移動(dòng)邊緣計(jì)算：架構(gòu)、應(yīng)用和挑戰(zhàn)

高志鵬 堯聰聰 肖楷樂

摘要：通過對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算（MEC）的概念、框架、應(yīng)用場景等詳細(xì)闡述，認(rèn)為MEC作為一種新的計(jì)算范式，一方面可以滿足用戶設(shè)備飛速增長的計(jì)算需求，另一方面也可以提高用戶體驗(yàn)的質(zhì)量。另外，MEC的及時(shí)性和即時(shí)性等特征為時(shí)延敏感應(yīng)用的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：MEC;架構(gòu);5G;物聯(lián)網(wǎng);車聯(lián)網(wǎng);安全和隱私;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

Abstract： Through detailed descriptions of the concepts， frameworks， and application scenarios of mobile edge computing （MEC） in this paper， we believe that MEC， as a new computing paradigm， can meet the computational demands of user equipment， and improve the quality of user experience. What's more， the timeliness and immediacy of MEC provide a good foundation for the development of delay-sensitive applications.

Key words： MEC; architecture; 5G; Internet of things; Internet of vehicles; security and privacy; augmented reality

1 移動(dòng)邊緣計(jì)算的誕生和發(fā)展

在過去的十幾年中，云計(jì)算把計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和網(wǎng)絡(luò)管理集中化，其中網(wǎng)絡(luò)管理指的是對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)、骨干IP網(wǎng)以及蜂窩核心網(wǎng)絡(luò)的管理。云計(jì)算通過云中大量可用的資源對(duì)資源受限的終端用戶設(shè)備提供彈性計(jì)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。云計(jì)算推動(dòng)了許多互聯(lián)網(wǎng)公司的快速增長，例如軟件即服務(wù)[1]被廣泛應(yīng)用到谷歌、Facebook、Twitter等著名信息技術(shù)（IT）企業(yè)的數(shù)據(jù)中心;云業(yè)務(wù)已經(jīng)成為亞馬遜盈利最大的部門;Dropbox的成功很大程度上也取決于亞馬遜的云服務(wù)。然而近些年來，萬物互聯(lián)時(shí)代帶來了數(shù)據(jù)傳輸帶寬、時(shí)延，以及應(yīng)用和服務(wù)性能、可靠性等方面的新需求。據(jù)估計(jì)，在不久的將來，數(shù)百億臺(tái)邊緣設(shè)備將被部署，按照摩爾定律，它們的處理器速度也將呈指數(shù)級(jí)增長。通過把這些大量分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣的空閑計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間整合，使其無縫為移動(dòng)設(shè)備提供計(jì)算和存儲(chǔ)支持，一種新的計(jì)算范式——移動(dòng)邊緣計(jì)算[2]（MEC）被提出。MEC系統(tǒng)如圖1所示，關(guān)鍵組件包括MEC服務(wù)器和移動(dòng)設(shè)備（也稱為終端用戶、客戶端、服務(wù)訂購方）。MEC服務(wù)器通常是由電信運(yùn)營商進(jìn)行部署的、與終端用戶非常接近的小型數(shù)據(jù)中心，通過網(wǎng)關(guān)經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)連接到數(shù)據(jù)中心，并且可以與無線接入點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同合作。移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)器可以使用先進(jìn)的無線通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立可靠的無線鏈路。

MEC的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)得到了深度融合，減少了移動(dòng)業(yè)務(wù)交付時(shí)的端到端時(shí)延，挖掘出無線網(wǎng)絡(luò)的潛在能力，進(jìn)而提升用戶體驗(yàn)。MEC模式將給電信運(yùn)營商在運(yùn)作模式上帶來一系列全新的變革，繼而推進(jìn)電信運(yùn)營商建立新型的產(chǎn)業(yè)鏈和網(wǎng)絡(luò)生態(tài)圈。

移動(dòng)邊緣計(jì)算的出現(xiàn)同時(shí)推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)、5G和運(yùn)營商個(gè)性化業(yè)務(wù)的發(fā)展。

