边缘计算赋能物联网

摘要

移动边缘计算（MEC）是一个大约一年前出现的新概念，它融合了信息技术与电信领域，将对电信市场的开放性产生重大影响。此外，推动云计算取得成功的虚拟化革命也将惠及电信领域，使其能够支持IaaS（基础设施即服务）。MEC解决方案的主要目标是将部分云能力延伸至用户近端，从而降低延迟、增加可用带宽并减轻核心网络的负载。

另一方面，作为未来互联网的物联网（IoT），已从手机使用的普及中受益。许多移动应用已被开发出来，以将万物世界（可穿戴设备、家庭自动化系统、传感器、RFID标签等）连接到互联网。尽管这并非可扩展物联网架构的完整解决方案，但对时间敏感的物联网应用（如电子医疗、实时监控等）将受益于MEC架构。此外，正如本文将要阐述的，物联网可以结合软件定义网络（SDN）编排技术，将这一范式扩展到其他领域（例如车载自组织网络），以应对阻碍物联网实际部署的各种挑战。

关键词 —多接入边缘计算，软件定义网络，物联网，雾计算，云计算，网络功能虚拟化。

一、引言

根据国际电信联盟（ITU）的最新报告[1]，到2015年底，移动蜂窝用户订阅数量将超过70亿，渗透率达到97%，而2000年仅为7.38亿。这反映出手机和平板电脑的使用已超过计算机和笔记本电脑。此外，手机的广泛和普遍使用伴随着移动网络架构（2G/3G/4G/5G）的演进，以及由于社交网络和娱乐应用的“大爆发”，对高带宽服务（如视频点播）的需求呈爆炸式增长。

尽管门户设备的纳米技术组件和存储能力不断进步，但它们仍然缺乏足够的计算能力和电池续航来有效执行任务，这就需要引入云计算 [2]。因此，移动网络核心网中数据的集中化使得该解决方案不仅带宽消耗大，而且引入了高延迟。

因此，近期在移动通信领域提出了将部分计算功能推向网络边缘（MEC）的方案。根据欧洲电信标准协会（ETSI）的定义，MEC在无线接入网（RAN）内为移动用户提供靠近用户的IT和云计算能力。MEC位于基站或无线网络控制器处，可为应用与服务提供对实时无线和网络信息（如用户位置或小区负载）的接入，从而实现上下文相关服务。无线接入网边缘提供的服务环境具有 proximity、超低延迟、高带宽以及对无线网络信息的实时访问和位置感知等特点。“MEC将使运营商能够向授权的第三方开放其无线接入网（RAN）边缘，使其能够灵活且快速地部署创新应用与服务。我们可以期待跨多个领域的大量新应用场景，以及价值链中不同参与者之间加强合作所带来的诸多益处，” 欧洲电信标准协会（ETSI）行业规范组召集人努里特·斯普雷彻表示。

另一方面，互联网最近经历了联网设备数量的激增，为未来互联网增添了一个新的网络维度（“万物”互联）。思科的一项估计表明，到2020[3]将有五百亿件事物连接到互联网。这将导致生成的数据量出乎意料地增长。因此，物联网“大数据”将涉及四个V：Velocity、Variety、Volume和Value [4]。因此，我们将面临在不同速率下产生的多种不同的数据生成模型，从而形成不同体量的数据，这些数据将被存储、分析并由物联网应用所使用。因此，采用先进的数据管理技术将是至关重要的。

思科最近提出了雾计算的概念，旨在使物联网中数十亿联网设备上的应用能够在网络边缘直接运行[5]。数据、计算、存储以及面向终端用户的应用服务由云和雾共同提供。与云不同，雾的特点是靠近终端用户、具有密集的地理分布以及支持移动性，从而实现低延迟、位置感知、改进的服务质量以及异构性支持。雾计算范式非常适合实时大数据分析。它还支持密集分布的数据收集点，并在娱乐、广告、个人计算和其他应用中提供优势。本质上，雾设备可以相互连接，并且每个设备都连接到云 [6]。因此，雾是适用于物联网的边缘计算和微型数据中心（MDC）范式。MEC 是专用于移动网络的雾计算的一个特例 [8]。

