多接入邊緣計(jì)算通信網(wǎng)絡(luò)融合探究

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0引言

通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)如今已成為支撐行業(yè)發(fā)展與信息交互的核心網(wǎng)絡(luò)，為進(jìn)一步滿足產(chǎn)業(yè)需求，提高通信網(wǎng)絡(luò)處理信息的效率，引進(jìn)多接入邊緣計(jì)算算法。多接入邊緣計(jì)算（MobileEdgeComputing,MEC）是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和服務(wù)提供商提供云計(jì)算能力以及網(wǎng)絡(luò)邊緣的IT服務(wù)環(huán)境。多接入邊緣計(jì)算最早由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)公司在2014年，并以此作為一種RAN（無線接入網(wǎng)）接入技術(shù)，為通信網(wǎng)絡(luò)提供IT支撐與云計(jì)算服務(wù)。MEC可以同時(shí)提供無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層服務(wù)能力與本地信息處理能力，在此過程中，結(jié)合RAN提供的相關(guān)輔助信息，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)通信中的高時(shí)效與高容量[1]。目前，隨著5G移動(dòng)通信網(wǎng)逐步實(shí)現(xiàn)全面普及，用戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景與通信服務(wù)需求也越來越高，多元化的網(wǎng)絡(luò)通信場(chǎng)景更是需要大型密集網(wǎng)絡(luò)作為支撐。移動(dòng)通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最為迅速的信息技術(shù)之一，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已被廣泛地應(yīng)用到機(jī)器智能、遠(yuǎn)程通信、終端實(shí)時(shí)傳輸?shù)阮I(lǐng)域，越來越多的機(jī)構(gòu)組織將通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到各種各樣的實(shí)際工作中，但隨著通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)中存在的潛在問題開始凸顯，在此發(fā)展背景下，多接入邊緣計(jì)算的優(yōu)勢(shì)越發(fā)顯著，其不僅滿足網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的接入多樣性性需求，更是為用戶端通信提供優(yōu)化的服務(wù)。因此，本文對(duì)基于多接入邊緣計(jì)算的通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)進(jìn)行研究，致力于通過此種方式，為網(wǎng)絡(luò)終端提供更加優(yōu)化的服務(wù)。

1基于多接入邊緣計(jì)算的通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)設(shè)計(jì)方法

1.1選擇通信網(wǎng)絡(luò)融合邊緣計(jì)算接入模式

為滿足終端用戶的網(wǎng)絡(luò)融合通信需求，引進(jìn)邊緣計(jì)算方式，并可對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中的接入方式進(jìn)行選擇。早期此方面的研究是基于終端虛擬機(jī)與OpenStack系統(tǒng)，在此研究中提出的通信資源，可為通信網(wǎng)絡(luò)融合提供資源豐富的集群邊緣數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)信息在很大程度上受到網(wǎng)絡(luò)通信功能的限制，只適用于移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)，并且數(shù)據(jù)傳輸過程中，在通信虛擬數(shù)據(jù)層對(duì)于通信資源的消耗量較高，無法滿足通信網(wǎng)絡(luò)的性能需求[2]。因此，在選擇MEC的接入模式中，提出一種Picasso網(wǎng)絡(luò)接入方式，使用本地計(jì)算機(jī)為MEC提供鏡像數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行邊緣的映射，使通信網(wǎng)絡(luò)更好地適用于服務(wù)場(chǎng)景中。在此基礎(chǔ)上，需要網(wǎng)絡(luò)通信終端對(duì)SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）基站進(jìn)行重建與改造，使邊緣映射結(jié)果可以通過Picasso網(wǎng)絡(luò)，使用服務(wù)隧道協(xié)議（GTP協(xié)議）進(jìn)行核心網(wǎng)絡(luò)流量的封裝，從而確保接入端從正確的路徑到達(dá)指定目標(biāo)。但此過程中，需要移動(dòng)終端設(shè)備內(nèi)的高性能CPU作為網(wǎng)絡(luò)支撐，而一旦并發(fā)大批量網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)或流量信息，便會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)信息延時(shí)的問題[3]。為避免MEC的接入受到終端設(shè)備的影響，提出基于NEV算法的邊緣平臺(tái)，在此平臺(tái)中，需要將核心網(wǎng)的配置傾向于網(wǎng)絡(luò)GDP服務(wù)器，即將網(wǎng)絡(luò)通信傳輸直接跳過服務(wù)器端工作內(nèi)容，使用GTP程序進(jìn)行邊緣計(jì)算過程的拆解，通過此種方式，便可以有效地避免通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的增加導(dǎo)致接入故障發(fā)生概率提高的問題。綜合上述分析，在進(jìn)行邊緣計(jì)算的有效接入時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到通信網(wǎng)絡(luò)光纖傳輸?shù)臍w一化參數(shù)，即掌握光纖通信在接入過程中的傳輸頻率，將頻率參數(shù)作為參照，進(jìn)行傳輸信息的擬合接入。此過程中，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的歸一化頻率參數(shù)可以通過下述公式計(jì)算。（1）公式（1）中：v表示為光纖通信網(wǎng)絡(luò)的歸一化傳輸頻率參數(shù)；表示為通信網(wǎng)絡(luò)邊緣端接入波長(zhǎng)；0表示為通信網(wǎng)絡(luò)終端接入波長(zhǎng)；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(duì)上述公式的計(jì)算后，選擇與通信網(wǎng)絡(luò)的歸一化傳輸頻率相同的接入頻率，以此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣計(jì)算的接入。

