万物互联时代来袭移动边缘计算研究意义深远

中国联合网络通信有限公司研究院|王智明

移动边缘系统级管理主要有移动边缘编排器、运营支撑系统、用户应用程序生命周期管理代理、移动边缘平台管理器、虚拟化基础架构管理器、面向用户的服务门户管理器。其中，移动边缘编排器是移动边缘系统级管理的核心功能。

近年来，随着万物互联的快速发展和广泛应用，传感器、智能手机、可穿戴设备以及智能家电等边缘终端设备产生泽字节（zettabyte，ZB）级别海量数据。同时边缘终端设备也逐渐具有实时数据模式识别、执行预测分析或优化、智能处理等功能。目前，云计算数据中心的集中式处理时代已逐渐转入以万物互联为核心的边缘计算时代，而集中式数据处理不能有效处理边缘终端设备所产生的海量数据。

云计算数据中心的集中式处理模式在万物互联时代存在特有问题：第一，线性增长的云计算数据中心集中式分析处理能力无法匹配爆炸式增长的海量数据；第二，从边缘终端设备传输到云数据中心的海量数据增大传输带宽的负载量，造成网络延迟时间较长；第三，边缘终端设备数据涉及个人隐私泄露和风险使用等。边缘终端设备筛选并分析处理成有效的信息并发送到云端已成为一种新的计算模型，可有效降低云计算数据中心的网络带宽和计算负载。边缘计算可以将原有云计算数据中心的部分或全部计算任务迁移到网络边缘设备上，降低云计算中心的计算负载，减缓网络带宽的压力，提高海量数据的处理效率，同时能较好地保护隐私数据，降低终端敏感数据隐私泄露的风险。

移动边缘计算概述

移动边缘计算（Mobile Edge Computing,MEC）是将传统云计算平台的部分计算任务迁移到接入域，并将传统电信业务与互联网业务进行深度融合，减少传统电信业务交付的端到端时延，进而为电信运营商的运作带来全新模式，并建立全新的产业链及生态圈。MEC的基本特点包括低计算负载、业务本地化、减缓网络带宽压力、高数据处理效率以及低数据隐私泄露风险，可为业务提供用户位置感知及其他网络能力。

MEC的概念最初于2013年在IBM与Nokia Siemens网络共同推出的一款计算平台上出现。2014年，欧洲电信标准协会（ETSI）成立移动边缘计算规范工作组（ETSI Mobile Edge Computing Industry Specification Group），开始推动相关标准化工作。2016年，ETSI把此概念扩展为多接入边缘计算（Multi Access Edge Computing），将边缘计算能力从电信蜂窝网络进一步延伸至其他无线接入网络（如Wi-Fi）。此外，包括3GPP及CCSA在内的其他标准组织也启动了相关工作。

中国电信行业正面临着严峻的挑战和崭新的发展契机。基于电信云、物联网的移动边缘计算技术对传统的电信运营行业既带来冲击也带来机遇。运营商电信云数据中心的集中式处理模式面临着爆炸式增长海量数据、较大带宽负载量、较长时间延迟、个人隐私泄密和风险使用等问题。边缘终端设备筛选并分析处理有效的信息并发送到电信云端已成为一种新型计算模型，可有效降低电信云数据中心的网络带宽和计算负载。移动边缘计算可以将原有电信云数据中心的部分计算任务迁移到电信云边缘终端设备上，降低电信云数据中心的计算负载，减缓网络带宽的压力，提高海量数据的处理效率。同时能较好地保护隐私数据，降低电信云终端敏感数据隐私泄露的风险。因此，研究移动边缘计算技术具有重要意义。

移动边缘计算技术架构

目前，各家运营商都已在不同标准组织或机构发起对MEC的架构研究工作，以ETSI标准化协会为主，ETSI标准化协会成立专门工作组。ETSI在2016年发布MEC参考框架与参考架构。移动边缘计算框架如图所示。

图中，移动边缘系统（Mobile Edge System）运行于电信运营商网络或其子网络中。

图 移动边缘计算框架图

移动边缘主机层中的移动边缘平台主要运行各类移动边缘应用程序的服务功能集，可以提供各种移动边缘服务。移动边缘应用程序可以通过订阅的形式调用移动边缘服务获取底层开放能力，例如：用户定位信息管理、用户流量带宽管理等功能。

移动边缘主机层中的移动边缘主机管理组件用于进行对特定移动边缘平台、移动边缘主机及其运行的移动边缘应用程序的特定功能管理。移动边缘系统级管理可以通过维护对移动边缘系统的全局视图进行系统管理。

