移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)服務(wù)器測(cè)試方法

付韜

摘要 云計(jì)算中心能夠提供彈性的資源池，促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)中“資源即服務(wù)”模式的發(fā)展。然而隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)成熟，海量通信終端的接入需要移動(dòng)通信服務(wù)提供實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的解決方案，以滿足智能終端的延遲敏感應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)邊緣聚合等資源密集型應(yīng)用的需求。移動(dòng)邊緣計(jì)算作為鄰近移動(dòng)終端的局部云平臺(tái)方案，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)通信基站作為云服務(wù)節(jié)點(diǎn)，在互聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中距離移動(dòng)終端更近，能夠增強(qiáng)未來智能互聯(lián)設(shè)備的工作性能，支撐更多復(fù)雜應(yīng)用的研發(fā)與推廣。本文針在分析現(xiàn)有移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，簡單探究了移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器的測(cè)試方法。

【關(guān)鍵詞】移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng) 移動(dòng)邊緣計(jì)算 系統(tǒng)測(cè)試

1 背景

隨著移動(dòng)通信即將進(jìn)入5G時(shí)代，智慧城市、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，提供更加深度處理的信息服務(wù)。隨著以物聯(lián)網(wǎng)為代表的可通信終端數(shù)量遵循摩爾定律增多，如此大量的節(jié)點(diǎn)訪問云計(jì)算中心是十分低效的。同時(shí)，手機(jī)等智能終端運(yùn)行更多資源密集型的應(yīng)用，需要實(shí)時(shí)獲得更多的云服務(wù)。在上述背景下，尋找智能終端和云計(jì)算中心之間的折衷方案成為一種共識(shí)。為了提高云資源的獲取速度，國內(nèi)外提出了霧計(jì)算、移動(dòng)邊緣計(jì)算、Cloudlet等技術(shù)。

霧計(jì)算各節(jié)點(diǎn)資源較少，主要用于數(shù)據(jù)初步處理，強(qiáng)調(diào)組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)資源共享;Cloudlet則依托WIFI路由器提供資源，適用于家庭環(huán)境。這兩種方案的節(jié)點(diǎn)資源相對(duì)較少，均適用于終端較少的生活與生產(chǎn)環(huán)境，移動(dòng)邊緣計(jì)算旨在向移動(dòng)用戶提供邊緣云服務(wù)，可同時(shí)向大量用戶提供計(jì)算、存儲(chǔ)與信息共享功能。未來在城市中，移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器可以成為移動(dòng)通信基站的一部分，向手機(jī)用戶提供附加服務(wù);在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，可以作為數(shù)據(jù)匯聚的中心節(jié)點(diǎn)，提高信息采集效率，進(jìn)行復(fù)雜的與處理工作;在5G網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)高效信息共享，提供高清視頻與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)服務(wù)。英特爾與中國移動(dòng)提出了采用移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高清在線視頻加速系統(tǒng)。可見不久的將來，移動(dòng)邊緣計(jì)算支撐的各類應(yīng)用將提高整個(gè)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)水平。

目前，移動(dòng)邊緣計(jì)算領(lǐng)域存在多種架構(gòu)各異的實(shí)現(xiàn)方案，尚沒有完整的移動(dòng)邊緣計(jì)算測(cè)試方案，這為評(píng)估相關(guān)系統(tǒng)并選擇合適的技術(shù)方案帶來困難。本文分析了移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)的基本架構(gòu)，簡單討論了其各子系統(tǒng)的測(cè)試方法。

