边缘计算核心技术辨析

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1、边缘计算核心技术辨析陈天;陈楠;李阳春;樊勇兵【摘要】边缘计算(Edge Computing)是云计算向边缘的延伸，对边缘计算、雾计 算、MEC、Cloudlet、分布式云等边缘计算领域相关概念和技术的定义、架构、 场景等进行了比较分析,并对该领域的技术发展趋势给出了预测与展望.期刊名称】 广东通信技术年(卷),期】 2018(038)012【总页数】6页(P40-45)【关键词】边缘计算;标准化;开源;雾计算；MEC;Cloudlet;分布式云【作 者】 陈天;陈楠;李阳春;樊勇兵【作者单位】 中国电信股份有限公司广东研究院;中国电信股份有限公司广东研究 院;中国电信股份有限公司广东研究院;

2、中国通信学会正文语种】 中 文1 概述在整个行业数字化转型的大背景下，在IoT、5G、VR、AI等业务云化需求驱动和 技术发展推动下，边缘计算(Edge Computing )概念应运而生并迅速得到了行 业的广泛关注。相对于经典云计算带来的“云端”的海量计算能力，边缘计算实现 了资源和服务向边缘位置的下沉，从而能够降低交互时延、减轻网络负担、丰富业 务类型、优化服务处理，提升服务质量和用户体验。边缘计算概念并无明确定义，雾计算、MEC、Cloudlet、边缘计算、分布式云等 概念迭出，ETSI、ITU、OpenFog、ECC、OEC、3GPP、ISO、IEC、IEEE、 Linux基金会、Op

3、enStack基金会等业界主流标准化、开源和行业组织都在积极 推进但都有所侧重。本文针对边缘计算、雾计算、MEC、Cloudlet、分布式云等 领域内核心技术的定义、架构、场景等进行简介，并进行比较分析。2 雾计算雾计算（Fog Computing ）是2011年cisco提出的概念，OpenFog联盟是雾计 算的主要推动者，其雾计算定义为：一种系统级的水平架构，将计算、存储、网络、 控制和决策等资源和服务分布到从云到物的任何位置，旨在解决IoT、Al、VR、 5G等业务场景需求。水平架构：支持多个行业垂直应用领域，将智能和服务分 发到用户和业务；云到物的服务连续：使服务和应用分布在云和物之间

4、、更接近 物的位置；系统级：是物和云之间的整个系统，从物到网络边缘再到云，覆盖多 个协议层次，而非特定的协议或端到端系统的一部分。雾计算和云计算相互依赖， 互为补充；部分功能适合于由雾计算节点执行，部分功能则适合于在云上运行；具 体边界依据具体的应用、场景和网络环境等有所不同。FCN（ Fog Computing Node，雾计算节点）是智能终端设备和云之间的智能接入网络的中介计算网元， 可以是物理的也可以是虚拟的，与智能终端设备或接入网紧耦合，在终端设备和云 之间提供数据管理和通信服务等功能。OpenFog联盟给出雾计算参考架构如图1所示： 其中，主要从雾计算节点、软件、功能要求等角度进行了

5、描述： 图1 OpenFog联盟雾计算参考架构（1）雾计算节点：主要包括节点资源、节点管理、协议抽象层等组件。其中，节 点资源包括计算、存储、网络、加速器等；节点管理包括硬件配置管理和安全保护； 协议抽象层实现传感器等终端设备的适配和对接，支持异构终端、雾节点之间的兼 容互通。（2）软件：主要包括节点管理和软件背板、应用支持、应用服务等3层。其中， 节点管理负责雾节点或系统的软硬件配置和状态维护，并维护其可用性、可靠性和 性能；软件背板上运行节点各类软件，并实现节点间通信；应用支持提供应用管理 运行时引擎、应用服务器、消息和事件、安全服务、数据存储和管理、分析工具和 框架等软件供多个应用（微服

