基于NFV的邊緣計算承載思路

羅雨佳，歐亮，唐宏

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基于NFV的邊緣計算承載思路

羅雨佳，歐亮，唐宏

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

針對運營商如何引入邊緣計算的問題，提出了一種基于NFV的邊緣計算承載方案和部署思路。首先介紹了邊緣計算、物聯網等新興技術產業的發展現狀和趨勢，梳理了邊緣計算的概念、應用場景及具體需求，并闡述了NFV與邊緣計算的關系；然后討論了使用NFV對邊緣計算平臺進行承載和初步部署的思路，為后期邊緣計算的規劃和部署提供了技術參考。

通信技術；邊緣計算承載方案；NFV

1 引言

近年來，5G、物聯網和邊緣計算成為業界炙手可熱的議題，這3個看似獨立的方向有著深入的聯系：邊緣計算是5G的關鍵特征，可為物聯網提供實時計算、分析和管理能力；而5G在架構、接口、信令和管理等方面，針對邊緣計算和物聯網需求做出了針對性改進，能更好地配合邊緣計算與物聯網業務。

隨著傳感器、智能家居、智能手機等智能設備的爆發式增長，未來將會有更多場景使用邊緣計算。IDC和ITU-T統計數據顯示，到2020年，全球將部署近2 120億個傳感器，有超過500億臺終端和設備聯網，每人每秒產生1.7 MB的數據量，其中超過50%的數據需要在網絡邊緣側存儲、處理與分析；而到2025年，連接數將達到1 000億，邊緣計算市場呈現井噴式發展態勢。

從2017年開始，各大巨頭紛紛發力邊緣計算，一些機構也參與到邊緣計算的研究中。2016年11月，華為技術有限公司、中國科學院沈陽自動化研究所、中國信息通信研究院、英特爾、ARM和軟通動力等多家公司聯合成立了邊緣計算聯盟。2017年，亞馬遜推出了應用于邊緣計算的“AWS Greengrass”平臺，微軟也在其開發者大會上推出Azure IoT Edge，將云平臺擴展到物聯網邊緣設備。2018年3月，Linux基金會發布了Akraino項目，旨在為運營商和企業網絡構建邊緣計算基礎架構開發堆棧。

順應產業趨勢，運營商正在利用SDN/NFV、容器、微服務、CICD（continuous integration continuous deployment，持續集成持續交付）等新技術進行深層次的網絡架構變革。邊緣計算將是新的著力點，如何引入邊緣計算，實現對邊緣計算的承載，是運營商的重點研究課題之一。

本文首先介紹對邊緣計算的理解，描述邊緣計算的需求及與NFV的關系；然后給出NFV架構各層對邊緣計算的承載思路，并探討了邊緣計算的部署問題，為后續邊緣計算的落地提供技術參考。

2 邊緣計算

2.1 邊緣計算的概念

2015年，ETSI針對邊緣計算方向成立了MEC工作組。初期，MEC的英文全稱是mobile edge computing，強調移動性和無線網絡環境，目前MEC已更名為multi-access edge computing，對多種接入方式和網絡承載方式提供了支持。ETSI對邊緣計算的定義是：在網絡邊緣提供IT應用和云計算能力，并保證近距離、低時延和高帶寬。產業界對網絡邊緣的定義尚無統一標準，應根據各自需求和網絡情況具體確定。對運營商來說，網絡邊緣主要指端局和接入機房。

邊緣計算將計算、網絡、存儲能力下沉到靠近數據源頭的網絡邊緣側，構建了一種服務平臺，就近提供邊緣智能服務，旨在進一步減小時延，提高網絡運營效率，提高業務分發/傳送能力，優化終端用戶體驗。同時，部署于邊緣計算平臺上的各種業務，可利用從終端獲取的網絡或用戶信息，提供更加個性化的服務。

