務(wù)器[16]；位于基站側(cè)的MEC服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并與緩存中的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，如果系統(tǒng)訪問(wèn)的內(nèi)容已經(jīng)在本地緩存中，則可直接將緩存內(nèi)容定向推送給應(yīng)用。此外，歷史數(shù)據(jù)也可在邊緣服務(wù)器中訓(xùn)練，根據(jù)不同的需求選擇訓(xùn)練模型，并在邊緣服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。這樣部分?jǐn)?shù)據(jù)請(qǐng)求無(wú)須經(jīng)過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)，可減少協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)大大減少無(wú)線網(wǎng)關(guān)緩存的數(shù)據(jù)量，降低對(duì)無(wú)線網(wǎng)關(guān)能力的要求，并減少因TCP協(xié)議而造成的時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

除添加邊緣服務(wù)器外，無(wú)線網(wǎng)關(guān)也可作為邊緣處理的組成部分。邊緣網(wǎng)關(guān)具有聯(lián)網(wǎng)能力，可將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)整合，在進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算后再把數(shù)據(jù)發(fā)送到中心網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不能及時(shí)反饋運(yùn)算結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)時(shí)效性將大受影響；而邊緣網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的邏輯保障網(wǎng)關(guān)可在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單調(diào)度運(yùn)算，從而提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

SDN部署于信息中心網(wǎng)絡(luò)中，并提供統(tǒng)一的控制平面接口[17]。根據(jù)物理布局，SDN通常分為插入導(dǎo)入模式、核心SDN導(dǎo)入模式、邊緣SDN導(dǎo)入模式和邊緣Overlay導(dǎo)入模式等。根據(jù)遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際情況和需求，將所有設(shè)備集約化顯然不現(xiàn)實(shí)，而適合采取邊緣SDN導(dǎo)入模式，即只需將邊緣網(wǎng)絡(luò)SDN化，允許原有網(wǎng)絡(luò)和SDN網(wǎng)絡(luò)并存，并在原有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下按實(shí)際需求局部導(dǎo)入SDN模式。

使用邊緣SDN導(dǎo)入模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備集約和虛擬租戶網(wǎng)，把分散部門的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一配置和統(tǒng)一管理。虛擬租戶網(wǎng)的管理員權(quán)限根據(jù)部門需求提供，保證各部門能夠自由配置本部門的網(wǎng)絡(luò)。在海洋觀測(cè)工作中，有不少組織是工程指向型，即當(dāng)項(xiàng)目或研究開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都須構(gòu)建或解體網(wǎng)絡(luò)，組織變化較為頻繁。例如:開(kāi)展某項(xiàng)海洋調(diào)查研究工作，各部門使用不同廠商的傳感設(shè)備，其局域網(wǎng)都是物理隔離，同時(shí)還要與外部企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，造成網(wǎng)絡(luò)配置復(fù)雜；使用SDN實(shí)現(xiàn)的虛擬租戶網(wǎng)不僅能夠方便地隔離各部門的網(wǎng)絡(luò)，而且能夠利用SDN控制器的操作接口迅速完成傳感設(shè)備調(diào)度時(shí)的網(wǎng)絡(luò)配置變更，減少用于網(wǎng)絡(luò)配置的人工費(fèi)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究引入邊緣計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)，順應(yīng)MEC和SDN的技術(shù)融合趨勢(shì)，提出基于MEC-SDN的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，優(yōu)化遠(yuǎn)島觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)促進(jìn)海洋觀測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展和研究。

隨著5 G時(shí)代的到來(lái)，海洋物聯(lián)網(wǎng)也必然加快發(fā)展，邊緣智能將成為其特征之一。5 G無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施將支持大量的傳輸設(shè)備和復(fù)雜的應(yīng)用程序，這就要求網(wǎng)絡(luò)支持高吞吐量、超低延遲、高可擴(kuò)展性和穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，MEC-SDN架構(gòu)可良好地適應(yīng)未來(lái)海洋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求，為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯聚、解析和挖掘提供基礎(chǔ)條件。