多接入邊緣計算通信網絡融合探究
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0引言
通信網絡現如今已成為支撐行業發展與信息交互的核心網絡，為進一步滿足產業需求，提高通信網絡處理信息的效率，引進多接入邊緣計算算法。多接入邊緣計算（MobileEdgeComputing,MEC）是一種網絡架構，為網絡運營商和服務提供商提供云計算能力以及網絡邊緣的IT服務環境。多接入邊緣計算最早由歐洲電信標準公司在2014年，并以此作為一種RAN（無線接入網）接入技術，為通信網絡提供IT支撐與云計算服務。MEC可以同時提供無線網絡應用層服務能力與本地信息處理能力，在此過程中，結合RAN提供的相關輔助信息，可實現數據在網絡通信中的高時效與高容量[1]。目前，隨著5G移動通信網逐步實現全面普及，用戶對于網絡的業務場景與通信服務需求也越來越高，多元化的網絡通信場景更是需要大型密集網絡作為支撐。移動通信技術是當前發展最為迅速的信息技術之一，移動網絡已被廣泛地應用到機器智能、遠程通信、終端實時傳輸等領域，越來越多的機構組織將通信網絡應用到各種各樣的實際工作中，但隨著通信網絡運用領域的不斷擴大，通信網絡融合架構中存在的潛在問題開始凸顯，在此發展背景下，多接入邊緣計算的優勢越發顯著，其不僅滿足網絡結構的接入多樣性性需求，更是為用戶端通信提供優化的服務。因此，本文對基于多接入邊緣計算的通信網絡融合架構進行研究，致力于通過此種方式，為網絡終端提供更加優化的服務。
1基于多接入邊緣計算的通信網絡融合架構設計方法
1.1選擇通信網絡融合邊緣計算接入模式
為滿足終端用戶的網絡融合通信需求，引進邊緣計算方式，并可對通信網絡中的接入方式進行選擇。早期此方面的研究是基于終端虛擬機與OpenStack系統，在此研究中提出的通信資源，可為通信網絡融合提供資源豐富的集群邊緣數據，但這些數據信息在很大程度上受到網絡通信功能的限制，只適用于移動無線網絡，并且數據傳輸過程中，在通信虛擬數據層對于通信資源的消耗量較高，無法滿足通信網絡的性能需求[2]。因此，在選擇MEC的接入模式中，提出一種Picasso網絡接入方式，使用本地計算機為MEC提供鏡像數據庫，進行邊緣的映射，使通信網絡更好地適用于服務場景中。在此基礎上，需要網絡通信終端對SDN（軟件定義網絡）基站進行重建與改造，使邊緣映射結果可以通過Picasso網絡，使用服務隧道協議（GTP協議）進行核心網絡流量的封裝，從而確保接入端從正確的路徑到達指定目標。但此過程中，需要移動終端設備內的高性能CPU作為網絡支撐，而一旦并發大批量網絡數據或流量信息，便會出現轉發信息延時的問題[3]。為避免MEC的接入受到終端設備的影響，提出基于NEV算法的邊緣平臺，在此平臺中，需要將核心網的配置傾向于網絡GDP服務器，即將網絡通信傳輸直接跳過服務器端工作內容，使用GTP程序進行邊緣計算過程的拆解，通過此種方式，便可以有效地避免通信網絡中數據包的增加導致接入故障發生概率提高的問題。綜合上述分析，在進行邊緣計算的有效接入時，應當考慮到通信網絡光纖傳輸的歸一化參數，即掌握光纖通信在接入過程中的傳輸頻率，將頻率參數作為參照，進行傳輸信息的擬合接入。此過程中，光纖通信網絡的歸一化頻率參數可以通過下述公式計算。（1）公式（1）中：v表示為光纖通信網絡的歸一化傳輸頻率參數；表示為通信網絡邊緣端接入波長；0表示為通信網絡終端接入波長；n1表示為光纖通信折射率；n2表示為光纖包層折射率。在完成對上述公式的計算后，選擇與通信網絡的歸一化傳輸頻率相同的接入頻率，以此種方式實現對邊緣計算的接入。
1.2設計RAN基站數據協議處理流程
