淺談移動邊緣計算

做者簡介：李子姝，北京郵電大學將來網絡理論與應用實驗室 研一 CCN、NDN方向

前言

在正式開始介紹移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）以前，先從我做爲一個初學者的角度來談談MEC出現的必要性，便於讀者理解。這篇文章僅表明我本身的一個學習過程和體會，若是有表述不當的地方，歡迎批評指正。

提到MEC，對其略懂一二的人，恐怕能想到的第一個詞就是「低時延」，雖然MEC的含義遠不止於此，但我認同「快」的確是MEC所能帶給咱們的最切實際的體驗！

咱們從時代發展的角度來試圖窺探一下「快」趨勢發展的必然性，在被數字化席捲的今天，人們的生活節奏愈來愈快，數據仍是最有價值的東西嗎？其實否則。最有價值的東西，在我看來應該是注意力。如何能極大程度地鎖定人們的注意力，除了內容自己上的優點，我認爲關鍵仍是在於「快」。簡單的舉個例子，就看視頻而言，有研究代表一旦開始播放前的等待時間超過五秒，將很難再留住用戶。假若觀看視頻的期間再出現幾回討厭的卡頓，用戶對於視頻的興趣甚至對於播放平臺的好感度將會急劇降低。反過來，從競爭的角度來看，正所謂「天下武功，惟快不破」，只有在「快」上作到遊刃有餘，才能不被時代的浪潮拍在沙灘上。從這個角度來看，MEC的出現正是迎合了數字時代快發展的要求。

1、基本概念

ETSI對於MEC的標準定義是：在移動網邊緣提供IT服務環境和雲計算能力。咱們從運營商的角度來解讀一下這個定義，如圖1，在運營商眼裏，網絡其實就分爲三個部分：無線接入網、移動核心網、應用網絡。其中，無線接入網由基站組成，負責移動終端的接入，移動核心網由一堆高性能的路由器和服務器組成，負責將無線基站鏈接到外部網絡，應用網絡就是各類應用服務器工做的地方，實際上就是各類數據中心、服務器甚至PC。運營商基本上只掌管無線接入網和移動核心網兩部分，應用網絡一般在OTT手裏，這三種網路在用戶終端和應用服務器之間交替傳遞數據，完成用戶的各類上網需求。可是隨着各類新服務類型的出現，好比AR/VR，connected cars等，這種傳統的網絡結構逐漸不堪重負，所以催生了MEC的出現，即將網絡業務「下沉」到更接近用戶的無線接入網側，從而帶來三個好處：

• 用戶感覺到的傳輸時延減少
• 網絡擁塞被顯著控制
• 更多的網絡信息和網絡擁塞控制功能能夠開放給開發者

另外，在這裏能夠把MEC與傳統的數據中心作一比較，傳統的數據中心能夠簡單理解爲集中式的大數據處理平臺，而MEC能夠簡單理解爲邊緣式的大數據處理平臺，即把傳統的數據中心切割成各類小型數據中心後放置到網絡的邊緣，以期更靠近用戶，爲用戶提供更快的服務和達到更好的網絡性能。

2、MEC的服務場景

MEC的服務場景有不少，在ETSI的《Mobile Edge Computing—A Key Technology Towards 5G》白皮書中主要列舉如下幾個典型：

加強現實AR
加強現實AR是一種利用計算機產生的附加信息對使用者所看到的真實世界景象進行加強或擴展的技術。MEC服務器緩存須要推送的AR音視頻內容，基於定位技術和地理位置信息一一對應。根據終端發起的應用請求，MEC服務器經過深度包解析判斷應用內容，結合位置信息肯定推送AR內容併發送給用戶。MEC解決方案一方面經過內容本地化下降了內容時延，提高用戶體驗；另外一方面基於位置，大大加強了AR的應用效果和價值。

智能視頻加速
在因特網上，媒體和文件傳輸一般是以流的形式，或基於TCP協議使用HTTP下載。信道環境、終端的接入和離開等變化都會致使鏈路容量的變化。TCP可能並不能快速適應RAN的快速變化，所以使用MEC進行視頻加速能夠解決這類問題。

Connected cars
MEC服務器能夠部署於沿道路的LTE基站上，從車載應用和道路傳感器接收本地信息，並加以分析，從而傳播一些緊急信息給本區域的其餘車輛。

物聯網匯聚網關
IOT裝置在處理器和內存容量上一般是資源受限的，所以有必要使用匯聚網關將各類各樣IOT裝置信息聚合起來，這樣能夠下降分析處理的反應時間。

3、MEC基本架構

在《Mobile-Edge Computing – Introductory Technical White Paper》白皮書中，對MEC服務器平臺進行了圖2所示的定義。

