工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算 課件 任務(wù)2.4 MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備的硬件部署

——工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算——模塊2部署MEC服務(wù)器和端側(cè)感知設(shè)備目錄CONTENTSMEC服務(wù)器和端側(cè)感知設(shè)備選型任務(wù)2.1工業(yè)智慧園區(qū)規(guī)劃任務(wù)2.2邊緣計(jì)算設(shè)備的硬件選型任務(wù)2.3MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備的硬件部署任務(wù)2.4邊緣計(jì)算設(shè)備的軟件部署任務(wù)2.5端側(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理任務(wù)2.6MEC服務(wù)器上的模型部署和推理任務(wù)2.7任務(wù)2.4MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備的硬件部署導(dǎo)入MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備具有部署靈活、低時(shí)延、高帶寬的優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備的硬件連接與部署。2.4.1MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析按其實(shí)現(xiàn)功能，MEC基本架構(gòu)可分為基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬化層、MEC管理層、MEC應(yīng)用層。MEC網(wǎng)絡(luò)的部署模式較為多樣化，通常情況下都會(huì)與5G網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，這樣既能幫助運(yùn)營(yíng)商來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的形態(tài)構(gòu)建，還可以幫助本地的電信業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的最大化提高。導(dǎo)入2.4.1MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析MEC具有靈活業(yè)務(wù)部署、本地化網(wǎng)絡(luò)處理、低時(shí)延、高帶寬的優(yōu)勢(shì)。按照MEC網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)，如圖所示。1.MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析基礎(chǔ)設(shè)施層：主要基于通用服務(wù)器，為MEC提供存儲(chǔ)、計(jì)算、渲染等硬件底座。虛擬化層：基于基礎(chǔ)設(shè)施層，采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的方式為MEC業(yè)務(wù)平臺(tái)提供規(guī)劃應(yīng)用程序、服務(wù)、DNS服務(wù)器、3GPP網(wǎng)絡(luò)和本地網(wǎng)絡(luò)之間的通信路徑。MEC管理層：提供全局業(yè)務(wù)編排、策略管理、基礎(chǔ)服務(wù)注冊(cè)與流量控制、生命周期管理等功能。MEC應(yīng)用層：視頻直播平臺(tái)、智慧工業(yè)、5G教育、AR/VR應(yīng)用等第三方APP。2.4.1MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析隨著5G高速率、低時(shí)延的新業(yè)務(wù)涌現(xiàn)，MEC商用需求逐漸明確?！霸?邊-端”的全業(yè)務(wù)鏈閉環(huán)，得到了運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)可。運(yùn)營(yíng)商結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建邊緣、區(qū)域、中心三層架構(gòu)的MEC部署策略被快速推廣。其特征是：（1）基于地理構(gòu)建邊緣、區(qū)域、中心三層架構(gòu)，各層MEC滿足不同業(yè)務(wù)需求，按功能滿足按時(shí)延、速率等進(jìn)行業(yè)務(wù)分流。