1.2設(shè)計(jì)RAN基站數(shù)據(jù)協(xié)議處理流程

在完成對(duì)邊緣計(jì)算接入模式的選擇后，需要明確GTP協(xié)議是支撐RAN（無線接入網(wǎng)）的關(guān)鍵協(xié)議，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的有效融合，需要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際需求，對(duì)RAN基站數(shù)據(jù)協(xié)議處理流程進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)。在此過程中，應(yīng)先區(qū)分網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)協(xié)議與RAN基站數(shù)據(jù)協(xié)議，與前者不同的是，后者需要在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中增加網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量信息，并根據(jù)信息所具備的特征，以此作為依據(jù)實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)控[4]。從邊緣計(jì)算接入的分布式特點(diǎn)層面分析，可將MEC定義為一個(gè)具有多種服務(wù)功能的單元，每一個(gè)單元均是一個(gè)獨(dú)立的AF（防火墻），AF與網(wǎng)絡(luò)中IP地址具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，在處理協(xié)議的過程中，調(diào)用IP地址對(duì)應(yīng)的應(yīng)用二元組端口號(hào)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶端需求流量的分配。綜合上述分析，在通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)中，RAN基站與核心通信網(wǎng)絡(luò)之間，通過存儲(chǔ)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，因此可將GTP數(shù)據(jù)包作為架構(gòu)應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)包中為其增加IP地址與UPD（均勻概率設(shè)計(jì)）接口，使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡(luò)中具備一定的交換轉(zhuǎn)發(fā)能力[5]，而在傳輸過程中，傳輸網(wǎng)也不需要實(shí)時(shí)掌握應(yīng)用層的信息內(nèi)容，僅需要在數(shù)據(jù)交換過程中，根據(jù)GTP數(shù)據(jù)包IP地址進(jìn)行數(shù)據(jù)交互即可。此時(shí)，終端的移動(dòng)協(xié)議將根據(jù)網(wǎng)關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行P-GW（PDN網(wǎng)關(guān)）信息的解封，而多接入邊緣的網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶數(shù)據(jù)內(nèi)容，進(jìn)行信息的調(diào)制傳輸。上述提出的過程屬于RAN基站數(shù)據(jù)協(xié)議處理的流程，對(duì)此過程的描述如圖1所示。根據(jù)上述圖1中內(nèi)容，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，在完成協(xié)議處理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)后，RAN基站數(shù)據(jù)中的底層數(shù)據(jù)將直接被前端接收處理，與此同時(shí)，相關(guān)協(xié)議也僅針對(duì)MEC業(yè)務(wù)進(jìn)行判別。在此過程中，MEC業(yè)務(wù)協(xié)議可能位于RAN基站，也可能處于核心網(wǎng)位置，當(dāng)協(xié)議處于前者位置時(shí)，協(xié)議可直接從通信前端進(jìn)行數(shù)據(jù)包的識(shí)別，當(dāng)識(shí)別到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包與實(shí)際需求不匹配時(shí)，便直接將其攔截在前端。當(dāng)協(xié)議處于后者位置時(shí)，協(xié)議需要調(diào)用RAN基站中數(shù)據(jù)容器的IP地址[6]。此時(shí)數(shù)據(jù)包不經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，而是通過集成網(wǎng)絡(luò)傳輸，但此過程中，數(shù)據(jù)IP地址在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸可能存在時(shí)延，因此可以認(rèn)為，前者協(xié)議處理后的通信網(wǎng)絡(luò)安全性，高于后者協(xié)議處理后的通信網(wǎng)絡(luò)安全性。

