胡建英

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430023）

1 邊緣計(jì)算出現(xiàn)的背景

邊緣計(jì)算的概念最早可追溯到卡內(nèi)基梅隆大學(xué)2009年所研發(fā)的一個(gè)叫做Cloudlet的計(jì)算平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)將云服務(wù)器上的功能下放到邊緣服務(wù)器，以減少帶寬和時(shí)延。2013年，IBM與Nokia Siemens共同推出了一款計(jì)算平臺(tái)，其實(shí)是一個(gè)可在無線基站內(nèi)部運(yùn)行的應(yīng)用程序，計(jì)劃向移動(dòng)用戶提供業(yè)務(wù)，有人認(rèn)為這是邊緣計(jì)算的雛形。2014年歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）成立移動(dòng)邊緣計(jì)算規(guī)范工作組，正式宣布推動(dòng)移動(dòng)邊緣計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化，其基本思想是把云計(jì)算平臺(tái)從移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部遷移到移動(dòng)接入網(wǎng)邊緣，實(shí)現(xiàn)計(jì)算及存儲(chǔ)資源的彈性利用。2016年，ETSI把MEC的概念擴(kuò)展為多接入邊緣計(jì)算，將邊緣計(jì)算從電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步延伸至其他無線接入網(wǎng)絡(luò)，如WiFi。從邊緣計(jì)算的發(fā)展歷程來看，起源于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，從4G時(shí)代已經(jīng)開始萌芽，到了5G時(shí)代完全融入了網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)架構(gòu)，所以很多地方直接將其理解為了5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)網(wǎng)元，它是能最好地滿足5G網(wǎng)絡(luò)高速度、高并發(fā)、低時(shí)延應(yīng)用就近處理訴求的產(chǎn)物，是算力和網(wǎng)絡(luò)的完美結(jié)合[1]。

2 邊緣計(jì)算的應(yīng)用場景

2016年，ETSI對(duì)邊緣計(jì)算的7大業(yè)務(wù)場景做了規(guī)范并詳細(xì)的描述，包括智能移動(dòng)視頻加速、監(jiān)控視頻流分析、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）、密集計(jì)算輔助、在企業(yè)專網(wǎng)中的應(yīng)用、車聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）網(wǎng)關(guān)服務(wù)。總結(jié)來看，這7大應(yīng)用場景的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素包含了3大方面，第一是高并發(fā)低時(shí)延物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、企業(yè)中的大部分應(yīng)用、密集計(jì)算輔助以及車輛網(wǎng)都可以理解為邊緣計(jì)算，大部分是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的；第二是需要人工智能（Artificial Intelligence，AI）處理的視頻監(jiān)控應(yīng)用；第三是高帶寬流量的內(nèi)容處理和內(nèi)容分發(fā)[2]。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求云計(jì)算邊緣化。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)控制對(duì)設(shè)備的智能控制提出了高并發(fā)和低時(shí)延的要求。隨著國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)政策的推進(jìn)以及企業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，在較多領(lǐng)域出現(xiàn)了邊緣計(jì)算的應(yīng)用場景，目前應(yīng)用最多的是智慧港口、數(shù)字工廠以及智慧園區(qū)等場景，不但滿足了工業(yè)控制的需求，還很好地契合了數(shù)據(jù)不出園區(qū)的要求。另外一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，智慧城市管理不斷完善，對(duì)城市的感知、分析以及處理需求逐步加大，城市管理者對(duì)大量物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的分析會(huì)逐步走向邊緣，也是未來MEC發(fā)展的一大趨勢。未來，企業(yè)生產(chǎn)車間的控制、車聯(lián)網(wǎng)的落地以及物聯(lián)網(wǎng)采集來的大量數(shù)據(jù)都需要就近及時(shí)地計(jì)算分析，并回傳給終端計(jì)算結(jié)果。因此物聯(lián)網(wǎng)不僅要求高算力，大存儲(chǔ)，更重要的是低時(shí)延，同時(shí)還要求網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，云“下沉”靠近終端成為一種必然。