論其本質，邊緣計算實際是云計算的延伸。隨著全球數字化浪潮的來襲，網絡邊緣到云數據中心的帶寬和時延限制了傳統云計算的表現；同時，云計算已經無法匹配來自各行各業海量數據的處理需求。因此，邊緣計算和傳統云計算必須相互協同，才能實現運營商業務的數字化轉型。邊緣計算作為前臺，更靠近物理設備，可實現數據的快速采集和預處理；云計算作為后臺，對非實時性數據進行價值分析，形成策略，為業務決策提供支撐。

目前，邊緣計算主要有以下幾大應用場景。

（1）智能視頻加速

提升移動網絡和固網用戶對視頻的訪問速度，緩解快速增長的視頻業務對現網造成的壓力。

（2）密集計算輔

在網絡邊緣對云端計算提供輔助，減輕云數據中心壓力，降低傳輸成本，提升性能。

（3）增強現實

配合增強現實（augmented reality，AR）攝像頭數據和位置信息，對提升用戶體驗所需的額外信息進行更新，有效保障AR對實時性和數據處理精度的需求。

（4）物聯網網關

提供低時延的流量分發、數據處理能力。

（5）車聯網

更好更快地支撐車輛感知、娛樂、路況分析等車內應用。

（6）視頻流分析

在本地對監控攝像頭拍攝的數據進行分析。

（7）智能家居、智能制造

提升生產和控制效率，針對性地保障數據安全。

以上場景具備高可靠、低時延、高速度、本地化等特征，對邊緣計算平臺的具體要求如下：

? · 靈活的基礎設施承載；

? · 良好的擴展能力；

? · 敏捷連接，提供實時業務；

? · 安全與隱私保護；

? · 低能耗；

? · 高水準服務質量和服務體驗。

2.2 邊緣計算的架構

ETSI認為，邊緣計算實際是一個開放的計算與感知控制服務平臺，可部署多種應用。它既提供網絡感知、計算、數據分析等服務，也為自營或第三方邊緣應用提供虛擬化管理能力。

ETSI2016年發布的GS MEC 003規范給出了邊緣計算平臺的參考架構，如圖1所示，架構總體分為3層。

圖1 邊緣計算參考架構

網絡層用于提供進出邊緣計算平臺的管道，邊緣計算支持多種接入方式，該管道可基于移動網，也可基于固網。

邊緣主機層主要由邊緣主機和主機層管理系統構成。其中，邊緣主機基于虛擬化軟件實現了資源池化，提供一套虛擬化的基礎設施，可承載各種5G、物聯網相關的邊緣應用軟件，應用軟件接受邊緣平臺的管理；而主機層管理系統包括邊緣平臺管理系統和VIM（virtualized infrastructure manager，虛擬資源管理）系統，分別提供對邊緣平臺和虛擬網絡、計算、存儲資源的整體管理。

邊緣系統層主要由邊緣編排器和OSS組成，該管理系統主要提供全局的業務編排能力以及運營支撐能力。

2.3 邊緣計算與NFV的關系

邊緣計算與NFV的關系密不可分，ETSI提供的邊緣計算參考架構實際是參照NFV架構進行設計的。ETSI認為，邊緣計算可視為部署在網絡邊緣的本地業務網，類似于運營商的政企應用，其對資源的共享性及擴展性要求較高，需使用虛擬化環境進行部署。同時，邊緣計算與NFV的本質，都是將各種應用軟件運行在虛擬化平臺之上，兩者的底層基礎設施乃至架構都是十分相似的，建議盡量復用NFV的環境和管理方案。

邊緣計算并非是一個全新的、需要從頭開墾的領域，對于運營商來說，應站在保護運營商現有投資、最大化利用現有經驗、獲取最大化收益的角度，基于已發展多年的NFV研究、開發、集成測試、現網實驗、部署等經驗，使用NFV環境實現對邊緣計算業務的承載。