（2）依托平臺(tái)智能管理能力，對(duì)外開(kāi)放平臺(tái)功能，打造垂直行業(yè)產(chǎn)品，形成邊緣云生態(tài)。（3）利用平臺(tái)AI能力，打造智慧安防、視覺(jué)智能檢測(cè)、自動(dòng)駕駛等產(chǎn)品。（4）利用視頻編解碼能力，應(yīng)用于直播加速、AR、VR、云游戲等。（5）利用IoT設(shè)備管理能力，應(yīng)用于各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。（6）利用平臺(tái)的渲染能力，應(yīng)用于AR、VR、全息投影等應(yīng)用。2.MEC網(wǎng)絡(luò)部署策略2.4.1MEC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析運(yùn)營(yíng)商針對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)于邊緣計(jì)算的需求，提出MEC五大產(chǎn)品及資費(fèi)體系：分流網(wǎng)關(guān)、MEC云資源、平臺(tái)PaaS層能力（邊緣云服務(wù)）、定制邊緣云及云咨詢、規(guī)劃、集成實(shí)施服務(wù)，如圖所示。3.產(chǎn)品及資費(fèi)體系分流網(wǎng)關(guān)：分為本地級(jí)分流網(wǎng)關(guān)、邊緣級(jí)分流網(wǎng)關(guān)，本地級(jí)分流網(wǎng)關(guān)按帶寬付費(fèi)，邊緣級(jí)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為本地級(jí)的1.5~2倍。MEC云資源：分為本地級(jí)MEC、邊緣級(jí)MEC，本地級(jí)MEC按照云資源使用量進(jìn)行收費(fèi)，邊緣級(jí)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為本地級(jí)的1.5~2倍。平臺(tái)PaaS層能力（邊緣云服務(wù)）：分為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力、應(yīng)用服務(wù)能力，按照平臺(tái)能力調(diào)用次數(shù)，根據(jù)服務(wù)等級(jí)進(jìn)行收費(fèi)。定制邊緣云：分MEC端到端整體解決方案、MEC行業(yè)云產(chǎn)品，整體打包，參考ICT模式進(jìn)行收費(fèi)。云咨詢、規(guī)劃、集成實(shí)施服務(wù)：按照項(xiàng)目總投資/合同比例收取服務(wù)費(fèi)。2.4.2MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備連接在實(shí)際應(yīng)用中，有大量的端側(cè)設(shè)備需要接入MEC系統(tǒng)，如何在龐大的計(jì)算卸載中保障MEC服務(wù)器能夠穩(wěn)定地對(duì)外提供服務(wù)，成為MEC服務(wù)器與端側(cè)設(shè)備連接時(shí)需要考慮的核心問(wèn)題。下面針對(duì)多個(gè)端側(cè)設(shè)備接入MEC服務(wù)器時(shí)遇到的問(wèn)題及解決思路來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。導(dǎo)入2.4.2MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備連接大量端側(cè)設(shè)備的接入帶來(lái)了大量的數(shù)據(jù)吞吐量和計(jì)算量，面對(duì)海量的數(shù)據(jù)，MEC服務(wù)器從保障高效穩(wěn)定的運(yùn)行和降低功耗等方面從硬件到軟件提供了一系列的解決優(yōu)化方案。1.多端側(cè)設(shè)備接入如何保障MEC服務(wù)器的穩(wěn)定服務(wù)。（1）使用網(wǎng)絡(luò)上的流量調(diào)度。在多個(gè)端側(cè)設(shè)備同時(shí)連接進(jìn)MEC系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)優(yōu)化算法合理的選擇AP（accesspoint，接入點(diǎn)），以獲得最大增益，保障MEC穩(wěn)定高效對(duì)外提供服務(wù)。（2）在MEC服務(wù)器中提供緩存（cache）機(jī)制。在中心節(jié)點(diǎn)的MEC服務(wù)器上包含了接入端側(cè)設(shè)備的全部信息，包含了CSI（ChannelStateInformation，信道狀態(tài)信息）和計(jì)算卸載的各種請(qǐng)求。這些信息有些可以被復(fù)用，則保存在本地，如果一些一次性的計(jì)算任務(wù)，則不需要存儲(chǔ)。