政務(wù)監(jiān)管和企業(yè)管理等視頻監(jiān)控應(yīng)用要求云計(jì)算邊緣化。隨著5G高帶寬的應(yīng)用和發(fā)展，視頻監(jiān)控等場景對(duì)邊緣計(jì)算提出了較大的訴求。公安監(jiān)控、交通監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、企業(yè)監(jiān)管以及物流監(jiān)控等領(lǐng)域需要邊緣計(jì)算進(jìn)行視頻AI分析，及時(shí)將分析結(jié)果傳回管理中心，而不需要將所有的監(jiān)控視頻回傳中心，減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬、時(shí)延以及存儲(chǔ)成本的開銷。

視頻業(yè)務(wù)的發(fā)展要求云計(jì)算邊緣化。目前，AR和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是5G中應(yīng)用較為廣泛的場景，它們所產(chǎn)生的大量視頻內(nèi)容需要邊緣化存儲(chǔ)，提高推流能力。另外個(gè)人視頻應(yīng)用、家庭影院以及游戲等應(yīng)用也存在視頻和圖片等大容量數(shù)據(jù)邊緣存儲(chǔ)的需求，要減少大量溯源對(duì)中心節(jié)點(diǎn)造成的壓力。

以上這3大類應(yīng)用要求低時(shí)延、高算力，過去采用提升帶寬、加強(qiáng)算力、優(yōu)化路由以及在中心節(jié)點(diǎn)解決的方法，其中較為行之有效的方法就是縮短數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x，把提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)從中央下放到網(wǎng)絡(luò)邊緣，離用戶更近，徹底解決帶寬、時(shí)延、算力的問題[3]。

3 邊緣計(jì)算的架構(gòu)及設(shè)置

3GPP定義了C/U分離的5GC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，用戶面功能（User Plane Function，UPF）是邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)錨點(diǎn)，ETSI定義了MEC的商業(yè)框架，包含軟件架構(gòu)、應(yīng)用場景以及應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）。UPF是ETSI與3GPP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合的關(guān)鍵點(diǎn)，MEC位于UPF之后，主要處理UPF分流來的本地流量，架構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 MEC架構(gòu)

關(guān)于邊緣計(jì)算的架構(gòu)及功能，出現(xiàn)了較多的派別，總結(jié)來看邊緣云計(jì)算至少包括以下功能組件。一是邊緣云基礎(chǔ)設(shè)施，包括機(jī)房、計(jì)算、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)等資源在內(nèi)的硬件平臺(tái)構(gòu)建的IT資源池，其主要實(shí)現(xiàn)本地化業(yè)務(wù)部署，類似小型數(shù)據(jù)中心。二是路由子系統(tǒng)，其相當(dāng)于邊緣云的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為MEC系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)組件提供基本的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)連接能力，并為邊緣云內(nèi)的第三方虛擬業(yè)務(wù)主機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)虛擬化支持。三是能力開放子系統(tǒng)，支持第三方以調(diào)用API的形式，通過平臺(tái)中間件驅(qū)動(dòng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)用。MEC從設(shè)計(jì)之初就考慮了開放的架構(gòu)，能以標(biāo)準(zhǔn)的接口將能力開放給第三方。四是平臺(tái)管理子系統(tǒng)，其相當(dāng)于傳統(tǒng)網(wǎng)管/運(yùn)營系統(tǒng)，主要功能是控制移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面，管控來自能力開放子系統(tǒng)的能力調(diào)用請(qǐng)求，規(guī)劃編排邊緣云內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施，并統(tǒng)計(jì)上報(bào)相關(guān)計(jì)費(fèi)信息等。平臺(tái)管理子系統(tǒng)是站在運(yùn)營者的角度提出的，如果是企業(yè)自建，則功能不需要那么完備，只需要具備運(yùn)行維護(hù)部分即可；而對(duì)于運(yùn)營商來說，MEC是一個(gè)對(duì)外提供服務(wù)的云資源池，因此需要運(yùn)營部分的管理功能。