然而，管理这种分布式边缘网络、保持连接性并在物联网领域提供服务并非易事。新兴技术（如软件定义网络与网络功能虚拟化（SDNv2））可用于实现对网络环境的灵活管理。采用这些技术可简化分布式边缘的部署与管理，提高网络可扩展性并降低成本。许多雾计算相关任务，如资源分配、虚拟机迁移、流量监控、应用感知控制和可编程接口，都将受益于这些新设施的引入。本文中，我们将尝试融合这三个概念：雾（以多接入边缘计算为特例）、软件定义网络与网络功能虚拟化（SDNv2），以展示如何在移动网络中更有效地利用多接入边缘计算，并如何扩展该解决方案以支持物联网的广泛部署。

本文的其余部分组织如下：在第二部分中，我们对相关工作进行了综述。第三部分讨论了移动网络的演进以及网络功能虚拟化（NFV）、软件定义网络（SDN）和雾计算等新技术的融合。第四部分展示了如何扩展软件定义移动边缘计算（SD‐MEC），该方案是为实现物联网广泛部署而提出的解决方案。最后，第五部分给出结论。

II. 相关工作

2014年9月26日，欧洲电信标准协会（ETSI）成立了一个新的行业规范小组（ISG），以推动多接入边缘计算（MEC）的行业规范制定。诺基亚网络、英特尔、沃达丰、IBM、华为和NTT DOCOMO共同发起了该倡议。因此，由MEC ISG创始成员撰写的白皮书[9]介绍了MEC的概念及其相关市场驱动力，探讨了该技术带来的商业、消费者和技术价值/优势，以及MEC的推动力、需求、挑战和目标。此外，该白皮书还提出了MEC的高层架构蓝图，以及一系列MEC具有重要价值的应用场景。主动设备定位跟踪是一项应用场景，可实现对活跃终端设备的基于实时测量的跟踪，在无全球定位系统（GPS）覆盖时完全不依赖GPS功能。

分布式内容和域名系统（DNS）缓存是另一项应用场景，利用与连接用户的邻近性来提升用户体验，同时减轻蜂窝网络其他部分（如核心网和传输网）的负载。此外，多接入边缘计算（MEC）旨在用于高移动性环境，因此必须对其实施高效管理。

在实际的多接入边缘计算（MEC）部署中，文献[10]提出了一种动态服务迁移方案。为了使问题更易于理解，将一般性问题简化为仅考虑一个关键参数——用户与服务之间距离的马尔可夫距离问题（MDP）。作者表明，基于距离的MDP对于用户在二维空间中移动的场景是一种良好的近似，这一点通过理论分析、数值评估以及使用旧金山出租车真实轨迹数据的仿真得到了验证。尽管该研究假设MEC与基站共址，但所提出的方法并不局限于此类情况，只要成本具有地理依赖性，便可轻松扩展至其他场景。结果表明，该方法为MEC中的服务迁移提供了高效的解决方案，并且所采用的方法可进一步推广至具有类似特性的其他一系列问题。

将云带到边缘是[11]中所做工作的目标。作者提出了一种混合云架构模型，称之为边缘云，该架构旨在以全球覆盖范围提供低延迟、带宽高效且具有弹性的终端用户服务。边缘云旨在通过利用边缘的计算和存储节点，将云扩展到终端用户。通过将边缘网络与数据中心网络互连，该模型能够在边缘节点上实现延迟敏感型计算和易失性存储，同时在数据中心节点上托管繁重的处理任务和数据库组件。这将带来两个关键优势：一是为远离数据中心的用户提供特定的延迟降低，二是通过在边缘进行预处理，减少边缘与核心之间的带宽消耗。最后，应用弹性通过两种方式实现。当边缘资源暂时不可用时，应用的边缘组件可以回退到更可靠的数据中心云；相反，如果边缘组件本身能够提供应用的基本功能，则即使没有数据中心组件，应用仍可继续运行。本文最后在OpenStack云管理平台上实现了这一范式的实例化，利用OpenStack扩展，并对两个边缘应用进行了定量评估：三维室内定位和视频监控。