2 移動(dòng)邊緣計(jì)算

移動(dòng)邊緣計(jì)算（ Mobile Edge Computing，MEC）的雛形是諾基亞實(shí)現(xiàn)的可鄰近獲取云服務(wù)的小型服務(wù)基站，2014年歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織ETSI給出了其定義，可以認(rèn)為移動(dòng)邊緣計(jì)算是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)基站提供信息服務(wù)和云計(jì)算資源的技術(shù)，由于部署在鄰近移動(dòng)終端的網(wǎng)絡(luò)邊緣，能夠適應(yīng)延遲敏感應(yīng)用的需求。與霧計(jì)算等弱基站不同，移動(dòng)邊緣計(jì)算依托LTE移動(dòng)運(yùn)營商基站，可以加載面向多連接并行處理的計(jì)算、存儲(chǔ)和通信資源，為區(qū)域內(nèi)大量用戶同時(shí)服務(wù)。這種運(yùn)營模式有利于快速推廣移動(dòng)云服務(wù)，提高相關(guān)設(shè)備和資源的復(fù)用程度，實(shí)現(xiàn)高性能邊緣云平臺(tái)的高利用率，能夠更快地支撐相關(guān)應(yīng)用軟件的開發(fā)。MEC架構(gòu)如圖1。

服務(wù)器所有者的管理編排應(yīng)用通過管理接口將配置命令下發(fā)至移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器，服務(wù)器管理器會(huì)根據(jù)配置調(diào)整系統(tǒng)應(yīng)用、移動(dòng)邊緣計(jì)算平臺(tái)和虛擬化架構(gòu)。移動(dòng)邊緣平臺(tái)負(fù)責(zé)處理移動(dòng)終端的各種請(qǐng)求、針對(duì)每一個(gè)用戶分配資源，虛擬化架構(gòu)用于劃分資源的實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)邊緣計(jì)算應(yīng)用主要包含常用的固定應(yīng)用和各用戶定制的個(gè)人應(yīng)用，MEC服務(wù)器應(yīng)用集合的選擇直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。

3 移動(dòng)邊緣測(cè)試

移動(dòng)邊緣計(jì)算可以在移動(dòng)運(yùn)營商覆蓋的范圍內(nèi)快速為資源不足的智能手機(jī)提供計(jì)算任務(wù)提速、存儲(chǔ)信息共享等高性能服務(wù)，因此會(huì)成為5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)。未來將成為移動(dòng)通信服務(wù)的一部分。然而，目前沒有系統(tǒng)化地針對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器測(cè)試的方法，雖然有云計(jì)算測(cè)試、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試、無線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試等方案，均是針對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算局部子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試的方案。

本文探究移動(dòng)邊緣計(jì)算系統(tǒng)的測(cè)試方案，各物理設(shè)備之間采用NTP協(xié)議同步時(shí)鐘，保障相關(guān)數(shù)據(jù)的采集精度。采用時(shí)間戳的方法測(cè)量移動(dòng)邊緣計(jì)算完整流程中各階段的時(shí)延，具體測(cè)試框架如圖2所示。

其中，以移動(dòng)通信基站內(nèi)部的云平臺(tái)（如Openstack等）作為MEC服務(wù)器，通過管理節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證、系統(tǒng)管理等服務(wù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)提供相應(yīng)的資源，MEC內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)包含物理網(wǎng)絡(luò)和虛擬網(wǎng)絡(luò)，可采用SDN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)靈活管理。

針對(duì)該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)專用的測(cè)試設(shè)備。測(cè)試核心模塊從測(cè)試腳本庫選擇與被測(cè)目標(biāo)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的測(cè)試方案，隨后將測(cè)試數(shù)據(jù)流通過通信模塊發(fā)送至MEC服務(wù)器，這里需要通信模塊支持4G/5G/Wi-Fi等無線通信。監(jiān)控軟件指安裝在MEC服務(wù)器各子模塊上的數(shù)據(jù)采集插件，可以采集各子模塊執(zhí)行任務(wù)的起始和完畢時(shí)間，CPU利用率、存儲(chǔ)利用率等基本指標(biāo)。監(jiān)控軟件周期性將采集到的數(shù)據(jù)匯總到分析模塊，最終由分析模塊給出MEC服務(wù)器測(cè)試結(jié)果。在連續(xù)測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果用于更新測(cè)試策略。