1.3基于DNS解析算法的通信網(wǎng)絡(luò)任務(wù)調(diào)度

為確保通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)在完成設(shè)計(jì)后，具有任務(wù)調(diào)度與大批量數(shù)據(jù)包處理能力，引進(jìn)DNS（域名系統(tǒng)）解析算法，對(duì)任務(wù)調(diào)度過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。在此過程中，應(yīng)當(dāng)明確DNS算法在MEC業(yè)務(wù)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)行為請(qǐng)求是通過不同IP地址實(shí)現(xiàn)的，因此，在調(diào)用此算法的過程中，可將DNS作為一個(gè)默認(rèn)的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)。而在實(shí)際應(yīng)用此算法時(shí)，需要在終端配置或預(yù)設(shè)一個(gè)對(duì)應(yīng)融合通信網(wǎng)絡(luò)的專用域名地址，當(dāng)接收端檢索到專用域名向其發(fā)出的數(shù)據(jù)包的解析請(qǐng)求時(shí)，需要將注冊(cè)的RAN數(shù)據(jù)基站進(jìn)行地址識(shí)別，并同時(shí)在智能終端登記當(dāng)前平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)多接入邊緣計(jì)算的更新。在本文的研究中，使用Dnsmasq作為通信網(wǎng)絡(luò)任務(wù)調(diào)度處理器，并通過配置查詢機(jī)制的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的分配。但Dnsmasq輪訓(xùn)機(jī)制只能將多個(gè)終端服務(wù)器IP映射到一個(gè)相同的主機(jī)域名，無法實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)按照需求，分配到不同域名地址[7]，為了達(dá)到此目的，需要根據(jù)條件，進(jìn)行調(diào)度機(jī)制的任務(wù)設(shè)計(jì)，在此過程中，可設(shè)定一個(gè)任務(wù)調(diào)度機(jī)制，定義一個(gè)URL（統(tǒng)一資源定位系統(tǒng)）解析數(shù)量k，將其與網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)接，并認(rèn)為任務(wù)量k對(duì)應(yīng)的DNS解析數(shù)目為k，此時(shí)可輸出k對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式。公式（2）中：N表示為解析數(shù)目規(guī)模；Dk表示為傳輸信息從前端到通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)k所需要的平均傳輸時(shí)延；Rk表示為傳輸信息從前端到通信網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)k的傳輸效率，計(jì)算單位為bit/s；fk表示為終端操作設(shè)備中CPU的運(yùn)行頻率；k表示為CPU對(duì)應(yīng)的核數(shù)；k表示為終端對(duì)CPU的使用率；i表示為數(shù)據(jù)迭代次數(shù)。在此過程中，調(diào)度通信網(wǎng)絡(luò)任務(wù)時(shí)，需要采用遞歸或迭代的方式，直接從服務(wù)器上獲取域名信息解析結(jié)果，而此過程涉及數(shù)據(jù)的遞歸行為，為避免遞歸行為的實(shí)施浪費(fèi)調(diào)度任務(wù)時(shí)間，需要對(duì)指定的域名進(jìn)行算法配置，確保一次請(qǐng)求便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的查詢。