如圖2所示，MEC 託管基礎架構主要包括MEC硬件資源和MEC虛擬化層兩部分。MEC應用平臺由MEC虛擬化管理器和MEC應用平臺服務組成。MEC虛擬化管理器提供基礎設施即服務（IaaS）功能，針對應用提供靈活高效、多租戶的運行和託管環境。MEC應用平臺服務爲上層運行於MEC服務器的應用提供如下一組中間件服務：

• 基礎設施服務（Infrastructure services）

1. 通訊服務（Communication services，CS）：容許在MEC服務器上的應用可以和這個應用平臺進行通訊。
2. 服務註冊（Service registry，SR）：服務註冊表提供了MEC服務器上可用服務的可見性。它使用服務鬆散耦合的概念，在應用程序部署中提供靈活性。

• 無線網絡信息服務（Radio Network Information Services，RNIS）：可以提供鑑權應用，好比說小區ID，用戶位置，小區負載和吞吐量。RNIS提供信息給無線接入網到用戶和小區。
• 流量卸載服務（Traffic Offload Function，TOF）：TOF服務選擇優先處理的流量，並將所選擇的基於策略的用戶數據流路由分配給有權接收數據的應用程序。

虛擬設備的應用程序運行於IaaS上的虛擬機映像之上。各VM與MEC應用平臺之間採用統一的API。

接下來咱們針對圖2所示的MEC服務器平臺架構對MEC服務器的三層邏輯實體作如下概括：

• MEC平臺基礎層：基於NFV的硬件資源和虛擬化層架構，提供底層硬件的計算、存儲、控制功能和硬件虛擬化組件（包括基於OpenStack的虛擬操做系統、KVM等），完成虛擬化的計算處理、緩存、虛擬交換及相應的管理功能。
• MEC功能組件：承載業務的對外接口適配功能，經過API完成和基站及上層應用層之間的接口協議封裝，提供流量旁路、無線網絡信息、VM通訊服務、應用與服務註冊等能力，具有相應的底層數據包解析、內容路由選擇、上層應用註冊管理、無線信息交互等基礎功能，相應的API採用網管SNMP，經過Get/Set Request/Set Response消息實例完成參數及信息交互。
• MEC應用層：基於網絡功能虛擬化VM應用架構，將MEC功能組件進一步組合封裝成虛擬的應用（本地分流、無線緩存、加強現實技術、業務優化、定位等應用），並經過標準的接口開放給第三方業務應用或軟件開發商，實現無線網絡的能力開放與調用。

4、MEC的部署場景

MEC服務器能夠部署在多個位置，這一小節列舉MEC服務器的幾個部署場景。

（1）基於4G EPC架構部署在RAN側的MEC方案

• MEC服務器部署在RAN側基站匯聚點後：如圖3，這是比較常見的部署方式。

• MEC服務器部署在RAN側單個基站以後：如圖4，針對熱點區域，例如校園、大型購物中心等。這種架構方案的優點在於更方便經過監聽、解析S1接口的信令來獲取基站側無線相關信息，但計費和合法監聽等安全問題須要進一步解決。

（2）基於4G EPC架構部署在CN側的MEC方案

• MEC服務器與與CN側的P-GW部署在一塊兒：如圖5，這種方式不改變現有EPC架構，MEC 服務器與P-GW部署在一塊兒。UE發起的數據業務通過eNodeB、Hub Node、S-GW、P-GW+MEC 服務器，而後到公網Internet。該部署方式不存在計費、安全等問題。

• MEC服務器與CN側的D-GW部署在一塊兒：如圖6，這種方式改變現有EPC架構，MEC 服務器與D-GW部署在一塊兒，原P-GW拆分爲P1-GW和P2-WG（即D-GW），其中P1-GW駐留在原位置，D-GW下移（能夠到RAN側，也能夠到CN邊緣）。D-GW具有計費、監聽、鑑權等功能。MEC 服務器與D-GW能夠集成在一塊兒，也能夠做爲單獨網元部署在D-GW以後。P1-GW與D-GW之間爲私有接口，需同一廠家設備。

（3）基於5G架構的MEC服務器部署方案

• MEC 服務器部署在GW-UP處：如圖7中MEC server 2位置所示，5G網絡核心網C/U功能分離以後，U-Plane（對應GW-UP）功能下移（能夠下移到RAN側，也能夠下移到CN的邊緣），C-Plane（對應GW-CP）駐留在CN側。MEC 服務器部署在GW-UP處，相對於傳統公網方案，可爲用戶提供低時延、高帶寬服務。
• MEC 服務器部署在NodeB以後：如圖7中MEC server 1位置所示，MEC 服務器部署在NodeB以後（一個或多個NodeB），使數據業務更靠近用戶側。UE發起的數據業務通過NodeB、MEC 服務器 1，而後到Internet（第三方內容提供商服務器），在這種方式下計費和合法監聽等安全問題須要進一步解決。