将这一概念扩展到更通用的使用场景——物联网，Aazam 等人 [7]提出了一种基于雾计算的微型数据中心模型，该模型与智能网关共置，用于物联网的定价和资源估算。使用 CloudSim 进行的实现表明了所提出的模型的有效性。然而，该模型仅关注数据平面，未考虑这些分布式节点需要被管理的事实。因此，在这种情况下应用 SDN 和 NFV 范式将是有益的。

在此背景下，文献[12]提出了一种基于信息中心网络的边缘‐云服务框架，该框架利用了网络功能虚拟化和软件定义网络技术。论文探讨了网络功能虚拟化和软件定义网络为运营商实现敏捷基础设施和资源管理的能力。作者试图弄清MEC（更广泛的雾计算）、物联网、NFV 和 SDN 趋势之间的关系。

对于类似于移动网络的特定环境，即车联网环境，文献[13]中提出了一种支持雾SDN（FSDN）的车联网架构。该架构由以下部分组成：

1. SDN控制器承载全局智能，控制整个基于SDN的车载自组织网络系统的网络行为；它还充当雾编排与资源管理。
2. SDN无线节点例如作为终端用户以及转发元素的车辆，配备车载单元（OBU）并运行OpenFlow，构成数据平面元素。
3. SDN路侧单元运行OpenFlow，并由作为雾设备的SDN控制器进行控制。
4. SDN路侧单元控制器（RSUC）是一种支持OpenFlow的雾设备，受SDN控制器控制；负责转发、存储本地道路系统信息以及执行紧急服务。
5. 蜂窝基站（BS）不仅承载语音通话和传输数据，而且功能更为复杂；它支持OpenFlow，能够提供雾服务。类似于RSUC，BS也具备本地智能，是在SDN控制器控制下的雾设备。

据我们所知，目前尚无文献中的物联网架构研究同时采用SDN范式并扩展MEC概念以实现支持软件定义雾的物联网网关（SDF‐网关）。在本文中，我们将尝试在全局物联网架构中融合这些概念，该架构继承了SDN概念的高管理能力，以及来自雾计算范式的低延迟、异构性抽象、移动性支持等特性。

III. 移动网络演进

A. 云计算集成

在过去十年中，云计算范式已经渗透到IT市场。它是一种模式，能够实现对可配置计算资源（如网络、服务器、存储、应用和服务）共享池的无处不在、便捷和按需网络接入，从而在网络和IT领域显著降低运营支出（OPEX）[14]。因此，大多数手机应用都基于云服务。此外，随着手机演进，移动通信的发展将要求在不同层级进一步开展云计算操作。云范式在移动通信领域最具创新性的应用之一出现在无线接入网层级。因此，云无线接入网（C‐RAN）引入了集中式无线接入网的概念，即将基站划分为基带单元（BBU）和远程射频头组件。由于基带处理与射频处理在物理上的分离，现在可以将这两项操作部署在不同的位置。这将带来多项好处，包括更有效的干扰协调、降低运维复杂性以及简化站点获取。

雾计算是另一个引人注目的概念，在移动网络的发展中必须予以考虑。多接入边缘计算（MEC）作为雾计算的一个子类别，具有一些优势，例如提升移动用户感知的服务质量，并且同样有助于节省互联网和移动网络中的带宽成本和能耗。因此，雾计算被证明是一种可扩展且可持续的解决方案，能够实现基于云的互联网与移动计算的融合[15]。

虚拟化C‐RAN和多接入边缘计算是两项旨在将云范式应用于电信领域的基本行业趋势。它们的实施将推动发展，催生新型服务、应用和移动用户体验。智能服务枢纽将由原有的移动基站演变而来，以满足从网络边缘直接提供高度个性化服务和机器对机器通信的期望，同时在移动网络中实现最佳性能。

