基于云網一體的邊緣云部署研究

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

1 概述

1.1 云業務發展分析

云服務已經成為當前全球科技行業中增長最快的業務。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）業務幾乎貢獻了亞馬遜絕大部分的經營利潤。已有業內人士預測，亞馬遜有望成為第一個市值破2 萬億美元的公司，到2024年，亞馬遜的市值或將達到2.5萬億美元，AWS 成為全球市場份額（44%）最大的云計算服務商，這些大流量云平臺提供了海量的用戶數據、流量數據和強大的計算能力，為云服務、大數據、人工智能的迅猛發展提供了強勁的引擎。阿里巴巴將阿里云（全球市場份額3%）定位為未來主要業務，在新的數字時代布局云基礎設施來支持所有業務。云服務提供商正在全力加大對云基礎設施的投入。

1.2 5G業務發展分析

低時延業務驅動云網架構演進。4G 時代，在線游戲、高清視頻等應用對網絡時延提出了很高的要求；5G 時代已經到來，遠程醫療、VR/AR、自動駕駛、智能制造、云游戲等新興行業和新興業務對網絡時延提出近乎苛刻的要求，低時延網絡已成為業界關注的發展方向。

2 數據中心現狀及存在問題

2.1 云組網現狀

現有的云基礎設施建設主要是基于大型數據中心部署核心云，定位于服務全國、幾個省或某個省的用戶，提供IaaS 層和PaaS 層服務，通常所說的云網一體的運營思路，主要是基于核心云和骨干網的云網一體，互聯網內容提供商（ICP）或SP 租用運營商的大帶寬電路進行云組網。

2.2 存在問題

傳統核心云采用集中部署方式，往往需要跨省、跨地（市）調用計算和存儲資源，訪問距離長、跳數多，移網數據業務承載橫跨3張網（本地UTN網、本地承載網、骨干承載網），轉接層級達到7～10 級，這對于省內和骨干傳輸、數據網絡帶寬資源是一個極大的開銷，而且極易造成網絡擁堵。網絡擴容涉及總部、省公司、地（市）等多個環節，業務響應速度慢。業務數據包受傳送網絡質量和擁塞影響，存在丟包、抖動等問題，訪問速率受限，影響用戶體驗。

傳統云平臺的計算處理能力不能滿足實時性的需求。時延敏感型應用在核心云集中計算負擔大，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，一些交互式互聯網應用（實時語音翻譯）則需要更低的時延（低于10 ms），實時交互的工業控制系統或自動駕駛，時延應該控制在幾毫秒之內。

另外，有些業務（如高清視頻）在固網用戶中滲透率較高，根據用戶行為分析數據來看，固網用戶的業務訪問次數和業務流量占比較大，這就要求，在保障移網用戶體驗的同時還要保障固網用戶體驗。能否支持固移業務綜合承載綜合保障，這也是第三方合作廠商重點關注的問題。

對于需要快速適應本地網絡狀態和本地用戶環境的場景，比如為一個移動用戶實時傳播一個直播視頻流，當無線信道惡化或者網絡負載增加時，需要遠端數據中心快速響應，自適應調整編碼方式或幀率以降低視頻流速率。傳統核心云平臺因時延較大無法滿足這種要求。

現有邊緣云有業務承載需求，但由于移網、固網流量在邊緣節點（比如匯聚節點）缺乏卸載手段，如果在邊緣云部署業務，業務訪問流量需要從省級或地（市）級數據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、安全保障措施，不具備可行性。

3 面向邊緣云和接入網的云網一體部署方法

新的網絡資源模型為邊緣節點配置了計算和存儲能力，讓邊緣節點更接近迅速增長的固移終端設備，就可以降低核心云的計算負載，降低服務時延，同時也可以降低整個網絡的帶寬開銷。

3.1 云網一體化的邊緣云架構

運營商在匯聚節點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用，移網和固網流量在邊緣云進行卸載，就近訪問第三方應用內容，提升用戶體驗，打造新的業務合作模式。比如，封裝無線網絡、無線資源利用率統計、用戶設備標識、位置等信息的PaaS 能力，讓這種PaaS 能力為客戶提供API 調用，實現靈活的網業互動和業務策略，最大化網絡價值變現。邊緣云和接入網實現云網協同，發揮云網一體的優勢，滿足低時延邊緣云業務的需求，為用戶帶來更豐富、更優質體驗的產品和服務。邊緣云與核心云協作，邊緣云作為傳統核心云的延伸，貼近用戶提供本地場景感知的處理。傳統核心云具有更強的計算和存儲能力，可提供全局的集中式控制。因此，很多應用的執行需要從終端設備、邊緣云和核心云進行分層級處理。