在完成對邊緣計算接入模式的選擇后，需要明確GTP協議是支撐RAN（無線接入網）的關鍵協議，因此，要實現對通信網絡的有效融合，需要結合網絡的實際需求，對RAN基站數據協議處理流程進行規范化設計。在此過程中，應先區分網絡業務協議與RAN基站數據協議，與前者不同的是，后者需要在傳輸的數據流中增加網絡數據流量信息，并根據信息所具備的特征，以此作為依據實現流量的調控[4]。從邊緣計算接入的分布式特點層面分析，可將MEC定義為一個具有多種服務功能的單元，每一個單元均是一個獨立的AF（防火墻），AF與網絡中IP地址具有一一對應的關系。因此，在處理協議的過程中，調用IP地址對應的應用二元組端口號，便可以實現對用戶端需求流量的分配。綜合上述分析，在通信網絡融合架構中，RAN基站與核心通信網絡之間，通過存儲協議對數據進行封裝，因此可將GTP數據包作為架構應用層中的數據，在數據包中為其增加IP地址與UPD（均勻概率設計）接口，使傳輸的數據信息在網絡中具備一定的交換轉發能力[5]，而在傳輸過程中，傳輸網也不需要實時掌握應用層的信息內容，僅需要在數據交換過程中，根據GTP數據包IP地址進行數據交互即可。此時，終端的移動協議將根據網關內容，進行P-GW（PDN網關）信息的解封，而多接入邊緣的網絡需要根據用戶數據內容，進行信息的調制傳輸。上述提出的過程屬于RAN基站數據協議處理的流程，對此過程的描述如圖1所示。根據上述圖1中內容，可以實現對通信網絡中傳輸數據的轉發，在完成協議處理與數據轉發后，RAN基站數據中的底層數據將直接被前端接收處理，與此同時，相關協議也僅針對MEC業務進行判別。在此過程中，MEC業務協議可能位于RAN基站，也可能處于核心網位置，當協議處于前者位置時，協議可直接從通信前端進行數據包的識別，當識別到傳輸的數據包與實際需求不匹配時，便直接將其攔截在前端。當協議處于后者位置時，協議需要調用RAN基站中數據容器的IP地址[6]。此時數據包不經過通信網絡傳輸，而是通過集成網絡傳輸，但此過程中，數據IP地址在網絡中的傳輸可能存在時延，因此可以認為，前者協議處理后的通信網絡安全性，高于后者協議處理后的通信網絡安全性。
1.3基于DNS解析算法的通信網絡任務調度
為確保通信網絡融合架構在完成設計后，具有任務調度與大批量數據包處理能力，引進DNS（域名系統）解析算法，對任務調度過程進行設計。在此過程中，應當明確DNS算法在MEC業務中，進行數據行為請求是通過不同IP地址實現的，因此，在調用此算法的過程中，可將DNS作為一個默認的網關結構。而在實際應用此算法時，需要在終端配置或預設一個對應融合通信網絡的專用域名地址，當接收端檢索到專用域名向其發出的數據包的解析請求時，需要將注冊的RAN數據基站進行地址識別，并同時在智能終端登記當前平臺運行狀態，通過此種方式，實現對多接入邊緣計算的更新。在本文的研究中，使用Dnsmasq作為通信網絡任務調度處理器，并通過配置查詢機制的方式，實現對任務的分配。但Dnsmasq輪訓機制只能將多個終端服務器IP映射到一個相同的主機域名，無法實現將數據按照需求，分配到不同域名地址[7]，為了達到此目的，需要根據條件，進行調度機制的任務設計，在此過程中，可設定一個任務調度機制，定義一個URL（統一資源定位系統）解析數量k，將其與網絡信息服務節點進行對接，并認為任務量k對應的DNS解析數目為k，此時可輸出k對應的計算公式。公式（2）中：N表示為解析數目規模；Dk表示為傳輸信息從前端到通信網絡中節點k所需要的平均傳輸時延；Rk表示為傳輸信息從前端到通信網絡中節點k的傳輸效率，計算單位為bit/s；fk表示為終端操作設備中CPU的運行頻率；k表示為CPU對應的核數；k表示為終端對CPU的使用率；i表示為數據迭代次數。在此過程中，調度通信網絡任務時，需要采用遞歸或迭代的方式，直接從服務器上獲取域名信息解析結果，而此過程涉及數據的遞歸行為，為避免遞歸行為的實施浪費調度任務時間，需要對指定的域名進行算法配置，確保一次請求便可以實現對任務的查詢。