介紹完MEC部署方案，這裏有一個問題值得咱們思考：網絡的邊緣究竟在哪裏？雖然許多人對於網絡邊緣的定義在無線蜂窩站和天線，但事實上，MEC實際上工做於應用層，移動網絡真正的邊緣應該是用戶終端。若是MEC部署在終端上，將會對用戶產生更大的影響。所以，我相信MEC愈來愈接近終端部署是從此MEC演進的趨勢。

5、MEC相關的實現案例

• 在線視頻系統

英特爾中國研究院與英特爾網絡平臺事業部、中國移動及愛奇藝合做開發了一款在線視頻系統。視頻提供商可請求無線基站爲特定的高清付費用戶提供充足帶寬，保證其觀看體驗。OTT在使用上述系統時，無需對本身的應用網絡進行架構性變更，大幅下降了使用成本，加速了業務創新。該系統已在業界知名的世界移動通訊大會（MWC）上現身，引發普遍關注，並被歐洲電信標準化協會（ETSI）的MEC工做組採納爲典型業務場景之一。此外，該系統在中國IMT-2020(5G)推動組組織的中國5G技術研發試驗的第一階段測試中獲得驗證。

• 打造「無限」VR體驗

中興通信提出如圖9所示的基於5G架構的MEC解決方案。

該方案具備如下5大業務特性：

1. 本地化部署，能夠單獨提供業務服務。
2. 最接近數據資源，有利於獲取進行統計分析的關鍵數據。
3. 提供低時延的邊緣業務。
4. 獲取移動設備的位置，爲商業用戶提供基於業務的定位、統計等。
5. 基於網絡上下文的實時數據獲取，便於相關應用提供精確的商業服務。

• MEC for Connected cars

圖10所示是一個針對connected cars提出的MEC解決方案，MEC部署在沿道路兩側排列的基站以後，並與以後的雲數據中心進行信息交互，實現一些更須要低時延的計算和處理功能，對車載應用或道路傳感器傳來的數據能作到快速處理，通知同區域的其餘車輛相關事件的發生。該方案來自於論文《A Novel Mobile Edge Computing-based Architecture for Future Cellular Vehicular Networks》，該論文已被2017 WCNC收錄。對該方案感興趣的讀者能夠轉至論文原文做進一步瞭解。

6、MEC現存的問題和挑戰

MEC做爲一個新興的前沿技術，在爲咱們帶來具備便利和效益的同時，還存在不少的問題和挑戰。
（1）移動性問題：移動性問題又能夠分爲如下兩種場景

• 用戶在一個MEC服務器之下，從一個基站移動到另外一個基站：服務器須要保證UE到應用的鏈接性能，須要跟蹤UE當前的鏈接節點來確保下行數據的路由。
• 用戶從一個MEC服務器移動到另外一個MEC服務器：須要基於應用的能力、原始服務器和目標服務器的負載信息等狀況來決策採用的移動性機制

（2）計費問題：邊緣計算平臺因爲在部署時將服務下移，流量在邊緣進行本地化卸載，計費功能不易實現。對於該問題，移動邊緣計算平臺的標準化工做還沒有涵蓋該部分的實現，不一樣的公司也有本身傾向的解決方案。服務問題因爲涉及到較多的核心網網元，也須要設備供應商、OTT、運營商等多方的共同努力和積極探索。
（3）安全問題：同時，因爲服務的下移也帶來一些安全問題，例如可能存在一些不受信任的終端及移動邊緣應用開發者的非法接入問題。所以須要在基站和邊緣計算服務器之間創建鑑權流程和安全隧道的通訊，以保證數據的機密性和完整性，並保證網絡的安全。

最後，MEC的研究工做正在進行中，第一階段在2016年末結束，主要是API標準的定義、MEC與NFV和端到端移動性的整合等的工做；下一階段是1七、18年兩年，主要研究3GPP和非3GPP接入支持、虛擬化支持類型擴展、新付費模式的支持、開發各類應用、研究新的使用場景、研究NFV環境下MEC的部署等。相信在不久的未來，MEC的研究將會到達一個新的高度，讓咱們你們拭目以待！

參考資料：

《Mobile Edge Computing – A Key Technology Towards 5G》白皮書《Mobile-Edge Computing – Introductory Technical White Paper》白皮書《A Novel Mobile Edge Computing-based Architecture for Future Cellular Vehicular Networks》論文《面向5G的邊緣計算平臺及接口方案研究_烏雲霄》《中興通信5GMEC測試_已在途中_魯義軒》《邊緣計算_萬物互聯時代新型計算模型_施巍鬆》