邊緣云部署固移綜合承載網絡，很好地滿足了邊緣云接入、安全、計費、QoS 保障等方面的需求。移網核心網的S/PGW-U 或UPF 網元，和城域網的MSG-U網元部署在邊緣云，移網及固網所有業務在匯聚節點由MSG-U統一接入。移網業務網關采用分布式部署，將S/PGW-U 或UPF 下沉至匯聚節點，通過MSG-U 接入邊緣云的內容源或互聯網。S/PGW-C 和SMF/AMF/PCF 全省集中部署，負責全省移動業務控制。固網實現轉控分離，由MSG-U 統一負責數據轉發，控制層由全省或地（市）集中部署的MSG-C 統一負責，如圖1 所示。

圖1 固移多業務接入邊緣云架構

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關S/PGW-U 和UPF 下沉至邊緣云，實現固移業務在邊緣云由MSG 接入和轉發，這為邊緣云IaaS/PaaS層的能力開放提供了先決條件。

移網數據業務通過本地UTN 的接入環、匯聚環收斂后接入S/PGW-U 或UPF，完成移動業務請求的封裝，并通過SGi/N6 接口接入多業務匯聚網關MSG-U訪問互聯網。省去本地UTN 2 個層級、本地承載網及骨干承載網所有層級，以及Gi 路由器，實現移網數據業務承載的高度扁平化。

固網業務包含寬帶業務、IPTV 業務、專線業務及VPN 業務，原來通過BRAS、SR、PE、BNG 等設備匯聚接入，現統一由MSG-U 接入和承載。MSG 可以有效地實現轉發和控制分離。MSG-U 分布在邊緣云，負責移網和固網業務的接入和承載。

S/PGW-C、SMF/AMF/PCF 和MSG-C 在省中心或地（市）核心機房集中部署，負責區域內S/PGW-U、UPF 和MSG-U 管理、控制，實現資源的集中控制及統一配置、業務快捷開通，提升了網絡效率，增強了資源調度的靈活性。

計費、安全等問題的解決為邊緣云部署第三方應用提供了先決條件。在移網核心網下沉邊緣云的同時，運營商參照傳統方式，與S/PGW-U 或UPF 同步部署安全采集、防攻擊系統。在匯聚機房部署相關安全防護策略，實現對多業務MEC/CDN 服務器及相關邊緣云業務的全面防護。將S/PGW-U 或UPF 網元下沉到邊緣云實現了邊緣計算的計費功能。

業務編排器完成與匯聚層邊緣云相關的5G 切片和QoS 保障統一編排管理。通過業務編排器進行切片/QoS 統一編排管理、切片/QoS 保障能力整合、切片/QoS 保障能力封裝，把復雜的網絡切片/QoS 保障功能在運營商內部實現，化繁為簡，業務編排器對外提供輕量級的簡便API接口，實現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用運營商的網絡能力，從而實現差異化、定制化的業務質量保障，實現運營商網絡能力高價值變現，提升運營商核心競爭力。

3.2.2 降低業務時延和帶寬占用

運營商通過將包含第三方熱點應用的內容部署在邊緣云，并將邊緣云與MSG-U對接。如果要訪問的熱點內容已經分發至邊緣云，就由邊緣云就近提供服務，這樣有效降低了業務訪問時延，并且減少了MSGU 以上層級網絡的帶寬占用。另外，某些特定的應用（如視頻監控、安全監控、大數據分析等）需要將大量的數據存儲在網絡邊緣，邊緣云的第三方應用可以先做分析和預處理，將基礎數據進行抽象、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據流量，從而節省了匯聚層以上傳輸網絡帶寬。

業務下沉至邊緣節點減少了終端到邊緣云途經的轉發節點數量，只涉及到本地接入網設備節點，如需擴容，地（市）公司完全可控，避免受到總部、省公司擴容流程的影響，大大提高了業務響應速度。

3.2.3 商用可行性

運營商充分發揮豐富的移網、固網接入網資源和本地化支撐服務的優勢，向第三方提供基于匯聚層邊緣云IaaS/PaaS 資源和多業務接入網資源的云網一體化產品，發揮運營商的獨特競爭優勢，實現匯聚層邊緣云和接入網的能力開放和高價值變現。網絡運營商可以允許多個第三方OTT 廠商接入匯聚層邊緣云的基礎設施進行應用開發，在匯聚層邊緣云上部署各類應用，如云游戲、物聯網、高清視頻、視頻直播、即時通信等內容，在靠近目標用戶的區域進行云網協同，為用戶提供低時延、大帶寬、低抖動、性能穩定的高品質服務。入駐邊緣云的第三方廠商越多，運營商的收益越高，而每個廠商相應承擔的成本費用就越低，這種商業合作模式就越具備可行性。

