萬物互聯時代來襲移動邊緣計算研究意義深遠

中國聯合網絡通信有限公司研究院|王智明

移動邊緣系統級管理主要有移動邊緣編排器、運營支撐系統、用戶應用程序生命周期管理代理、移動邊緣平臺管理器、虛擬化基礎架構管理器、面向用戶的服務門戶管理器。其中，移動邊緣編排器是移動邊緣系統級管理的核心功能。

近年來，隨著萬物互聯的快速發展和廣泛應用，傳感器、智能手機、可穿戴設備以及智能家電等邊緣終端設備產生澤字節（zettabyte，ZB）級別海量數據。同時邊緣終端設備也逐漸具有實時數據模式識別、執行預測分析或優化、智能處理等功能。目前，云計算數據中心的集中式處理時代已逐漸轉入以萬物互聯為核心的邊緣計算時代，而集中式數據處理不能有效處理邊緣終端設備所產生的海量數據。

云計算數據中心的集中式處理模式在萬物互聯時代存在特有問題：第一，線性增長的云計算數據中心集中式分析處理能力無法匹配爆炸式增長的海量數據；第二，從邊緣終端設備傳輸到云數據中心的海量數據增大傳輸帶寬的負載量，造成網絡延遲時間較長；第三，邊緣終端設備數據涉及個人隱私泄露和風險使用等。邊緣終端設備篩選并分析處理成有效的信息并發送到云端已成為一種新的計算模型，可有效降低云計算數據中心的網絡帶寬和計算負載。邊緣計算可以將原有云計算數據中心的部分或全部計算任務遷移到網絡邊緣設備上，降低云計算中心的計算負載，減緩網絡帶寬的壓力，提高海量數據的處理效率，同時能較好地保護隱私數據，降低終端敏感數據隱私泄露的風險。

移動邊緣計算概述

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing,MEC）是將傳統云計算平臺的部分計算任務遷移到接入域，并將傳統電信業務與互聯網業務進行深度融合，減少傳統電信業務交付的端到端時延，進而為電信運營商的運作帶來全新模式，并建立全新的產業鏈及生態圈。MEC的基本特點包括低計算負載、業務本地化、減緩網絡帶寬壓力、高數據處理效率以及低數據隱私泄露風險，可為業務提供用戶位置感知及其他網絡能力。

MEC的概念最初于2013年在IBM與Nokia Siemens網絡共同推出的一款計算平臺上出現。2014年，歐洲電信標準協會（ETSI）成立移動邊緣計算規范工作組（ETSI Mobile Edge Computing Industry Specification Group），開始推動相關標準化工作。2016年，ETSI把此概念擴展為多接入邊緣計算（Multi Access Edge Computing），將邊緣計算能力從電信蜂窩網絡進一步延伸至其他無線接入網絡（如Wi-Fi）。此外，包括3GPP及CCSA在內的其他標準組織也啟動了相關工作。

中國電信行業正面臨著嚴峻的挑戰和嶄新的發展契機。基于電信云、物聯網的移動邊緣計算技術對傳統的電信運營行業既帶來沖擊也帶來機遇。運營商電信云數據中心的集中式處理模式面臨著爆炸式增長海量數據、較大帶寬負載量、較長時間延遲、個人隱私泄密和風險使用等問題。邊緣終端設備篩選并分析處理有效的信息并發送到電信云端已成為一種新型計算模型，可有效降低電信云數據中心的網絡帶寬和計算負載。移動邊緣計算可以將原有電信云數據中心的部分計算任務遷移到電信云邊緣終端設備上，降低電信云數據中心的計算負載，減緩網絡帶寬的壓力，提高海量數據的處理效率。同時能較好地保護隱私數據，降低電信云終端敏感數據隱私泄露的風險。因此，研究移動邊緣計算技術具有重要意義。

移動邊緣計算技術架構

目前，各家運營商都已在不同標準組織或機構發起對MEC的架構研究工作，以ETSI標準化協會為主，ETSI標準化協會成立專門工作組。ETSI在2016年發布MEC參考框架與參考架構。移動邊緣計算框架如圖所示。

圖中，移動邊緣系統（Mobile Edge System）運行于電信運營商網絡或其子網絡中。

圖 移動邊緣計算框架圖

移動邊緣主機層中的移動邊緣平臺主要運行各類移動邊緣應用程序的服務功能集，可以提供各種移動邊緣服務。移動邊緣應用程序可以通過訂閱的形式調用移動邊緣服務獲取底層開放能力，例如：用戶定位信息管理、用戶流量帶寬管理等功能。

移動邊緣主機層中的移動邊緣主機管理組件用于進行對特定移動邊緣平臺、移動邊緣主機及其運行的移動邊緣應用程序的特定功能管理。移動邊緣系統級管理可以通過維護對移動邊緣系統的全局視圖進行系統管理。