（3）優(yōu)化調(diào)度策略，減少M(fèi)EC服務(wù)器功耗，提供持續(xù)穩(wěn)定輸出。在多個(gè)端側(cè)設(shè)備同時(shí)對(duì)MEC服務(wù)器發(fā)包的情況下，MEC服務(wù)器需要對(duì)多終端的通信和計(jì)算卸載的數(shù)據(jù)包先存在緩沖器（buffer）中，這樣MEC服務(wù)器便可以按接收包的順序進(jìn)行處理。如果MEC服務(wù)器在一段時(shí)間工作量很大，而另一部分時(shí)間則資源利用率很低，那么則需要優(yōu)化調(diào)度策略。出于對(duì)MEC服務(wù)器的能耗考慮，可以設(shè)計(jì)一些調(diào)度策略使得多終端的數(shù)據(jù)包可以連續(xù)并穩(wěn)定地發(fā)送到MEC服務(wù)中。1.多端側(cè)設(shè)備接入MEC功能服務(wù)保障2.4.2MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備連接2.在多端側(cè)設(shè)備接入的情況下，MEC服務(wù)器可以提供服務(wù)的方式。（1）根據(jù)MEC服務(wù)器的負(fù)載進(jìn)行調(diào)度。（2）根據(jù)不同用戶預(yù)先進(jìn)行MEC服務(wù)器的資源劃分（比如一個(gè)用戶對(duì)應(yīng)MEC服務(wù)器的一個(gè)虛擬機(jī)）。（3）根據(jù)就近原則為端側(cè)設(shè)備提供服務(wù)。3.從應(yīng)用的角度考慮則可以通過(guò)提供不同的計(jì)算卸載方式減輕MEC服務(wù)器負(fù)荷。（1）為了保證多終端情況下，MEC服務(wù)器處理不過(guò)來(lái)的情況，對(duì)一些延遲不敏感但是計(jì)算量較大的計(jì)算量放在云中心服務(wù)器上處理。（2）在資源量有限的情況下，MEC調(diào)度算法需要配合應(yīng)用來(lái)定義哪些計(jì)算量是對(duì)延遲比較敏感（latency-sensitive），需要優(yōu)先處理。在多端側(cè)設(shè)備場(chǎng)景下，有時(shí)候MEC服務(wù)器之間需要合作共同處理計(jì)算量，這樣也可以減少單條鏈路的網(wǎng)絡(luò)擁堵情況，需要考慮的是該計(jì)算量的對(duì)延遲要求程度、目標(biāo)MEC服務(wù)器的負(fù)載程度、隨時(shí)間變化的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)情況，以及周?chē)鶰EC服務(wù)器的計(jì)算能力。1.多端側(cè)設(shè)備接入MEC功能服務(wù)保障2.4.2MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備連接MEC服務(wù)器的緩存分為ServiceCashing（服務(wù)兌現(xiàn)）緩存和DataCashing（數(shù)據(jù)兌現(xiàn)）緩存兩種。如圖所示。2.MEC服務(wù)器緩存（Cache）處理多端接入方式1.ServiceCashing是指根據(jù)位置，和附近的用戶的相同的喜好緩存類似的應(yīng)用和數(shù)據(jù)。舉個(gè)例子，在博物館可能都是VR的應(yīng)用，那么就根據(jù)VR的應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)MEC服務(wù)的策略；另外可以根據(jù)時(shí)間來(lái)制定緩存的策略，比如晚飯時(shí)間后，大家比較喜好玩游戲，那么MEC服務(wù)需要先緩存一些游戲的服務(wù)和數(shù)據(jù)。2.DataCashing是指很多現(xiàn)在的應(yīng)用都是需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的，拿VR來(lái)說(shuō)，需要實(shí)現(xiàn)存放這個(gè)環(huán)境（比如叢林、沙漠）的圖片、聲音、音樂(lè)，然后用戶在這個(gè)環(huán)境中的動(dòng)作傳到MEC服務(wù)器，然后進(jìn)行處理后返回。那么這個(gè)MEC服務(wù)存放的某個(gè)環(huán)境的數(shù)據(jù)會(huì)變得很大。而且不同的用戶玩同一款VR游戲的時(shí)候，這些數(shù)據(jù)可以復(fù)用。而對(duì)于在線游戲來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)的計(jì)算結(jié)果對(duì)其他用戶沒(méi)有復(fù)用價(jià)值，那么就不用保存。2.4.2MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備連接不同應(yīng)用對(duì)資源要求不一樣，AI、VR的應(yīng)用對(duì)CPU和存儲(chǔ)的要求比較高，MATLAB的應(yīng)用對(duì)內(nèi)存的要求比較高。