邊緣計算分支—設備端容器化的大趨勢和擁抱5G時代

河海大學常州校區 成恒飛 錢育珩 張海睿 黃 天 陳 飛

隨著5G時代的到來，物聯網終端設備數量也迅速增加，同時由于網絡帶寬承載力受限，響應時間較長等問題。基于云計算的中心計算主要部署在云端的集中式處理模型顯然已經難以滿足需求。而對于網絡邊緣設備進行邊緣計算提供了物聯網場景應用的新思路，設備端容器化封存，編程云端化。

移動邊緣計算（MEC）是一種新興的計算，是工業控制上的概念，部署在終端設備或網絡接入點上，使得工業設備終端無需云計算的幫助，也能具有近端的決策控制能力。它在移動無線接入網絡（RAN）的邊緣提供計算，存儲和網絡資源，允許延遲敏感和上下文感知應用程序在最終用戶附近執行，減輕了回程和核心網絡，對于實現低延遲，高帶寬和靈活的移動服務至關重要。

而對于邊緣計算而言，容器化正成為邊緣計算平臺的標準。本身作為一種虛擬化技術，是服務器資源共享方式的一種。 可以理解為設備端版本升級，然后執行，實時的可以下發的計算力，改變設備端的開發和部署模型，設備端容器化。比如，我們可以把移動端容器化，編程變為云端化，像我們經常使用的手機，在邊緣計算領域，以后手機可以變為一個容器平臺，在手機上就可以跑工業設備的操作系統。

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing, MEC）可利用無線接入網絡創造出一個具備高性能、低延遲與高帶寬的電信級服務環境，各項服務在終端分支下載速度加快，讓消費者享有不間斷的高質量網絡體驗。

在過去的幾年里，我們的生活方式越來越多地暴露于海量流量構筑的生活場景應用中，商業、社交、多媒體等。為了應付這些激增的流量需求需求，網絡運營商必須付出巨大努力來改善用戶體驗。為克服當前無線接入網絡（RAN）的局限性，提出了兩種新興范例：

云無線電接入網（C-RAN），其目的在于通過虛擬化集中基站（BS）功能，以及移動邊緣計算，其旨在賦予網絡邊緣決策計算權力。雖然這兩種技術提出將計算能力轉移到不同的方向（云到邊緣），但它們是互補的，每個都在5G生態系統中具有獨特的地位。

移動邊緣計算服務器使用通用計算平臺直接在BS上實現，允許在最終用戶附近執行應用程序。憑借這一點，移動邊緣計算可以幫助滿足5G網絡嚴格的低延遲要求。此外，移動邊緣計算還提供各種網絡改進，包括：第一，通過在網絡邊緣托管計算密集型應用程序來優化移動資源，第二，在將大數據發送到云（或某些提取的功能）之前對其進行預處理，第三，借助于RAN信息（例如小區負載，用戶位置和分配的帶寬）的上下文感知服務。盡管移動邊緣計算原理也與霧計算的概念一致，并且兩者通?？苫Q使用，但它們之間略有不同。雖然霧計算是一個與云計算相反的通用術語，它將處理和存儲資源帶到較低層，但移動邊緣計算專門旨在通過新的功能分離和BS之間的新接口將這些功能擴展到RAN的邊緣。上面那層。霧計算最常見于企業擁有的網關設備，而移動邊緣計算基礎設施由網絡運營商實施和擁有。

我們提出了一種實時的上下文感知協作框架，該框架位于蜂窩網絡的邊緣，并與底層通信網絡并行工作。特別是，我們的目標是探索移動邊緣計算網絡中連接實體之間的協同作用，以形成異構計算和存儲資源池。為了說明移動邊緣計算協作在5G網絡中的優勢和適用性，我們提出了三個用例，包括移動邊緣編排，協作視頻緩存和處理以及多層干擾消除。這些初始目標方案可用作制定許多特定應用的基礎。

談到移動邊緣的編排問題，首先來了解一下邊緣計算的智能分層部署。邊緣計算聯盟（ECC）對邊緣計算定義了四個域，設備域（感知與控制層），網絡域（連接和網絡層），數據域（存儲與服務層），應用域（業務和智能層）。設備域對感知的信息進行直接處理，比如我們手機的語音輸入，把捕捉到的我們嘴中發出的聲學信號轉化為文字信息。網絡域通過部署計算能力，實現各網絡協議的自動轉換，對數據格式進行標準化處理。數據域使得數據管理更智能、存儲方式更靈活。應用域使得設備具有智能化的感知能力，裝配自適應的連接策略和（數字）部署策略，解決系統中的數據異構問題，并提供局部的業務邏輯甚至智能。移動邊緣編排、協作視頻緩存以及多層干擾消除，都是針對特定場景應用的基礎。

這其中的佼佼者，predix平臺就提出三種清晰的定義。協議適配器（Protocol Adapters）可以支持不同工業通訊協議進行數據采集和反向設備控制，包括OPC-UA，modbus，MQTT等；設備對云端的接口通過設備管理框架和數據流服務（Data River），Predix Machine可以將分析后的數據或者原始數據通過HTTP或者WebSocket傳輸到云端的數據存儲中，作后續的智能分析；而對于最重要的容器化分析平臺，這里需要的是通過數據總線（Data Bus）,Machine可以運行由Docker容器封裝的智能分析算法，處理連續的數據流，并可以提供近乎實施的終端分支決策和控制。

毫無疑問，在5G時代的到來，終端設備容器化日益成為趨勢。邊緣計算應用場景日益復雜，我們現在可以清晰的看到邊緣計算平臺，而不是傳統的收發網關，過去只能在云端完成的運算，現在可以利用幾臺計算機組成的小規模集群隔離主機資源進行運算，在邊緣計算平臺上運行智能分析算法。多種編程語言之間的隔閡也不再成為限制，支持多種開發工具和多種編程語言的運行時環境?？梢栽诙鄠€移動容器平臺上跑程序，進行控制，智能分析。