3 基于NFV的承載思路

運營商普遍采用的NFV架構包含NFV基礎設施層、網絡功能層和業務編排層，其架構如圖2所示。

圖2 NFV架構

使用NFV環境進行邊緣計算承載，需重點討論兩方面內容：

? · 應明確NFV架構功能模塊與邊緣計算參考架構模塊間的對應關系，理清基于NFV的承載思路；

? · 由于邊緣計算平臺具備第2.1節所述特點，因此其對NFV環境的硬件、軟件存在某些特殊要求，應做出針對性調整和優化。

接下來，本文將討論NFV不同層面對邊緣計算的承載方案。

3.1 NFV基礎設施層

NFV基礎設施層主要包括計算節點（通用服務器）、網絡節點（交換機）、存儲節點（硬盤、磁陣等）、虛擬化層、虛擬資源及兩大管理系統VIM和PIM（physical infrastructure manager，物理資源管理）系統。

在ETSI NFV工作組早期定義中，NFV基礎設施不包含VIM，然而目前業界普遍認為VIM也屬于NFV基礎設施的范疇，因為VIM需要與物理和虛擬資源進行密切交互。在物理資源的管理方面，雖然現有VIM產品包含一部分物理硬件管理功能，但功能尚不完善，無法滿足運營商對不同廠商設備統一管控的需求，因此需要使用獨立的PIM系統，實現對服務器、交換機和存儲設備的統一管理。

NFV基礎設施的計算、網絡、存儲節點、虛擬化層（含虛擬交換機）對應邊緣計算參考架構的虛擬基礎設施，邊緣計算架構中的VIM功能與NFV相同。同NFV的思路類似，運營商應當在邊緣計算架構中增加PIM系統，作為主機層管理系統的獨立子功能。

運營商網絡邊緣不同機房的條件存在較大差距，大部分機房在面積、供電、制冷、承重方面具有一定限制，考慮到邊緣計算業務的特殊要求，NFV基礎設施層需在以下兩方面進行改進和優化。

（1）硬件設備選型

建議在保證可靠性的前提下，配備所需物理硬件的最小集合，并選擇低功耗、占用空間小、重量輕的設備。

（2）VIM、PIM優化部署

NFV化后，由于OpenStack、分布式存儲等系統存在可靠性要求，需使用多臺服務器進行冗余部署，實際引入了更多的物理設備，部分對空間和功耗非常敏感的邊緣機房無法支持更多設備的引入，應考慮將NFV管理系統VIM和PIM進行優化部署，降低其對機房資源的消耗。

3.1.1 硬件設備的選型

邊緣計算硬件設備的選型應本著最大化利用現有端局和接入機房環境、減少部署成本、降低NFV化改造施工復雜度的原則，對服務器尺寸、類型進行限制，并結合業務需求，給出不同類型的服務器典型配置，詳見表1。

表1的具體數值要求，參考了行業標準YD/T 1821-2008[1]、企業標準《中國電信IDC機房設計規范》[2]和《中國電信單機定制化服務器工程總體技術要求》，考慮到端局和接入機房的環境限制，并結合業界服務器產品的實際情況，本文對服務器尺寸和配置進行了調整，該配置已在中國電信網絡重構機房的各種測試中得到了驗證，具備一定的普適性。

總體來說，可將服務器分為以下3種類型。

·? 計算型：適用于數據分析計算業務。

·? 轉發型：適用于對時延、吞吐量要求較高的實時性大流量業務。

·? 存儲型：適用于數據存儲業務。

上述3種模型是服務器的基本分類，根據邊緣計算業務的實際需求，服務器的配置可能是多種類型的組合：比如智能視頻加速對磁盤容量和IOPS都有較高要求，對應的服務器配置應該是轉發型和存儲型的集合。

3.1.2 VIM和PIM的優化部署

對于規模較小、基礎設施條件受限的網絡邊緣機房，若每個機房都要部署VIM和PIM管理系統，會造成巨大的資源浪費，建議采用本地精簡部署方式或遠程部署方式。

本地精簡部署方式通過將計算節點和VIM/PIM統一部署，并采用裁剪VIM/PIM部分組件等技術手段，節省VIM/PIM所占用的資源。該方案對網絡規劃要求較高，需做好VLAN、VxLAN劃分，有效隔離計算節點業務流量，保證邊緣計算業務不受統一部署影響；同時，應合理分配服務器計算、存儲資源，防止管理系統對資源的過多占用，導致用戶體驗的降低。