1.4調(diào)控網(wǎng)絡(luò)融合通信流量

調(diào)控網(wǎng)絡(luò)融合通信流量是融合架構(gòu)的核心功能，此過程是基站數(shù)據(jù)從有線傳輸?shù)綗o線傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)，而為實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)控，需要限定IP進(jìn)行流量融合的分流處理[8]。下述表1描述網(wǎng)絡(luò)融合通信流量的調(diào)控實(shí)例。在完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)融合通信流量的調(diào)控路由的描述后，在有線通信網(wǎng)絡(luò)側(cè)與無線通信網(wǎng)絡(luò)側(cè)，進(jìn)行不同的IP地址處理，并使用核心網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行流量處理，假定在此過程中目標(biāo)IP地址對(duì)應(yīng)的流量滿足融合需求，那么只需要將融合的IP數(shù)據(jù)包交付給內(nèi)核處理器即可，此時(shí)，處理器根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)現(xiàn)有的內(nèi)容，選定對(duì)應(yīng)的IP傳輸路由，并根據(jù)現(xiàn)有路由的封裝的方式，進(jìn)行流量的調(diào)度處理，以此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)融合通信流量的調(diào)控，完成對(duì)基于多接入邊緣計(jì)算的通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)功能的設(shè)計(jì)。

2實(shí)驗(yàn)論證分析

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在完成對(duì)基于多接入邊緣計(jì)算的通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)的理論設(shè)計(jì)后，采用設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)設(shè)計(jì)的架構(gòu)功能與組件合理性進(jìn)行檢驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要對(duì)MEC網(wǎng)元設(shè)備的使用進(jìn)行規(guī)劃與部署，具體內(nèi)容如表2所示。在完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)中MEC網(wǎng)元設(shè)備使用環(huán)境的部署后，選擇兩個(gè)供應(yīng)商與型號(hào)相同的服務(wù)器，作為支撐通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)的核心設(shè)備，其中CPU選擇性能相對(duì)較優(yōu)的阿里云主機(jī)單元，在對(duì)兩臺(tái)設(shè)備進(jìn)行配置時(shí)，為體現(xiàn)本文實(shí)驗(yàn)的有效性，實(shí)驗(yàn)過程中限制每個(gè)容器最多只能夠使用一個(gè)特定的CPU，以此避免后續(xù)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果受到處理時(shí)延不同的影響。同時(shí)，對(duì)于本文實(shí)驗(yàn)中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，本文統(tǒng)一采用5G軟基站作為實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并利用單天線實(shí)現(xiàn)對(duì)各類通信數(shù)據(jù)的傳輸。為保證得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性，選擇將本文提出的基于多接入邊緣計(jì)算的通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)與傳統(tǒng)基于信息大數(shù)據(jù)的融合架構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，并將通信網(wǎng)絡(luò)融合過程中的單請(qǐng)求傳輸量作為實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。分別向上述文中建立的通信網(wǎng)絡(luò)部署三種不同場(chǎng)景，分別為暴力破解8位MD5加密（場(chǎng)景I）、數(shù)據(jù)塊解壓縮（場(chǎng)景II）和圖片加噪聲模糊化（場(chǎng)景III）。在該通信網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，利用兩種融合方式實(shí)現(xiàn)單請(qǐng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備內(nèi)容，完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并將得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成表3所示。從表3得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文融合架構(gòu)下單請(qǐng)求傳輸量均可達(dá)到150Mb以上，而傳統(tǒng)融合架構(gòu)下，單請(qǐng)求傳輸量在五個(gè)不同部署場(chǎng)景當(dāng)中都沒有出現(xiàn)超過150Mb的結(jié)果，并且在場(chǎng)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(wǎng)絡(luò)融合受到嚴(yán)重的阻礙，造成不超過50Mb的單請(qǐng)求傳輸量傳輸。因此，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于多接入邊緣計(jì)算的通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)設(shè)計(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)融合效果的進(jìn)一步提升，以此減少在通信網(wǎng)絡(luò)融合過程中出現(xiàn)不必要的延時(shí)問題，確保通信數(shù)據(jù)的傳輸效率。

3結(jié)語

當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)融合由于受到了基站、核心網(wǎng)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(chǎn)的需要。為有效解決上述問題，本文結(jié)合多接入邊緣計(jì)算的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有通信網(wǎng)路融合架構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新，同時(shí)通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式證明本文融合架構(gòu)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。在后續(xù)的研究中為進(jìn)一步介紹融合過程中用戶請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間，本文還將根據(jù)不同通信業(yè)務(wù)的特性，對(duì)MEC節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理分配，從而進(jìn)一步擴(kuò)大通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)的應(yīng)用范圍。

作者:柏溢 陳云杰 單位:中國(guó)人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)