B. 软件定义网络与网络功能虚拟化集成

最近，有许多工作致力于将SDN范式应用于移动网络领域（例如软件定义蜂窝 [16], SoftRAN [17], 和 SoftCell [18]）。SDN是一种新的网络趋势，旨在分离控制平面和数据平面。这种分离为管理功能提供了高层级的抽象，并隐藏了网络管理领域中日益增加的复杂性 [19]。如 [9] 白皮书中所示的MEC平台架构所呈现的，需要在不同层级进行管理。因此，应用SDN范式来管理MEC节点将提升这一新概念的有效性。

数据中心和广域网中的网络虚拟化在2014年成为主流趋势。网络功能虚拟化（NFV）的核心任务是将网络功能迁移至虚拟环境，以促进从专有设备原型向标准硬件和基于云的基础设施的转变。关于网络如何适应以支持数据中心中高度虚拟化的计算与存储基础设施的持续讨论，使得网络解决方案供应商能够利用当前形势，根据各自的设想开发出领先的网络可视化解决方案。这一趋势也已延伸至移动网络基础设施行业，该行业已开始从虚拟化技术中创造价值。演进分组核心网功能的虚拟化确实已达到较高水平；然而，无线接入网的虚拟化仍处于初级阶段。

因此，大规模采用和利用MEC、SDN、NFV以及服务虚拟化将使移动网络操作系统（OS）成为可能[20]。

拥有在不同接入点部署的一组分布式多接入边缘计算（MEC）将使基于本地的服务和应用能够在无需访问核心网络的情况下运行。这将减少接入层与核心平面之间的过载和信令交互，使网络更不易发生故障。同时，用户将获得高质量的服务（低延迟和高带宽）。此外，由控制器管理的软件定义的多接入边缘计算（SD‐MEC）将隐藏管理的复杂性，并通过集成软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）的概念，实现新服务的部署。因此，软件定义演进分组核心网（SD‐EPC）不在本文讨论范围之内，其相关内容已在先前的研究中被考虑。

本质上，该架构将使蜂窝运营商能够快速为不同的新服务进行部署，通过SDN集成，推动新的收入流并提升用户使用体验的业务领域。因此，能够感知其运行所处的本地上下文的应用将推动新型服务类别的创建，提供更丰富和个性化的服务。在蜂窝网络边缘进行应用和服务托管，将减少卸载到核心网络的信令体量，同时相较于在核心网内部托管应用和服务，降低蜂窝运营商的运营支出（OPEX）。多接入边缘计算（MEC）将使蜂窝运营商能够根据第三方部署的每个应用或服务在存储、网络带宽、CPU利用率等方面的资源使用情况，基于应用服务器的资源使用来实现收入变现。

IV. 使用SDF网关实现物联网

“物联网”将迎来多接入边缘计算（MEC）能力，有望实现更优的性能和更高效的服务部署。因此，已有许多研究考虑了雾计算对于物联网实际部署的重要性[5, 7, 22]。正如我们之前所提到的，“大数据”管理是阻碍物联网广泛部署的挑战之一。因此，雾计算将带来关于网络管理、流量工程、大数据以及新型服务交付的广泛研究课题。然而，仍存在其他挑战，例如连接设备的异构性、隐私与安全问题，以及这种网络之网络的可扩展性。为了扩展移动网络中SD‐MEC的先前方案，我们提出了一种新的物联网架构以应对上述挑战。该架构[23]主要由四个层次组成，如图2所示：

1. 设备层 ，该层使用多种识别和通信技术（射频识别、产品电子代码、uCode、近场通信、蓝牙低功耗、二维码、3G/LTE、Zigbee、Z‐Wave、无线网络等），实现物与各类接入点（室内和室外）如基站、本地Wi‐Fi接入点等的通信。