遠程部署是將VIM和PIM部署在機房條件限制較少的機房，對多個網絡邊緣機房的物理資源、虛擬資源進行統一管理。該部署方案受到消息通道的限制，開源OpenStack消息總線的大小限制了VIM可以管控的服務器數量，并且OpenStack內設消息計時器，若超過一定時間未收到服務器應答，則判定連接故障，繼而引發系統重啟操作，所以對VIM的遠程部署距離存在限制。如果要實現該方案，需聯合廠商對VIM的進行相應調整，并在現網實際部署測試，以驗證其可靠性。

3.2 NFV網絡功能層

VNF（virtualized network function，虛擬網絡功能）可承載如vBRAS、vIMS等運營商虛擬網元，也可承載邊緣計算應用，兩者都是安裝在虛擬環境之上的應用軟件。

在NFV中，EM（element manager，網元管理）系統提供對虛擬網元的業務和資源管理，可對應于邊緣計算架構中的邊緣平臺。不過在ETSI的要求中，邊緣平臺不僅需要管理應用軟件的資源和業務，還需要執行流量策略控制，向數據平面下達命令。因此，若使用EM來承載邊緣平臺，需在原有基礎上進行功能增強，以滿足邊緣計算對路徑控制的需求。

VNFM（VNF manager，虛擬網絡功能管理）系統提供對虛擬網元的生命周期管理。VNFM可對應邊緣計算架構中的邊緣平臺管理系統，在實際使用過程中，EM和VNFM需要相互協同配合，共同完成對邊緣計算應用的管理。

由于邊緣計算應用具備高可靠、低時延等特征，要求邊緣應用軟件及EM、VNFM管理系統輕量化，具備快速響應、簡易交互的能力；因此，建議使用支持云原生的邊緣應用，并對現有EM、VNFM進行相應升級改造。云原生軟件基于微服務實現，支持容器化部署。軟件被分解為多個基礎的原子功能，減少系統冗余，提升功能利用率。同時，任何錯誤和故障只會導致特定功能無法執行，不會對軟件其他部分產生連帶影響，并且便于故障定位，大大提升軟件可用性和靈活性。

目前，云原生概念已在NFV產業中被廣泛接受，各大廠商的NFV產品均進行了相應改進，相信到了邊緣計算部署應用時，云原生方案會更加成熟。

3.3 NFV業務編排層

NFV的業務編排層與邊緣計算架構中的邊緣系統層可完全對應。由于該層面部署在運營商網絡中相對較高的位置，主要從宏觀角度對區域或全網進行管理和編排，因此受邊緣計算業務特點和需求影響較小，無須做較大改動。

但是產業界中云原生概念已逐步發展并開始影響OSS和編排器。Linux基金會旗下的開源項目ONAP正致力于實現智能、敏捷的網絡管理和編排系統，該社區一直保持較高活躍度，它基于微服務架構，支持容器化部署，代表了網絡編排和管理系統的發展趨勢。

另外，從2016年開始，越來越多的廠商開始關注基于AI的網絡編排管理，利用AI和大數據技術，幫助管理者進行數據分析和策略制定，從而實現更精確、更自動化的網絡管理。2018年年初，Linux基金會聯合AT&T成立了AI開源項目Acumos，構建一個管理AI和機器學習應用程序，并共享AI模型的聯合平臺。它提供了可視化工作流程，支持自由共享AI解決方案和數據模型，這無疑將加速AI在網絡編排管理系統中的應用。