MEC是為了滿足云應(yīng)用在本地閉環(huán)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)分布式下沉以及終端算力上收時(shí)所形成的連接+計(jì)算的融合匯聚節(jié)點(diǎn)。MEC所處的位置由資產(chǎn)歸屬、時(shí)延體驗(yàn)、物理基礎(chǔ)設(shè)施等相關(guān)因素共同決定[5]。從MEC的定義以及應(yīng)用服務(wù)來看，最為合理的布局是直接將MEC規(guī)劃部署到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的邊緣，但由于業(yè)務(wù)初期量小，并且很不均衡，因此目前實(shí)際的情況是大部分運(yùn)營商在部署初期都可能將MEC首先考慮在匯聚層，即跟下沉的UPF一起位于匯聚節(jié)點(diǎn)，未來可能逐步走向邊緣，即設(shè)置在CU/DU，甚至還能跟基站融合到一起，真正發(fā)揮邊緣計(jì)算的能力。

目前，國內(nèi)運(yùn)營商正在向園區(qū)和企業(yè)推廣5G定制網(wǎng)建設(shè)，建設(shè)方案中主要向生產(chǎn)企業(yè)、園區(qū)、醫(yī)院以及戒毒所等推廣5G定制網(wǎng)+UPF+MEC方案，該方案能夠滿足網(wǎng)絡(luò)安全的需求，最主要能夠滿足數(shù)據(jù)不出本地高速處理的需求。

4 云邊協(xié)同架構(gòu)

邊緣云是相對(duì)于中心云而提出的，最初根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，將核心網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)置在中心云，邊緣云是將一些應(yīng)用和服務(wù)下沉到邊緣，中間是網(wǎng)絡(luò)連接，從而形成了云網(wǎng)邊端的一個(gè)有機(jī)整體。而隨著邊緣云定義的擴(kuò)展，它已經(jīng)脫離了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的限制，云泛指云計(jì)算以及用以支撐云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施和資源，也被稱作云端，是提供服務(wù)的中心節(jié)點(diǎn)。邊也就是邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，是距離終端最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)是邊緣和用戶之間的網(wǎng)絡(luò)，正是因?yàn)樵七呏g需要協(xié)同或數(shù)據(jù)互通，網(wǎng)絡(luò)就變得不可或缺。端也就是終端，是云、邊以及網(wǎng)服務(wù)的對(duì)象。目前行業(yè)提供最為常見的就是云、網(wǎng)、邊、端融合為一體的解決方案[6]。

MEC是云計(jì)算由集中部署發(fā)展到逐步下沉，走向分布式部署階段的必然產(chǎn)物。中心云主要聚焦于管理后臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)非實(shí)時(shí)、長周期數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析及存儲(chǔ)，能夠在周期性維護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮特長。而MEC則專注于局部，聚焦實(shí)時(shí)、短周期數(shù)據(jù)的分析，能夠更好地支撐本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行。云邊協(xié)同從應(yīng)用層來看，是客戶對(duì)不同應(yīng)用部署在不同層級(jí)提出的需求；從資源層來看，是云資源池之間資源的調(diào)配，另外還存在安全策略、應(yīng)用管理以及業(yè)務(wù)管理等方面的管理協(xié)同。

4.1 業(yè)務(wù)層的協(xié)同

業(yè)務(wù)層的協(xié)同是應(yīng)用軟件按照功能或?qū)蛹?jí)部署，在中心云和邊緣云按照各自的分工實(shí)現(xiàn)各自的功能，兩者之間通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)交互。例如，視頻監(jiān)控類的監(jiān)管業(yè)務(wù)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)是將監(jiān)管系統(tǒng)部署在中心云上，而前端的視頻監(jiān)控和分析是部署在各邊緣節(jié)點(diǎn)，因此前端的視頻監(jiān)控和AI分析當(dāng)觸發(fā)監(jiān)控告警或者形成周期報(bào)告等信息時(shí)，就需要及時(shí)地將數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳或聯(lián)動(dòng)，觸發(fā)管理機(jī)制。另外一個(gè)典型場景是內(nèi)容分發(fā)，一般將熱點(diǎn)內(nèi)容向邊緣云部署，全量內(nèi)容則存儲(chǔ)在中心云。當(dāng)用戶發(fā)起請(qǐng)求而邊緣云節(jié)點(diǎn)無法響應(yīng)時(shí)，需要再到中心云進(jìn)行回源，因此云邊協(xié)同其實(shí)是業(yè)務(wù)訴求形成的協(xié)同。