6、务）使用和共享；应用服务依据部署、场景、资源可 用性等的不同而不同，主要包括连接服务、支持服务、分析服务、集成服务、UI 服务等。（3 ）功能要求：主要包括性能和扩展性、安全、可管理性、数据分析和控制、IT服务和跨节点应用等方面。包括：需根据场景需求匹配流量模型，保证节点间互相 隔离互不干扰；借助虚拟化和容器等技术提升可扩展性；提供节点安全、数据安全 网络安全、安全监控和管理等从云到网络边缘再到物的整个系统安全；可管理性包 括管理接口、雾节点生命周期管理、独立的管理层等；将海量数据的收集、存储、 传输、分析等功能下沉到网络边缘，靠近数据源，按需实现特定的数据处理能力； 实现应用和服务在雾计算体

7、系层次中按需部署和互操作，支持节点间数据共享，支 持跨节点应用等。雾计算可用于IoT、5G、AI等多种场景，解决对本地化安全、客户位置感知、灵 活部署和可扩展、低时延等的需求。其中，IoT是FC重点面向的场景，交通、智 慧城市、智慧楼宇、工业制造业、零售企业、健康医疗、农业、政府军队、智慧家 庭、运营商等都有应用。其中的一些代表性场景如智能汽车和交通控制、可视化安 全和监控、智慧城市等。3 MECMEC是ETSI提出并主推的概念，经历了从移动边缘计算（Mobile EdgeComputing ）到多接入边缘计算（Multi-access Edge Computing ）的演变。其 中，移动边缘

8、计算是指在移动网络边缘提供IT服务环境和云计算能力，将网络业 务下沉到更接近移动用户的无线接入网侧，旨在降低延时，实现高效网络管控和业 务分发，改善用户体验；多接入边缘计算是指在网络边缘为应用研发商和内容提供 商提供IT服务环境和云计算能力，该环境为应用提供超低延时、高带宽、实时接 入等特性能力。MEC主要特性包括：就近接入、超低时延、位置可见、数据分析 等。ETSI MEC给出的系统参考架构如图2所示。其中，主要包括如下组件：图2 ETSI MEC系统参考架构（1）MEC主机：由虚拟化基础设施和MEP构成，用以承载各类MEC应用。其 中，虚拟化基础设施数据面负责执行移动边缘平台接收到的流量规

9、则，并实现流量 转发。MEP（MEC Platform，MEC平台）提供一系列功能，用以实现MEC应用 在特定虚拟化基础设施上运行并使提供移动边缘服务。（2）MEC应用：是运行在MEC主机虚拟化基础设施上的虚拟机，支持与MEC 平台交互，以构建和提供MEC服务。MEC应用带有一系列规则和需求，包括所 需要的资源、最大时延、可用服务等。这些需求由MEC系统级管理进行确认。（3 ）移动边缘主机级管理：包括移动边缘平台管理器MEPM、虚拟化基础设施管 理器VIM，对移动边缘主机和其上运行的应用进行管理。其中，VIM（Virtualisation infrastructure manager ，虚拟化

10、基础设施管理器）的功能可参 考ETSI NFV VIM，主要提供虚拟化资源管理功能；MEPM（ Mobile edge platform manager，移动边缘平台管理器）主要实现应用生命周期管理、MEP 网元管理、应用规则和需求管理等。（4 ）移动边缘系统级管理：包括MEO、OSS等组件。MEO（ Mobile edge orchestrator，移动边缘编排器）是核心组件，负责维护移动边缘系统的整体视图、 激活应用包、基于约束条件选择合适的移动边缘主机以实现应用实例化、触发应用 实例化和终结、触发应用重定位等。按照业务需求和方案架构，ETSI将MEC场景分为三类，每一类的方案架构趋同，

11、各类之间各有不同：面向客户的服务，包括游戏、远程桌面应用、增强和辅助现 实、辅助认知等。运营商和第三方服务，包括活动设备位置跟踪、大数据、安全、 企业服务等。网络性能和QoE提升，包括内容和DNS缓存、性能优化、视频 优化等。其中，主要包括7大场景：智能移动视频加速、监控视频流分析、 AR（增强现实）、密集计算辅助、企业专网、车联网、IoT网关。4 CloudletCloudlet是2013年Carnegie Mellon University （卡内基梅隆大学）提出的概 念，源于移动计算、IoT与云计算的融合，代表“移动设备/IoT设备一cloudlet 云”三层体系架构的中间层，可看作是一