未來，云原生和AI智能將輔助網絡管理和編排系統，提升運營商網絡管理能力，更靈活快捷地開通新業務，以適應市場和用戶的新需求。

4 邊緣計算的部署

對運營商來說，基于NFV的邊緣計算平臺可考慮部署在城域網端局或接入層，具體部署在哪個層面，需要緊密結合業務需求和現網實際情況。

對于智能視頻加速，增強現實、物聯網網關、智能家居等實時性要求非常高的業務，考慮盡可能靠近用戶，將邊緣計算平臺部署于運營商接入機房，與固網OLT網元位于同一平面；同時，建議將5G UPF網關下沉到接入機房，減少業務傳輸時延。由于接入機房的空間、制冷效果、功率控制、承重等基礎設施能力受限，可部署的設備規模較小，在不影響邊緣計算平臺管理實時性的前提下，可考慮將VIM、PIM、VNFM的部署位置適當提高到城域網邊緣，不占用接入機房資源，實現集中式管控。目前這種方式只是一種實現思路，其合理性需要在現網實驗中進行進一步驗證。

對于本地數據分析、密集計算輔助等業務，時延要求相對較低，主要看重網絡邊緣的分析計算能力，因此可考慮將邊緣計算平臺部署在位置相對較高的城域網邊緣。

邊緣計算有一些獨特的管理要求，如用戶的移動會觸發應用遷移、應用狀態更新等，因此，初期建議采用獨立的機房部署邊緣計算平臺，避免與運營商其他類型的業務混用機房，加重運維管理復雜度。為了最大化利用計算、網絡和存儲資源，建議將存儲型邊緣應用（如CDN）和計算型邊緣應用（如數據分析）部署在同一機房。后期，當邊緣計算的標準和應用相對成熟后，可考慮與運營商其他業務進行綜合部署。

5 結束語

邊緣計算、物聯網、5G等技術是近幾年通信行業新的爆發點，各大運營商都在對相關技術、標準和產品進行研究和測試。隨著運營商網絡重構腳步[3]的不斷加快以及對NFV等新技術理解的不斷深入，如何使用新的網絡架構實現對新型業務的承載，必然是亟待解決的問題。

本文提供了基于NFV的邊緣計算承載思路，并探討了邊緣計算在現網中可能的部署方案。目前，邊緣計算尚處于初期階段，標準組織的規范制定剛剛起步，業界也缺乏可大面積推廣的成熟應用，本文初步提供了一種邊緣計算的承載和部署思路，還有待后續的深入研究和測試，逐步對解決方案進行完善。

[1] 工業和信息化部. 通信中心機房環境條件要求: YD/T 1821-2008[S]. 2008.

Ministry of Industry and Information Technology. Communication center equipment room environmental requirements: YD/T 1821-2008[S]. 2008.

[2] 中國電信集團公司. 中國電信IDC機房設計規范[S]. 2011.

China Telecom. China Telecom IDC engine room design speci- fication[S]. 2011.

[3] 陳華南, 龔霞, 朱永慶, 等.城域網重構思路[J]. 電信科學, 2018, 34(5): 120-126.

CHEN H N, GONG X, ZHU Y Q, et al. Metropolitan area network re-architecture[J]. Telecommunications Science, 2018, 34(5): 120-126.

Bearing thinking of edge computing based on NFV

LUO Yujia, OU Liang, TANG Hong

Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China

Aiming at introducing edge computing into operator’s network, a bearing and deployment thinking based on NFV was presented. Firstly, the industry development trends of edge computing were introduced. Then the concept, service scenarios and special requirements of edge computing were described, as well as the relationship between edge computing and NFV. Then, a bearing thinking of edge computing based on NFV was provided. Further more, some preliminary discussions about deploying edge computing platform on operator’s network were offered. Technical reference for the future deployment of edge computing was provided.

communication technology, bearing solution of edge computing, network function virtualization

TN915

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018214

羅雨佳（1989?），女，中國電信股份有限公司廣州研究院工程師，主要從事IP承載網絡技術、SDN/NFV技術相關研究等工作。

歐亮（1968?），男，博士，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，長期從事電信網絡規劃設計、互聯網新技術研究與應用工作。

唐宏（1974?），男，中國電信股份有限公司廣州研究院數據通信研究所所長，主要從事IP承載網、下一代互聯網、網絡新技術方面的研發與管理工作。

2018?02?26；

2018?07?06