4 MEC服務(wù)器測(cè)試體系

MEC服務(wù)器的測(cè)試對(duì)象包括計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、虛擬機(jī)、容器、安全系統(tǒng)、服務(wù)質(zhì)量等。本文提出的MEC服務(wù)器測(cè)試體系涵蓋已有的基礎(chǔ)測(cè)試和子系統(tǒng)測(cè)試，重點(diǎn)針對(duì)MEC系統(tǒng)提出了端到端服務(wù)質(zhì)量測(cè)試。根據(jù)測(cè)試功能具體分類如下：

4.1 基礎(chǔ)設(shè)備測(cè)試

由于MEC系統(tǒng)集成了云計(jì)算中的各種功能，需要對(duì)其內(nèi)部物理設(shè)備進(jìn)行一致性測(cè)試與性能測(cè)試。主要包括計(jì)算加速比、物理節(jié)點(diǎn)指令效率、內(nèi)存利用率、內(nèi)部帶寬利用率、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)讀寫延遲等基本測(cè)試指標(biāo)。針對(duì)設(shè)備的測(cè)試已經(jīng)十分成熟，可測(cè)試設(shè)備主要功能性能指標(biāo)，作為進(jìn)一步測(cè)試分析的基礎(chǔ)。

4.2 子系統(tǒng)測(cè)試

MEC服務(wù)器由管理模塊、計(jì)算機(jī)群、存儲(chǔ)機(jī)群、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、安全系統(tǒng)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，需要分別進(jìn)行測(cè)試。管理模塊需要測(cè)試功能的有效性與一致性;計(jì)算機(jī)群需要測(cè)量任務(wù)處理速度;存儲(chǔ)機(jī)群需要評(píng)價(jià)讀寫效率;MEC內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是一種包含了無線通信與有線通信的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。上述子系統(tǒng)測(cè)試可采用已有的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試方案，如網(wǎng)絡(luò)可遵循RFC2544、RFC2889等標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試文檔，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試主要是考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)性能測(cè)試。

4.3 虛擬機(jī)/容器測(cè)試

虛擬機(jī)或容器是服務(wù)器根據(jù)服務(wù)級(jí)協(xié)議SLA劃分給移動(dòng)終端的資源，其功能、性能都彈性可擴(kuò)展。為了保障移動(dòng)終端的正常工作，需要對(duì)虛擬機(jī)或容器的最大并發(fā)鏈接數(shù)、遷移開銷、擴(kuò)展性評(píng)估等指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，給出各虛擬機(jī)或容器的量化性能。

4.4 安全系統(tǒng)測(cè)試

MEC服務(wù)器將處理大量用戶的私人數(shù)據(jù)，因此極易成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的目標(biāo)，未來將安裝隱私保護(hù)、入侵檢測(cè)等安全系統(tǒng)。然而，安全系統(tǒng)不可避免的會(huì)帶來額外的系統(tǒng)開銷。需要針對(duì)MEC服務(wù)器的防火墻、入侵檢測(cè)系統(tǒng)、Web應(yīng)用等進(jìn)行滲透測(cè)試，確定是否存在漏洞。針對(duì)這些安全系統(tǒng)進(jìn)行安全性測(cè)試和安全指標(biāo)測(cè)量能夠幫助服務(wù)提供商準(zhǔn)確衡量安全系統(tǒng)，最終選擇適合的安全技術(shù)方案。

4.5 端到端服務(wù)質(zhì)量測(cè)試

MEC的端到端測(cè)試是評(píng)估移動(dòng)終端請(qǐng)求MEC服務(wù)器資源的過程，隨著網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用種類越來越多，MEC端到端測(cè)試需要針對(duì)各種應(yīng)用設(shè)計(jì)模擬驗(yàn)證數(shù)據(jù)。服務(wù)測(cè)試主要包含以下幾個(gè)方面：