1.4調控網絡融合通信流量
調控網絡融合通信流量是融合架構的核心功能，此過程是基站數據從有線傳輸到無線傳輸的起點，而為實現流量的調控，需要限定IP進行流量融合的分流處理[8]。下述表1描述網絡融合通信流量的調控實例。在完成對網絡融合通信流量的調控路由的描述后，在有線通信網絡側與無線通信網絡側，進行不同的IP地址處理，并使用核心網協議進行流量處理，假定在此過程中目標IP地址對應的流量滿足融合需求，那么只需要將融合的IP數據包交付給內核處理器即可，此時，處理器根據數據庫內現有的內容，選定對應的IP傳輸路由，并根據現有路由的封裝的方式，進行流量的調度處理，以此種方式，實現對網絡融合通信流量的調控，完成對基于多接入邊緣計算的通信網絡融合架構功能的設計。
2實驗論證分析
2.1實驗準備
在完成對基于多接入邊緣計算的通信網絡融合架構的理論設計后，采用設計對比實驗的方式，對設計的架構功能與組件合理性進行檢驗。在實驗過程中，需要對MEC網元設備的使用進行規劃與部署，具體內容如表2所示。在完成對比實驗中MEC網元設備使用環境的部署后，選擇兩個供應商與型號相同的服務器，作為支撐通信網絡融合架構的核心設備，其中CPU選擇性能相對較優的阿里云主機單元，在對兩臺設備進行配置時，為體現本文實驗的有效性，實驗過程中限制每個容器最多只能夠使用一個特定的CPU，以此避免后續得出的實驗結果受到處理時延不同的影響。同時，對于本文實驗中的網絡環境，本文統一采用5G軟基站作為實驗網絡環境，并利用單天線實現對各類通信數據的傳輸。為保證得出的實驗結果具有可比性，選擇將本文提出的基于多接入邊緣計算的通信網絡融合架構與傳統基于信息大數據的融合架構進行對比，并將通信網絡融合過程中的單請求傳輸量作為實驗評價指標。分別向上述文中建立的通信網絡部署三種不同場景，分別為暴力破解8位MD5加密（場景I）、數據塊解壓縮（場景II）和圖片加噪聲模糊化（場景III）。在該通信網絡當中，利用兩種融合方式實現單請求傳輸，在這一過程中，傳輸量越大，則說明融合效果越好，反之傳輸量越小，則說明融合效果越差。
2.2實驗結果分析
結合上述實驗準備內容，完成對比實驗，并將得出的實驗結果繪制成表3所示。從表3得出的實驗結果可以看出，本文融合架構下單請求傳輸量均可達到150Mb以上，而傳統融合架構下，單請求傳輸量在五個不同部署場景當中都沒有出現超過150Mb的結果，并且在場景I-2中，由于受到非法用戶暴力破解密碼的影響，使得通信網絡融合受到嚴重的阻礙，造成不超過50Mb的單請求傳輸量傳輸。因此，通過對比實驗證明，本文提出的基于多接入邊緣計算的通信網絡融合架構設計方法能夠實現對通信網絡融合效果的進一步提升，以此減少在通信網絡融合過程中出現不必要的延時問題，確保通信數據的傳輸效率。
3結語
當前通信網絡融合由于受到了基站、核心網物理資源等條件的制約，使得其融合效果無法滿足用戶日常工作和生產的需要。為有效解決上述問題，本文結合多接入邊緣計算的方式，實現對現有通信網路融合架構的優化和創新，同時通過對比實驗的方式證明本文融合架構設計方案的應用優勢。在后續的研究中為進一步介紹融合過程中用戶請求的響應時間，本文還將根據不同通信業務的特性，對MEC節點進行合理分配，從而進一步擴大通信網絡融合架構的應用范圍。
作者:柏溢 陳云杰 單位:中國人民解放軍戰略支援部隊信息工程大學