12、个“data center in a box”，旨在使云 更接近用户。基于此，OEC给出了对边缘计算的定义：边缘计算在接近用户侧提 供小型数据中心（边缘节点），提升用户对计算和存储资源的使用体验。Cloudlet主要包括四大特性：仅以软件形态部署、具备计算/连接/安全能力、就 近部署、基于标准云技术构建等。OEC给出的边缘计算参考架构如图3所示，包括移动设备、边缘服务器、后端系 统等组件。其中：边缘服务器主要基于Cloudlet实现，包括3层：（1）基础设施层：包括硬件、虚拟化和管理；（2 ）开放云平台：提供app运行支持环境和能力开放，并实现统一管理；（3）应用：基于虚机实例承载移动设备卸载

13、的各类应用（如图3所示）。Cloudlet和OEC主要针对移动与云计算的融合场景，适用于四大场景类型，包括 高度响应的云服务、扩展边缘分析、隐私策略执行、屏蔽云中断。其中，典型场景 包括：VR、vCPE、企业服务（如虚拟桌面）、公共安全、传感器数据服务、汽车 服务、移动app优化、工业4.0、无人机支持服务、健康和体育服务、在线游戏、 通信服务优化等。5边缘计算图3 OEC基Cloudlet的边缘计算系统参考架构ECC（Edge Computing Consortium ，边缘计算产业联盟）2016 年成立，是边 缘计算的积极推动者。ECC的边缘计算定义：是在靠近物或数据源头的网络边缘 侧，融

14、合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能 服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私 保护等方面的关键需求。它可以作为联接物理和数字世界的桥梁，使能智能资产、 智能网关、智能系统和智能服务。ECC认为，边缘计算与云计算是行业数字化转 型的两大重要支撑，两者在网络、业务、应用、智能等方面的协同将有助于支撑行 业数字化转型更广泛的场景与更大的价值创造。其中，云计算适用于非实时、长周 期数据、业务决策场景，而边缘计算在实时性、短周期数据、本地决策等场景方面 有不可替代的作用。ECC给出EC的主要特性包括联接性、数据第一入、约束性、 分布性、融合

15、性等。ECC 提出的边缘计算参考架构如图4所示。其中，主要包括如下层次化组件：（1）ECN （Edge Computing Node ，边缘计算节点）：由基础设施层、虚拟化 层、边缘虚拟服务构成，提供总线协议适配、流式数据分析、时序数据库、安全等 通用服务，并按需集成特定的行业化应用服务。（2）联接计算Fabric:个虚拟化的联接和计算服务层，屏蔽异构ECN节点， 提供资源发现和编排，支持ECN节点间数据和知识模型共享，支持业务负载动态 调度和优化，支持分布式的决策和策略执行。（3）业务Fabric:模型化的工作流，由多种类型的功能服务按照一定逻辑关系组成和协作，支持定义工作流和工作负载、可视

16、化呈现、语义检查和策略冲突检查、业务Fabric、服务等模型的版本管理等。图4 ECC边缘计算参考架构（4）智能服务：开发服务框架通过集成开发平台和工具链集成边缘计算和垂直行 业模型库，提供模型与应用的全生命周期服务；部署运营服务主要提供业务编排、 应用部署和应用市场等三项核心服务。（5）管理服务：支持面向终端、网络、服务器、存储、数据、应用的隔离、安全、 分布式架构的统一管理；支持面向工程、集成、部署、业务与数据迁移、集成测试、 集成验证与验收等全生命周期管理。（6）数据全生命周期服务：提供数据预处理、数据分析、数据分发和策略执行、 数据可视化和存储等服务。支持通过业务 Fabric 定义数