（1）物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展。

未來是萬物互聯(lián)的時(shí)代，國際數(shù)據(jù)公司（IDC）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：預(yù)計(jì)2020年將有500億的智能終端和設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)[3-4]。連接設(shè)備的數(shù)量的快速增長，不僅代表著海量數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，接入網(wǎng)的設(shè)備往往還需要進(jìn)行一定的智能計(jì)算。物聯(lián)網(wǎng)的核心理念是萬物互聯(lián)[5]，是為了讓每個(gè)物體都能夠智能地連接和運(yùn)行。MEC遵循“業(yè)務(wù)應(yīng)用在邊緣，管理在云端”的計(jì)算模式[6]，完成了把計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)能力從云延伸至物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的轉(zhuǎn)變。通過在近網(wǎng)絡(luò)邊緣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，MEC使得物聯(lián)網(wǎng)中物與物之間的傳感、交互和控制變得更加容易。具備計(jì)算和存儲(chǔ)能力的智能終端使得在網(wǎng)絡(luò)邊緣完成數(shù)據(jù)的分析處理成為可能。

（2）5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要MEC的支持。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推動(dòng)了5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7]的誕生，5G技術(shù)要求網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)“大容量、大帶寬、大聯(lián)結(jié)、低延遲、低功耗”。在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，核心網(wǎng)部署在遠(yuǎn)端，導(dǎo)致傳輸時(shí)延比較大，無法滿足低延遲業(yè)務(wù)需求。MEC部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣，融合了無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并在無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加了計(jì)算、存儲(chǔ)等功能模塊。通過把5G應(yīng)用程序和業(yè)務(wù)部署在移動(dòng)邊緣，MEC可以減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的轉(zhuǎn)發(fā)和處理時(shí)間，明顯降低端到端時(shí)延，并且在滿足低延時(shí)要求的情況下，降低了功耗。

（3）MEC助力運(yùn)營商推出個(gè)性化業(yè)務(wù)。

傳統(tǒng)的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)是非智能的。包月套餐大量存在，難以滿足不同用戶的需求差異;資費(fèi)相同的情況下，帶來的結(jié)果是流量使用少的用戶補(bǔ)貼流量使用多的用戶;業(yè)務(wù)缺少優(yōu)先級(jí)的區(qū)分，導(dǎo)致對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)無法獲得優(yōu)先保障。與非智能的網(wǎng)絡(luò)形成對(duì)比的是通信網(wǎng)絡(luò)正在承載著更多基于新型智能終端、基于IP的多媒體應(yīng)用，運(yùn)營商商業(yè)模式和資費(fèi)的單一，讓運(yùn)營商在業(yè)務(wù)和用戶的掌控力上顯得不足。MEC的關(guān)鍵技術(shù)包含了業(yè)務(wù)和用戶的感知能力，因?yàn)檫吘壘W(wǎng)絡(luò)靠近用戶，能夠?qū)崟r(shí)獲取用戶真實(shí)的信息。MEC可以通過大數(shù)據(jù)分析用戶的特征實(shí)現(xiàn)用戶畫像。用戶畫像有利于對(duì)用戶需求和行為進(jìn)行預(yù)測，為不同的用戶定制個(gè)性化業(yè)務(wù)，帶來更好的用戶體驗(yàn)。

2 MEC的架構(gòu)

在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（EISI）制定的“MEC全球標(biāo)準(zhǔn)003版本”（GS MEC 003）中，ETSI定義了移動(dòng)邊緣計(jì)算基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的參考架構(gòu)[8]。根據(jù)ETSI的定義，移動(dòng)邊緣計(jì)算側(cè)重的是在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣給用戶提供IT服務(wù)的環(huán)境和云計(jì)算的能力，意在靠近移動(dòng)用戶來減少網(wǎng)絡(luò)操作和服務(wù)交付的時(shí)延。移動(dòng)邊緣計(jì)算架構(gòu)分為3級(jí)：系統(tǒng)層、主機(jī)層和網(wǎng)絡(luò)層，如圖2所示。ETSI提出的系統(tǒng)架構(gòu)中展示了MEC的功能要素和每個(gè)功能要素之間的參考節(jié)點(diǎn)。