2. 网络层 负责接收来自设备层的数据，并连接垂直孤岛网络。因此，该层最重要的组件是SDF网关。这些网关必须确保不同通信协议之间以及异构网络孤岛之间的互操作性。路由访问控制（防火墙）、数据包的封装/解封装、地址转换（NAT）、实现数据存储（雾计算）、提供流量优先级（QoS）以及数据包转发是这些网关的主要功能。这些网关的南向接口将针对每种网络类型高度特定化，使网关能够与属于不同技术的设备进行通信。本质上，当前的物联网网关存在如[24]中所述的问题；目前，必须为部署的每种类型的物联网设备单独提供物理路由器或智能手机应用程序，以实现网关服务。因此，我们认为SDF网关将为当今大多数网关问题提供良好的解决方案。目前，OpenFlow的功能限制以及主要支持以太网连接的OpenFlow交换机促使人们提出构想：开发更复杂的网关，其核心为具备高级功能和选项的软件定义网络交换机，并通过SDN控制器使用特定的管理协议（NetConf）和扩展OpenFlow协议（例如，为数据包的封装/解封装添加新操作）。因此，将部署多个实现对象和来自不同应用领域的应用智能的网关。随着设备和网关的大量增加，必然需要从网络与IT基础设施对这些网关进行管理和控制。因此，SDN‐OF为此问题提供了一种简单且可扩展的解决方案。许多方案已被提出并部署在物联网网关上，以实现数据和通信协议互操作性；其中，oneM2M目前似乎是较为成熟的一个，如[25]中的比较所示。因此，在网关层面集成此类协议，能够处理连接到这些网关的不同设备之间的连通性，以及不同物联网应用垂直孤岛之间的横向互联。

3. 控制层 是网络编排和大部分计算完成的地方。该层的主要功能包括收集拓扑数据、通过运行一些路由算法计算转发规则、实施调度算法以及定义安全规则。本质上，与网关的连接通过南向接口实现；需要扩展OpenFlow，而SDF网关的配置可以通过特定的管理协议（例如NetConf和Yang、OF‐Config）完成。应用层通过北向接口（例如REST）与此控制器通信。然而，控制集中化可能会带来可扩展性限制。因此，我们必须实施一种分布式方案（东西向接口）来应对这一问题；因此，Onix [26], ONOS [27],和 OpenDaylight [28]是代表分布式方案能力的控制器示例。此外，添加了虚拟化层（例如FlowVisor、OpenVirtex等），以确保提供细粒度流服务。如文献和前一节所述，将NFV与SDN结合为基础设施运营商提供了机遇。此外，第三方可以访问基础设施服务，并在此基础上构建自己的解决方案。这些基础设施服务确实可以向众多第三方参与者开放，例如应用开发者、服务提供商，甚至是物联网虚拟运营商。本质上，这种架构中的控制集中化将对安全增强产生影响。

4. 应用层 是软件化展现其优势的地方。可在此处实现并动态添加多个依赖于控制层所提供信息的功能。拥有集中控制的另一个优势是能够在不同的SDF‐网关上部署相同的应用。该架构使得应用可以在不同设备上运行，从而受益于共享的数据语义。例如，我们将能够在特定的本地网关域中使用手机找回我们的汽车，而无需接入云来获取位置数据。这类及其他创新应用将受益于在网络边缘以最优方式管理的数据层。

五、结论

信息技术和电信领域在过去几年中经历了真正的概念性变革。云、网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN）是这些变革的基础。最近提出的MEC概念旨在将雾计算（边缘处的云）应用于移动网络领域。此外，由于电信运营商将受益于NFV以及更广泛的SDN与NFV结合（SDNv2），MEC将对其部署新服务的方式产生真正影响。无论如何，与移动网络高度相关的物联网（IoT）将从MEC核心概念向其他领域的扩展（如车载自组织网络VANET、无线传感器网络WSN等）中获益。在本文中，我们试图阐明这些新趋势，并提出了对未来互联网的愿景。这项工作并非全面性的；还需要更多具体且深入的技术实现，以确保所提出方案的有效性。