移動邊緣主機包含移動邊緣平臺和虛擬化基礎架構的實體，可以為移動邊緣應用程序提供計算、存儲和網絡資源。移動邊緣主機及相關管理實體還可以支持各類移動邊緣應用程序。移動邊緣主機上以實例的形式運行移動邊緣應用程序，以對外提供移動邊緣服務能力。

網絡層主要包含DNS服務器/代理、3GPP網絡、本地網絡和外部網絡。

移動邊緣平臺主要實現以下功能：

1）提供環境，該環境可以被移動邊緣應用程序發現、發布、使用，該環境也可以提供移動邊緣服務，包含其它平臺提供的移動邊緣服務；

2）從移動邊緣平臺管理器、應用程序或服務接收流量規則，并相應地指示數據平臺，該數據平臺包含到特定IP地址的流量規則中代表用戶的令牌解析；

3）從移動邊緣平臺管理器接收DNS記錄并配置DNS代理/服務器；

4)托管移動邊緣服務，包括無線網絡信息服務、定位服務、帶寬管理服務；

5）提供對持久存儲和時間信息的訪問。

移動邊緣應用程序運行于虛擬機（VM），虛擬機（VM）位于由移動邊緣主機提供的虛擬基礎設施之上，并且可以與移動邊緣平臺進行交互以消費和提供移動邊緣服務。

在某些情況下，移動邊緣應用程序還可以與移動邊緣平臺進行交互，以執行與應用程序生命周期相關的某些支持程序，例如：可用性指示、準備用戶狀態的重定位等。

移動邊緣應用程序可以具有一定數量的與其相關的規則和要求，例如所需資源、最大延遲時間、所需或有用服務等。這些要求由移動邊緣系統級別管理進行驗證，并且如果默認值失蹤還可以重新分配默認值。

移動邊緣系統級管理主要有移動邊緣編排器、運營支撐系統、用戶應用程序生命周期管理代理、移動邊緣平臺管理器、虛擬化基礎架構管理器、面向用戶的服務門戶管理器。其中，移動邊緣編排器是移動邊緣系統級管理的核心功能。

●移動邊緣編排器

1）維護移動邊緣系統全局視圖，該移動邊緣系統基于已部署的移動邊緣主機、可用資源、可用移動邊緣服務和技術；

2）引用應用程序包，檢查程序包的完整性和授權真實性，驗證應用程序規則和需求；

3）選擇合適的移動邊緣主機進行應用實例化，基于如下限制：時延、可用資源、可用服務；

4）觸發應用程序初始實例化和終止；

5）觸發應用程序重定位。

●運營支持系統

1）運營支撐系統通過服務門戶接收來自實例或應用終端用戶應用請求，并且決定是否授權這些請求。授權的請求將轉發給移動邊緣編排器以進行進一步處理；

2）運營支撐系統還接收來自用戶應用程序的用于在外部云和移動邊緣系統之間重新定位的請求云和移動邊緣系統。

●用戶應用生命周期管理代理

1）用戶應用程序屬于移動邊緣應用程序，移動邊緣應用程序在移動邊緣系統中實例化，通過用戶應用程序響應用戶應用程序請求；

2）用戶應用程序生命周期管理代理允許用戶應用程序請求加入、實例化、終止用戶應用程序，并在移動邊緣系統內外將用戶應用程序重新定位，用戶應用程序生命周期管理代理允許通知用戶應用關于用戶應用程序的狀態；

3）用戶應用程序生命周期管理代理授權來自UE應用程序的請求，并與運營支撐系統、移動邊緣編排器交互以進一步處理這些請求，用戶應用程序生命周期管理代理只能從移動網絡內接入訪問。

●移動邊緣平臺管理

1）管理應用程序的生命周期，包括向移動邊緣管理器通知相關的應用相關事件；

2）向移動邊緣平臺提供元素管理功能。

管理應用程序規則和要求，包括服務授權、流量規則、DNS配置和沖突解決在內。移動邊緣平臺管理器仍然接收來自于虛擬化基礎架構管理器的虛擬資源故障報告和性能測量以進一步處理。

●虛擬化基礎架構管理器

1）分配、管理和發布虛擬化基礎架構的虛擬化資源（計算、存儲和網絡）；

2）準備虛擬化基礎架構運行軟件映像，該準備包括配置基礎設施，并且可以包括接收和存儲軟件圖像；

3）收集和報告關于虛擬化資源（計算、存儲和網絡）的性能和故障信息；

4）執行應用程序重定位，對于從內部到外部云環境的應用程序重新定位，虛擬化基礎架構管理器與外部云管理器進行交互，以執行應用程序重定位。

●面向用戶的服務門戶管理器

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

小結

本文提出的移動邊緣計算技術架構，充分利用了部分計算任務遷移到邊緣終端設備后降低的計算負載，減緩的網絡帶寬壓力，較高的海量數據處理效率，對隱私數據的較好保護，將有效推動學術界和產業界對移動邊緣計算技術研究的關注，加快運營商在移動邊緣計算方面的研究。