匯聚層邊緣云與移網、固網終端用戶之間傳輸跳數較少，傳輸時延較低，這為保障固移用戶體驗提供了良好的網絡環境。同時，匯聚層邊緣云在網絡中的位置相對靠上（相對于在接入層部署邊緣云），實現本地網全網覆蓋所需的邊緣云數量相對較少，部署方式靈活，可以在用戶密集區域、業務熱點區域先行部署，再根據業務發展和效益評估情況逐步擴展部署，這樣有助于運營商和OTT 廠商降低部署成本和運營成本，也滿足業務遍及全國的大型OTT 廠商（如騰訊、阿里、百度、京東等）對覆蓋范圍、覆蓋用戶類型（移網和固網）、保障用戶體驗和控制部署運營成本的綜合要求。

3.2.4 降低終端用戶成本

一些復雜的計算任務可以從移動終端轉移到計算力更強且時延最低的邊緣云上，以云端游戲為例，運營商可在邊緣云部署云服務器，讓游戲在服務器的虛擬機上運行，用戶在自己的手機或電腦上訪問虛擬機。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）渲染在邊緣云服務器端執行，這樣就降低游戲對手機計算、功耗等性能的要求，讓較低配置的手機能享受高端手機相同的體驗。

3.2.5 發揮云網一體優勢

運營商充分發揮移網、固網接入網資源和本地化支撐服務優勢，向第三方提供基于IaaS/PaaS 層邊緣云資源（計算、存儲、應用開發環境、網絡能力、網絡和用戶全信息提供API 接口供調用）和多業務接入網資源的云網一體化產品，打造運營商的核心競爭力，實現邊緣云和接入網的能力開放和變現。網絡運營商可以允許第三方接入邊緣云的基礎設施進行應用開發，在邊緣云部署各類應用，比如云游戲、物聯網應用、視頻類應用，在靠近目標用戶的區域進行云網協同，為用戶提供低時延、大帶寬、穩定的高品質服務。

3.2.6 保障用戶體驗一致性

由于在邊緣云實現了固移綜合接入，終端可通過固網或移網訪問邊緣云上的第三方應用。例如在邊緣云部署的云端游戲可支持不同手機、電腦終端之間快速切屏操作，在臺式機上玩云游戲時，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，登錄游戲，游戲會自動切換到手機屏幕上。

3.2.7 提升邊緣云業務體驗

邊緣云服務器部署在匯聚節點，終端分別經過基站、IPRAN 接入環、固定接入網訪問邊緣云服務器。影響用戶體驗的主要因素是擁塞、誤碼和時延，需要在接入側進行QoS保障，主要措施如下：

a）通過PCRF/PCF 對數據流使用的移網空口、移動核心網資源進行QoS優先級保障。

b）通過編排器對數據流使用的傳輸網、承載網、寬帶網、數據網資源進行QoS優先級保障。

c）通過UPF、S/PGW-U 或MSG-U 采用傳輸控制協議（TCP）優化措施對業務請求對應的數據流進行優化處理，優化處理具體包括傳輸控制協議確認字符（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 報文進行適當分裂，以加快下行TCP發送窗口增長速度，提高播放速率；后者對上層網絡發來的亂序TCP 數據包進行重排序，減少不必要的下行重傳。

3.2.8 支持面向5GC的平滑演進

在有業務應用需求的匯聚區域單點部署S/PGWU 或UPF 設備，承載邊緣云的業務，以實現平滑演進。本文的部署架構在設備形態選擇和業務處理方式方面與5G 核心網的演進方向一致。基于5G CUPS 架構和5G 網絡切片技術，4G 和5G 無線網絡融合接入，用戶面和控制面分離，控制面網關集中配置和統一接口，部署在核心云，用戶面網關分布式靈活部署，部署在邊緣云，增強了網絡在超低時延、超高帶寬、超強穩定性等業務上的處理能力，具體如圖2所示。

圖2 邊緣云支持向5G CORE的平滑演進

4 結論

本文對云業務、4G/5G 及固移融合綜合承載的趨勢進行分析，提出了面向邊緣云和接入網的云網一體運營方法，運營商在匯聚節點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用，移網和固網流量在邊緣云進行卸載，就近訪問第三方應用內容，提升用戶體驗，打造新的業務合作模式。邊緣云和接入網實現云網協同，發揮云網一體的優勢，滿足低時延邊緣云業務的需求。