4.2 資源層的協(xié)同

資源層的協(xié)同包括計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源以及安全等資源的協(xié)同。計(jì)算資源協(xié)同是指在邊緣云資源不足的情況下，可以調(diào)用中心云的資源進(jìn)行補(bǔ)充，并滿足邊緣側(cè)應(yīng)用對(duì)資源的需要。網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)同是指可能存在多條邊緣側(cè)與中心云的連接網(wǎng)絡(luò)，在距離最近的網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)控制器可以進(jìn)行感知，并將流量引入到較為空閑的鏈路上，而控制器通常部署在中心云上，網(wǎng)絡(luò)探針則部署在云的邊緣[7]。存儲(chǔ)資源協(xié)同是指在邊緣云存儲(chǔ)不足時(shí)，將一部分?jǐn)?shù)據(jù)存到中心云中，在應(yīng)用需要時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至客戶端，從而節(jié)省邊緣側(cè)的存儲(chǔ)資源。安全資源的協(xié)同是指集中部署，類似審計(jì)、安全后臺(tái)等安全系統(tǒng)，可為各個(gè)邊緣云提供安全服務(wù)。

4.3 管理層的協(xié)同

邊緣節(jié)點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)增值應(yīng)用部署與運(yùn)行環(huán)境，云端實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)增值網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的生命周期管理，包括應(yīng)用的推送、安裝、卸載、更新、監(jiān)控及日志等。中心節(jié)點(diǎn)可以對(duì)已經(jīng)存在的應(yīng)用鏡像在不同的邊緣云上進(jìn)行孵化啟動(dòng)，完成對(duì)應(yīng)用的高可用保障和熱遷移[8]。

4.4 邊緣層的協(xié)同

邊緣層協(xié)同是邊緣云之間的協(xié)同。例如，在某些車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景中，車輛在不斷行駛的過程中需要在不同的地域進(jìn)行同時(shí)部署或者某些應(yīng)用的熱遷移，中心云需要根據(jù)應(yīng)用不同時(shí)段的地域要求事先進(jìn)行部署，并下發(fā)策略實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的平滑遷移[9]。

邊緣云平臺(tái)是根據(jù)業(yè)務(wù)需要從云集中化部署發(fā)展到分布式部署階段的產(chǎn)物，因此可以將邊緣云理解為一個(gè)分布式的平臺(tái)，其特征是邊緣計(jì)算的主要特征之一。而云邊協(xié)同是業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的，資源和管理的協(xié)同是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的[10]。

5 結(jié) 論

隨著社會(huì)數(shù)字化進(jìn)程的推進(jìn)，未來云邊架構(gòu)會(huì)出現(xiàn)以下3方面的趨勢。一是邊緣計(jì)算需要的能力會(huì)越來越大，尤其是類似車聯(lián)網(wǎng)這樣的實(shí)時(shí)計(jì)算出現(xiàn)，會(huì)消耗大量的計(jì)算存儲(chǔ)資源，因此邊緣云計(jì)算會(huì)逐步在能力和體量上增強(qiáng)擴(kuò)大。二是邊緣的物理位置會(huì)越來越靠近終端，未來邊緣計(jì)算會(huì)逐步下沉到區(qū)、縣，甚至街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等。三是隨著技術(shù)和應(yīng)用的進(jìn)一步演進(jìn)發(fā)展，管理集約應(yīng)用會(huì)逐步走向邊緣，即管理控制層會(huì)進(jìn)一步下沉，邊緣云和中心云的邊界會(huì)越來越模糊，逐步走向去中心化，云計(jì)算將發(fā)展成一個(gè)高度扁平化的架構(gòu)。