4.5.1 智能終端計(jì)算遷移測(cè)試

計(jì)算遷移是智能終端在資源不充足時(shí)，將計(jì)算任務(wù)提交給MEC服務(wù)器遠(yuǎn)程執(zhí)行的過程。在該過程中主要有三個(gè)測(cè)試參數(shù)：計(jì)算類型、輸入數(shù)據(jù)、任務(wù)截止時(shí)間。計(jì)算類型代表應(yīng)用遷移任務(wù)的類別，處理大量計(jì)算、視頻處理、圖片處理或互動(dòng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用存在巨大差別，計(jì)算類型可以反映任務(wù)更依賴于何種資源;輸入數(shù)據(jù)則表示提交任務(wù)到MEC服務(wù)器需要給出的信息，該信息的容量與服務(wù)延遲正相關(guān)，例如視頻處理需要花費(fèi)大量時(shí)間持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算任務(wù)遷移則可以提供相對(duì)較少的輸入;任務(wù)截止時(shí)間則表示任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，如果服務(wù)器無法實(shí)現(xiàn)滿足截止時(shí)間的調(diào)度方案，則直接駁回請(qǐng)求或用其他服務(wù)器替換，終端也可以根據(jù)該時(shí)間決定知否進(jìn)行計(jì)算遷移，該指標(biāo)可以防止終端盲目將任務(wù)提交給MEC系統(tǒng)。

根據(jù)上述指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算遷移測(cè)試，選擇具有代表性的應(yīng)用作為測(cè)試案例。記錄計(jì)算遷移開始時(shí)間和MEC結(jié)果反饋時(shí)間，計(jì)算端到端獲取服務(wù)的延遲。修改計(jì)算類型、輸入數(shù)據(jù)和任務(wù)截止時(shí)間，針對(duì)計(jì)算遷移延遲做大量測(cè)試。最終得到MEC典型應(yīng)用的服務(wù)延遲分布模型。

4.5.2 MEC服務(wù)器測(cè)試

在上述測(cè)試的基礎(chǔ)上，MEC服務(wù)器測(cè)試主要是進(jìn)行資源分配的測(cè)試評(píng)估。在延遲可接受的條件下，從屬于同一網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的多個(gè)MEC服務(wù)器可協(xié)作完成較大的任務(wù)。因此，主要包括單服務(wù)器測(cè)試與多服務(wù)器協(xié)作測(cè)試，評(píng)估MEC服務(wù)器機(jī)群是否實(shí)現(xiàn)任務(wù)的高效、均衡管理。MEC服務(wù)器測(cè)試包括資源分配一致性測(cè)試和負(fù)載均衡測(cè)試。

資源分配一致性測(cè)試是指仿真大量計(jì)算遷移任務(wù)，分別評(píng)估各種資源分配策略的調(diào)度結(jié)果。在此基礎(chǔ)上測(cè)量當(dāng)各任務(wù)需求發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行資源重調(diào)度的時(shí)間與開銷。單服務(wù)器的測(cè)試指標(biāo)與虛擬機(jī)，容器相同，但是針對(duì)多任務(wù)多虛擬機(jī)的情況進(jìn)行測(cè)試;多服務(wù)器測(cè)試則需要將服務(wù)器間的傳輸延遲考慮在內(nèi)。

負(fù)載均衡測(cè)試則是根據(jù)測(cè)試?yán)瑫r(shí)仿真大量移動(dòng)終端的各類任務(wù)，檢驗(yàn)負(fù)載均衡策略能否在MEC服務(wù)器之間、同一MEC服務(wù)器內(nèi)的多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上保持負(fù)載均衡。

4.5.3 移動(dòng)性測(cè)試

移動(dòng)邊緣計(jì)算的服務(wù)對(duì)象具有高度的移動(dòng)能力，handoff問題指在終端離開原有基站后的服務(wù)切換條件下服務(wù)器能否保障服務(wù)質(zhì)量。目前主要有兩種方法：一種是遷移對(duì)應(yīng)的虛擬機(jī)或容器到離用戶更近的基站，另一種是使用網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑重定向的方法自動(dòng)切換延遲更低的傳輸路徑。