17、据全生命周期的业务逻辑， 满足业务实时性等要求。（7）安全服务：主要包括节点安全、网络安全、数据安全、应用安全、安全态势 感知、身份和认证管理等服务，覆盖边缘计算架构的各个层级，并为不同层级按需 提供不同的安全特性。边缘计算通过与行业使用场景和相关应用相结合，依据不同行业的特点和需求，完 成了从水平解决方案平台到垂直行业的落地，在不同行业构建了众多创新的垂直行 业解决方案。目前，ECC给出的核心场景主要面向IoT，范例包括：梯联网、智慧 水务、智能楼宇、智慧照明等。6 分布式云分布式云是ITU-T 2016年提出并主推的概念，是对云计算模式的扩展，在兼具云计算以网络为中心、以服务为提供方式、资

18、源池化和透明化、高扩展高可靠性特征 的同时，基于业务/用户需求，灵活、敏捷、按需、智能地提供分布式、低延迟、 高性能、安全可靠、绿色节能、能力开放的信息化基础设施，满足全社会各行业数 字化转型需要。分布式云主要具备如下能力特性：分布式、低延迟、高性能、安全 可靠、绿色节能、能力开放等。分布式云体系框架如图5所示。分布式云体系主要包括两类组件：（1）分布式云节点：是具备自治管理能力的独立的云节点，提供云基础设施及服 务，为各类业务和应用提供运行环境；根据所处的位置、节点规模及在分布式云系 统中的作用，分为核心云、区域云、边缘云等不同的云节点；根据不同的业务场景 需求，灵活采取一种或多种节点组合，

19、实现业务能力的按需部署。核心云节点：基于大规模云基础设施，支持提供包括IaaS、PaaS、SaaS的完整的云服务体系，为各类分布式云业务和应用提供支撑和运营环境，具备海量数据分 析和处理能力。图5 ITU-T分布式云体系框架 区域云节点：功能架构与核心云类似，中到大规模云基础设施，侧重于提供区域性 云基础设施和服务，为区域性业务和应用提供支撑和运营环境，按需满足区域性业 务及安全、法规、治理需求。边缘云节点：在网络边缘、靠近用户和数据源的位置，提供本地化基础设施资源、 数据处理能力、边缘应用和业务。面向不同业务场景、不同部署位置的边缘云节点， 外形、能力、功能需求各异。（2）分布式云管理系统：

20、实现对分布式云节点的统一管理，包括统一的资源管理、 网元和应用管理、业务编排、运营管理、服务管理、安全管理、研发支持、系统集 成管理、数据管理等。分布式云侧重于云节点之间、边缘与核心之间的协同，能够提供比单一位置的计算 更丰富的业务和应用能力，适用于多种业务场景，其中，既包括经典云计算场景， 也包括边缘计算场景，还包括边缘、核心协同场景，涵盖5G、IoT、AI、安全、CORD、CDN、云服务等各类业务场景。7 核心技术辨析雾计算、MEC、Cloudlet、边缘计算、分布式云等技术都是在新的业务需求和技术发展驱动下，融合“边缘”理念与云计算技术的一种具体实现，简要辨析如表1 所示，其中主要不同在

21、于：（1）定位：雾计算旨在构建一个系统，实现云到物的服务连接，与云协同运作；MEC则被视为5G核心关键技术；Cloudlet是就近部署的微型数据中心；边缘计 算旨在构建边缘的开放平台；分布式云则将经典核心云、区域云与边缘云统一为一 个整体。（2）场景：雾计算重点面向IoT; MEC主要提供移动RAN应用方案；Cloudlet 在网络边缘实现计算能力卸载；边缘计算主要面向IoT智能服务；分布式云则旨 在涵盖多种场景。（3）应用和数据：雾计算、MEC、Cloudlet侧重于提供面向应用的使能与运营 支撑环境，实现应用的自动化部署管理和业务提供；边缘计算和分布式云除了对应 用的支持外，还提供对多样化