移动边缘主机包含移动边缘平台和虚拟化基础架构的实体，可以为移动边缘应用程序提供计算、存储和网络资源。移动边缘主机及相关管理实体还可以支持各类移动边缘应用程序。移动边缘主机上以实例的形式运行移动边缘应用程序，以对外提供移动边缘服务能力。

网络层主要包含DNS服务器/代理、3GPP网络、本地网络和外部网络。

移动边缘平台主要实现以下功能：

1）提供环境，该环境可以被移动边缘应用程序发现、发布、使用，该环境也可以提供移动边缘服务，包含其它平台提供的移动边缘服务；

2）从移动边缘平台管理器、应用程序或服务接收流量规则，并相应地指示数据平台，该数据平台包含到特定IP地址的流量规则中代表用户的令牌解析；

3）从移动边缘平台管理器接收DNS记录并配置DNS代理/服务器；

4)托管移动边缘服务，包括无线网络信息服务、定位服务、带宽管理服务；

5）提供对持久存储和时间信息的访问。

移动边缘应用程序运行于虚拟机（VM），虚拟机（VM）位于由移动边缘主机提供的虚拟基础设施之上，并且可以与移动边缘平台进行交互以消费和提供移动边缘服务。

在某些情况下，移动边缘应用程序还可以与移动边缘平台进行交互，以执行与应用程序生命周期相关的某些支持程序，例如：可用性指示、准备用户状态的重定位等。

移动边缘应用程序可以具有一定数量的与其相关的规则和要求，例如所需资源、最大延迟时间、所需或有用服务等。这些要求由移动边缘系统级别管理进行验证，并且如果默认值失踪还可以重新分配默认值。

移动边缘系统级管理主要有移动边缘编排器、运营支撑系统、用户应用程序生命周期管理代理、移动边缘平台管理器、虚拟化基础架构管理器、面向用户的服务门户管理器。其中，移动边缘编排器是移动边缘系统级管理的核心功能。

●移动边缘编排器

1）维护移动边缘系统全局视图，该移动边缘系统基于已部署的移动边缘主机、可用资源、可用移动边缘服务和技术；

2）引用应用程序包，检查程序包的完整性和授权真实性，验证应用程序规则和需求；

3）选择合适的移动边缘主机进行应用实例化，基于如下限制：时延、可用资源、可用服务；

4）触发应用程序初始实例化和终止；

5）触发应用程序重定位。

●运营支持系统

1）运营支撑系统通过服务门户接收来自实例或应用终端用户应用请求，并且决定是否授权这些请求。授权的请求将转发给移动边缘编排器以进行进一步处理；

2）运营支撑系统还接收来自用户应用程序的用于在外部云和移动边缘系统之间重新定位的请求云和移动边缘系统。

●用户应用生命周期管理代理

1）用户应用程序属于移动边缘应用程序，移动边缘应用程序在移动边缘系统中实例化，通过用户应用程序响应用户应用程序请求；

2）用户应用程序生命周期管理代理允许用户应用程序请求加入、实例化、终止用户应用程序，并在移动边缘系统内外将用户应用程序重新定位，用户应用程序生命周期管理代理允许通知用户应用关于用户应用程序的状态；

3）用户应用程序生命周期管理代理授权来自UE应用程序的请求，并与运营支撑系统、移动边缘编排器交互以进一步处理这些请求，用户应用程序生命周期管理代理只能从移动网络内接入访问。

●移动边缘平台管理

1）管理应用程序的生命周期，包括向移动边缘管理器通知相关的应用相关事件；

2）向移动边缘平台提供元素管理功能。

管理应用程序规则和要求，包括服务授权、流量规则、DNS配置和冲突解决在内。移动边缘平台管理器仍然接收来自于虚拟化基础架构管理器的虚拟资源故障报告和性能测量以进一步处理。

●虚拟化基础架构管理器

1）分配、管理和发布虚拟化基础架构的虚拟化资源（计算、存储和网络）；

2）准备虚拟化基础架构运行软件映像，该准备包括配置基础设施，并且可以包括接收和存储软件图像；

3）收集和报告关于虚拟化资源（计算、存储和网络）的性能和故障信息；

4）执行应用程序重定位，对于从内部到外部云环境的应用程序重新定位，虚拟化基础架构管理器与外部云管理器进行交互，以执行应用程序重定位。

●面向用户的服务门户管理器

面向用户的服务门户管理器允许运营商的第三方用户（例如商业企业）选择和订购满足其特定需求的一组移动边缘应用程序，并从所提供的应用程序接收服务级别信息。

小结

本文提出的移动边缘计算技术架构，充分利用了部分计算任务迁移到边缘终端设备后降低的计算负载，减缓的网络带宽压力，较高的海量数据处理效率，对隐私数据的较好保护，将有效推动学术界和产业界对移动边缘计算技术研究的关注，加快运营商在移动边缘计算方面的研究。