緩存（Cache）的工作流程如圖所示，一些常用的數(shù)據(jù)，可以分為兩級(jí)緩存（Cache），比如數(shù)據(jù)庫(kù)可以在中心服務(wù)器上存放全部的信息做緩存（Cache），而在邊緣的服務(wù)器上做一部分的數(shù)據(jù)的緩存（Cache）。2.MEC服務(wù)器緩存（Cache）處理多端接入方式2.4.2MEC服務(wù)器及端側(cè)設(shè)備連接由于各種異構(gòu)的端側(cè)設(shè)備接入MEC系統(tǒng)，使得原來(lái)的安全機(jī)制無(wú)法滿足整個(gè)MEC系統(tǒng)的安全需求。接入安全問(wèn)題主要分為以下三種：1.終端認(rèn)證組件：不同的終端設(shè)備連入，有不同的認(rèn)證組件，需要適配該終端。2.網(wǎng)絡(luò)安全：WIFI、LTE、5G有自己各自的安全協(xié)議來(lái)保障網(wǎng)絡(luò)安全，這樣不可避免地會(huì)在MEC系統(tǒng)中劃分出多個(gè)網(wǎng)絡(luò)域。那么需要設(shè)計(jì)一個(gè)安全協(xié)議使得跨網(wǎng)絡(luò)域的網(wǎng)絡(luò)安全得以保障。3.敏感信息計(jì)算：個(gè)人信息和交易賬單等，在發(fā)送這些計(jì)算量的時(shí)候，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。并且需要審核該MECserver是否可信任。根據(jù)上述風(fēng)險(xiǎn)分析可知，MEC服務(wù)器與多端側(cè)設(shè)備連接面臨著安全風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)行的做法是通過(guò)規(guī)范基礎(chǔ)設(shè)施以及應(yīng)用系統(tǒng)的配置，加強(qiáng)安全隔離和訪問(wèn)控制，提升MEC節(jié)點(diǎn)自身安全防護(hù)能力，加強(qiáng)對(duì)MEC應(yīng)用的安全控制解決。3.多端側(cè)設(shè)備連接MEC服務(wù)器的安全問(wèn)題2.4.3MEC服務(wù)器部署場(chǎng)景MEC服務(wù)器部署問(wèn)題研究如何在目標(biāo)的服務(wù)區(qū)域內(nèi)部署邊緣服務(wù)器硬件設(shè)備，是邊緣系統(tǒng)實(shí)際落地的一個(gè)基礎(chǔ)問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題的研究對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等性能指標(biāo)的優(yōu)化意義重大。不合理的邊緣服務(wù)器部署位置選擇會(huì)導(dǎo)致服務(wù)器無(wú)法覆蓋到所有移動(dòng)設(shè)備、區(qū)域間服務(wù)器負(fù)載不均衡等問(wèn)題。同時(shí)，部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和部署環(huán)境的復(fù)雜多變，使得邊緣服務(wù)器部署問(wèn)題極具挑戰(zhàn)性。導(dǎo)入2.4.3MEC服務(wù)器部署場(chǎng)景如圖所示，首先對(duì)邊緣服務(wù)器的部署場(chǎng)景展開(kāi)介紹，分別從靜態(tài)部署場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)部署場(chǎng)景兩個(gè)角度出發(fā)。接著，根據(jù)兩類場(chǎng)景，介紹在各自場(chǎng)景下邊緣服務(wù)器的部署問(wèn)題，具體從性能指標(biāo)、限制條件和部署算法三個(gè)方面展開(kāi)。1.邊緣服務(wù)器的部署場(chǎng)景介紹邊緣計(jì)算服務(wù)器部署的硬件設(shè)施，需要考慮具體部署環(huán)境的要求。其目的是將邊緣硬件資源部署在目標(biāo)區(qū)域當(dāng)中，為區(qū)域中的移動(dòng)用戶和設(shè)備提供邊緣計(jì)算服務(wù)。而根據(jù)部署服務(wù)器是否具備移動(dòng)性，可以將邊緣系統(tǒng)部署場(chǎng)景分為靜態(tài)部署和動(dòng)態(tài)部署兩類。2.4.3MEC服務(wù)器部署場(chǎng)景1．靜態(tài)部署指的是服務(wù)器位置確定后續(xù)無(wú)法再改變部署場(chǎng)景。出于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及商業(yè)用途，存在多種邊緣服務(wù)器的靜態(tài)部署場(chǎng)景，如圖所示。1.