移動(dòng)性測(cè)試需要仿真終端地理位置上的變化，同時(shí)不斷向虛擬機(jī)或容器發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)流。在終端所在MEC服務(wù)器覆蓋范圍發(fā)生變化后，監(jiān)測(cè)終端接收到的服務(wù)響應(yīng)的監(jiān)測(cè)信息。如發(fā)生虛擬機(jī)或容器遷移，需要測(cè)試的指標(biāo)包括服務(wù)中斷時(shí)間、服務(wù)一致性、遷移開銷等;如果MEC服務(wù)器切換傳輸路徑，如需要監(jiān)測(cè)端到端延遲。

4.6 能耗測(cè)量

MEC服務(wù)器的能耗反映了整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，需要針對(duì)各種應(yīng)用、終端、通信方式測(cè)量MEC服務(wù)器的能耗。同時(shí)，也需要針對(duì)虛擬機(jī)等子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理的能耗進(jìn)行測(cè)量。

4.7 加密開銷測(cè)試

MEC服務(wù)器雖然可以采用輕量級(jí)加密方法，移動(dòng)終端和MEC服務(wù)器端仍會(huì)造成額外的延遲與能耗。加密開銷測(cè)試需要針對(duì)每一類應(yīng)用使用各種加密算法和系統(tǒng)，在加密通信過程中測(cè)量傳輸延遲與能耗，加密開銷測(cè)試有利于加密算法和方案的選擇。

5 結(jié)語

移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)目前尚處于學(xué)術(shù)界研究向工業(yè)化部署轉(zhuǎn)型的階段，但相較于依托家用路由器實(shí)現(xiàn)的Cloudlet和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的霧計(jì)算，MEC技術(shù)依托現(xiàn)在廣泛使用的移動(dòng)通信服務(wù)，能夠加速移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的新型服務(wù)實(shí)現(xiàn)，相信不久的將來一定能構(gòu)獲得大量部署并實(shí)現(xiàn)全社會(huì)覆蓋。

本文針對(duì)這一技術(shù)簡要討論了其測(cè)試方案，涵蓋了MEC系統(tǒng)測(cè)試的核心方法。由于該技術(shù)還在不斷發(fā)展，未來還需要根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方案提出更加詳細(xì)的測(cè)試方法學(xué)。同時(shí)，MEC系統(tǒng)還有可能在實(shí)際部署中采用GPU加速，采用SDN/NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)管理。

參考文獻(xiàn)

[1]戴晶，陳丹，范斌，移動(dòng)邊緣計(jì)算促進(jìn)SG發(fā)展的分析[J]，郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2016.

[2]李子姝，謝人超，孫禮，黃韜，移動(dòng)邊緣計(jì)算綜述[J].電信科學(xué)，2018.

[3]M.T. Beck， M.Werner，S. Feld， and T.Schimper， "Mobile

Edge

Comput ing：ATaxonomy，” in Accepted for the SixthInternational Conference on Advancesin Future Internet， 2014， pp. 48-54.

[4]R. Roman，J. Lopez， and M. Mambo， "Mobileedge computing， Fog et al.：A surveyand analysis of security threatsand challenges， "Future GenerationComputer Systems，vol. 78，2016.

[5]Y. Mao，C.You，J. Zhang，K. Huang， andK.B. Letaief，”A Survey on MobileEdge Computing： The Communica tionPerspect ive， "IEEE CommunicationsSurveys &Tutorials， vol. PP， pp. 1-1，2017.

[6]P. Mach and Z.Becvar， "Mobile EdgeComputing：A Survey on Architectureand Computation Offloading， "IEEECommunications Surveys &Tutorials， vol. PP， pp. 1-1， 2017.