22、数据的收集、存储、处理、分析、策略执行等能力， 构建包括数据本地化处理和云端大数据处理的层次化协同系统（如表 1 所示）。8 展望整体而言，边缘计算仍处于发展初期，在Gartner发展成熟度曲线上位于炒作巅 峰，未来将迎来爆发式增长。边缘计算的核心技术主要包括边缘节点（如路由器、 交换机、基站、vCPE、数据中心等）、边缘网络、边缘管理系统、边缘应用和服 务等。其中，所涉及的硬件基础设施、软件技术等大多已具备，但需根据边缘计算 需求进行适配或优化，如边缘节点对计算能力的支持，边缘节点的性能、可靠性和 灾备，边缘计算任务的智能调度，异构边缘节点的统一管理，数据分布机制和一致 性，边缘计算网络架构

23、和性能优化，大规模边缘应用和服务，边缘功能和技术（如 数据细化、视频压缩和分析等）等，这些都有待于进一步研究。表1 边缘计算核心技术辨析概述雾计算 MEC Cloudlet 边缘计算 分布式云起源Cisco 2011 ETSI 2014 Carnegie Mellon 大学 2013 -ITU 2016 对经典云计 算的拓展，具备在任意位置提供智能云服务的能力与云的关系 对云的延伸，与云 协同运作定义系统级水平架构，将资源和服务分布到从云到物的任何位置在网络边 缘提供IT环境和云能力data center in a box，在用户侧提供云能力在网络边缘 构建分布式开放平台，提供边缘智能服务对云

24、的扩展，涵盖经典云计算概念主推者 OpenFog联盟ETSI MEC ISG OEC ECC ITU可与云相对独立对云的延伸，与云 协同运作对云的延伸，支持与云的协同进展 已输出定义、参考架构文档已输出参 考架构及关键接口定义规范 已输出参考实现已输出参考架构白皮书，部分垂直行 业解决方案落地需求草案编制阶段标准化NIST （定义）ETSI MEC ISG 3GPP - -ECC联合IEEE、IEC/ISO共推ITU-T SG13核心场景IoT移动RAN计算能力卸 载IoT智能服务多种场景架构组件Fog节点、应用支持及服务、管理系统MEC 主机（基础设施、MEP）、MEC应用、主机管理（MEP

25、M、VIM）、系统管理（MEO、OSS ）等基础设施及管理、开放云平台、应用边缘计算节点、联接计算 Fabric、业务Fabric、智能服务、管理服务、数据全生命周期服务、安全服务分布 式云节点（核心、区域、边缘）、分布式云管理系统基础设施Fog节点，可能位 于端、云之间的任何位置，可以是路由器、交换机、接入点、网关、边缘集群等各 种形态MEC主机，通常在基站、接入点、汇聚点、网关等之上Cloudlet，软件形 态，通常位于逻辑上靠近用户侧的基站、移动核心网等位置边缘计算节点，可以是 融合网关、控制器、感知终端、分布式业务网关、边缘集群等多种形态分布式云节 点包括核心云节点、区域云节点、边缘云

26、节点，按需采用相应基础设施形态节点管 理全局管理（统一的资源管理、网元和应用管理、业务编排、运营、服务、安全、 系统集成、数据管理）应用管理支持 支持支持 支持数据管理支持，在线分析及与云端管理节点管理应用支持应用服务边缘主机管理：边缘平台管理、VIM ; 边缘系统管理：边缘编排器、OSS、用户应用管理应用后端系统全局边缘云管理边 缘云管理网络管理系统管理数据管理安全管理智能服务（应用开发、运营）支持， 层次化分布式数据分析处理端设备多种终端，移动支持重点面向移动终端重点面 向移动终端 多种终端，移动支持 多种终端，移动支持交互 支持，数据全 生命周期管理参考文献【相关文献】1 OpenFog

27、 Consortium， OpenFog Reference Architecture for Fog Computing ， February 20172 NIST Special Publication 800-191 (Draft) ， The NIST De fi nition of Fog Computing， August 20173 ETSI GS MEC 003 V1.1.1 (2016-03) ， Mobile Edge Computing (MEC); Framework and Reference Architecture4 Open Edge Computing， Open Edge Computing- From Vision to Reality ， 21 June 20165 Edge Computing Consortium， Edge Computing Reference Architecture 2.0， November 20176 ITU-T， Draft Recommendation ITU-T Y.ccdc-reqts:Distributed cloud overview and high- level requirements