邊緣服務(wù)器的部署場(chǎng)景介紹靜態(tài)部署場(chǎng)景可根據(jù)具體環(huán)境的差異，細(xì)分為室內(nèi)和室外兩類場(chǎng)景。室內(nèi)場(chǎng)景中，邊緣計(jì)算服務(wù)器可以直接部署在無(wú)線接入網(wǎng)或其周邊（如家用Wi-Fi路由器），目的是便于和無(wú)線接入網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，在關(guān)鍵位置提供靈活的服務(wù)。室外場(chǎng)景中，邊緣計(jì)算服務(wù)器的部署位置根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同而有所差異。在5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)器既可以部署在上行鏈路網(wǎng)關(guān)，也可部署在更靠近用戶端的小型基站，同時(shí)也可將邊緣服務(wù)器部署在基帶單元（BaseBandUnit，BBU）池的聚集點(diǎn)。2.4.3MEC服務(wù)器部署場(chǎng)景2．動(dòng)態(tài)部署是將部分服務(wù)器裝載到移動(dòng)小車(chē)、無(wú)人機(jī)或移動(dòng)機(jī)器人上，使其獲得移動(dòng)能力，服務(wù)器可以通過(guò)移動(dòng)設(shè)備的請(qǐng)求動(dòng)態(tài)調(diào)整其部署位置。動(dòng)態(tài)部署的出現(xiàn)解決了靜態(tài)部署場(chǎng)景固有的如下問(wèn)題。（1）部署決策一旦執(zhí)行便無(wú)法更改，不能很好地應(yīng)對(duì)用戶任務(wù)請(qǐng)求量隨時(shí)空變化的情況。（2）部署決策僅根據(jù)當(dāng)前場(chǎng)景的節(jié)點(diǎn)規(guī)模確定部署方案，不利于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擴(kuò)展。（3）靜態(tài)部署服務(wù)器負(fù)載無(wú)法支撐任務(wù)請(qǐng)求量急劇增長(zhǎng)的突發(fā)性事件。（4）服務(wù)器覆蓋范圍有限，對(duì)于用戶設(shè)備稀疏分布的場(chǎng)景，需要部署數(shù)量龐大的服務(wù)器才可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域用戶和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的全覆蓋。1.邊緣服務(wù)器的部署場(chǎng)景介紹2.4.3MEC服務(wù)器部署場(chǎng)景1．基于4GEPC架構(gòu)部署在RAN側(cè)的MEC方案（1）MEC服務(wù)器部署在RAN側(cè)基站匯聚點(diǎn)后，如圖所示，這是比較常見(jiàn)的部署方式。2.MEC服務(wù)器部署場(chǎng)景舉例（2）MEC服務(wù)器部署在RAN側(cè)單個(gè)基站之后，如圖所示，針對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域，例如校園、大型購(gòu)物中心等。這種架構(gòu)方案的優(yōu)勢(shì)在于更方便通過(guò)監(jiān)聽(tīng)、解析S1接口的信令來(lái)獲取基站側(cè)無(wú)線相關(guān)信息，但計(jì)費(fèi)和合法監(jiān)聽(tīng)等安全問(wèn)題需要進(jìn)一步解決。2.4.3MEC服務(wù)器部署場(chǎng)景2．基于4GEPC架構(gòu)部署在CN側(cè)的MEC方案（1）MEC服務(wù)器與CN側(cè)的P-GW部署在一起，如圖所示，這種方式不改變現(xiàn)有EPC架構(gòu)，MEC服務(wù)器與P-GW部署在一起。UE發(fā)起的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)經(jīng)過(guò)eNodeB、HubNode、S-GW、P-GW+MEC服務(wù)器，然后到公網(wǎng)Internet。該部署方式不存在計(jì)費(fèi)、安全等問(wèn)題。2.MEC服務(wù)器部署場(chǎng)景舉例（2）MEC服務(wù)器與CN側(cè)的D-GW部署在一起，如圖所示，這種方式改變現(xiàn)有EPC架構(gòu)，MEC服務(wù)器與D-GW部署在一起，原P-GW拆分為P1-GW和P2-WG（即D-GW），其中P1-GW駐留在原位置，D-GW下移（可以到RAN側(cè)，也可以到CN邊緣）。D-GW具備計(jì)費(fèi)、監(jiān)聽(tīng)、鑒權(quán)等功能。MEC服務(wù)器與D-GW可以集成在一起，也可以作為單獨(dú)網(wǎng)元部署在D-GW之后。P1-GW與D-GW之間為私有