[科普中国]-行动边缘运算

行动边缘运算（Mobile edge computing，MEC），是一个网络架构的概念，在移动网络的边缘提供云端运算的能力，以及IT服务的环境。这个概念由欧洲电信标准协会（ETSI）在2014年提出，主要的想法是减少核心网络设备日益增加的营运压力，以及让行动营运商可以为顾客创造出独特的行动体验。

定义欧洲电信标准化协会（ETSI）对行动边缘运算(MEC）的定义是：在移动网络边缘提供 IT 服务环境和云计算能力。移动边缘计算可以被理解为在移动网络边缘运行云服务器，该云服务器可以处理传统网络基础架构所不能处理的任务，例如M2M网关、控制功能、智能视频加速等。需要注明的是，在研究初期MEC中的“M”是“mobile”之意，特指移动网络环境。随着研究的不断推进，ETSI将“M”的定义扩展为“multi-access”，旨在将边缘计算的概念扩展到Wi-Fi等非3GPP接入的场景下，“移动边缘计算”的术语也逐渐被过渡为“多接入边缘计算（multi-access edge computing，MEC）”。但是业界乃至ETSI等标准制定组织研究的重点仍然是移动场景下的边缘计算，因此业界仍多以“移动边缘计算”称之。MEC 运行于网络边缘，逻辑上并不依赖于网络的其他部分，这点对于安全性要求较高的应用来说非常重要。另外，MEC服务器通常具有较高的计算能力，因此特别适合于分析处理大量数据。同时，由于MEC距离用户或信息源在地理上非常邻近，使得网络响应用户请求的时延大大减小，也降低了传输网和核心网部分发生网络拥塞的可能性。最后，位于网络边缘的MEC能够实时获取例如基站ID、可用带宽等网络数据以及与用户位置相关的信息，从而进行链路感知自适应，并且为基于位置的应用提供部署的可能性，可以极大地改善用户的服务质量体验。

框架从2014年12月开始，ETSI MEC ISG开始致力于MEC的研究，旨在提供在多租户环境下运行第三方应用的统一规范。经过努力，ISG MEC 已经公布了关于MEC的基本技术需求和参考架构的相关规范，ISG MEC对MEC 的网络框架和参考架构进行了定义。图1是MEC 的基本框架，该框架从一个比较宏观的层次出发，对 MEC下不同的功能实体进行了网络（network）、ME（mobile edge）主机水平（ME host level）和ME系统水平（ME system level）这3个层次的划分。其中MEC主机水平包含MEC主机（ME host）和相应的ME 主机水平管理实体（ME host-level management entity），ME主机又可以进一步划分为ME平台（ME platform）、ME应用（ME application）和虚拟化基础设施（virtualization infrastructure）。网络水平主要包含3GPP 蜂窝网络、本地网络和外部网络等相关的外部实体，该层主要表示MEC工作系统与局域网、蜂窝移动网或者外部网络的接入情况。最上层是ME系统水平的管理实体，负责对MEC系统进行全局掌控1。

优势相比于传统的网络架构和模式，MEC 具有很多明显的优势，能改善传统网络架构和模式下时延高、效率低等诸多问题，也正是这些优势，使得MEC成为未来 5G 的关键技术。

低时延

MEC将计算和存储能力“下沉”到网络边缘，由于距离用户更近，用户请求不再需要经过漫长的传输网络到达遥远的核心网被处理，而是由部署在本地的MEC服务器将一部分流量进行卸载，直接处理并响应用户，因此通信时延将会大大降低。MEC的时延节省特性在视频传输和VR等时延敏感的相关应用中表现得尤为明显。以视频传输为例，在不使用MEC的传统方式下，每个用户终端在发起视频内容调用请求时，首先需要经过基站接入，然后通过核心网连接目标内容，再逐层进行回传，最终完成终端和该目标内容间的交互，可想而知，这样的连接和逐层获取的方式是非常耗时的。引入MEC解决方案后，在靠近UE的基站侧部署MEC服务器，利用MEC提供的存储资源将内容缓存在MEC服务器上，用户可以直接从MEC服务器获取内容，不再需要通过漫长的回程链路从相对遥远的核心网获取内容数据。这样可以极大地节省用户发出请求到被响应之间的等待时间，从而提升用户服务质量体验。

改善链路容量

部署在移动网络边缘的MEC服务器能对流量数据进行本地卸载，从而极大地降低对传输网和核心网带宽的要求。以上一节中提到的视频传输为例，对于某些流行度较高的视频，如NBA比赛、电子产品发布会等，经常是以直播这种高并发的方式发布，同一时间内就有大量用户接入，并且请求同一资源，因此对带宽和链路状态的要求极高。通过在网络边缘部署MEC 服务器，可以将视频直播内容实时缓存在距离用户更近的地方，在本地进行用户请求的处理，从而减少对回程链路的带宽压力，同时也可以降低发生链路拥塞和故障的可能性，从而改善链路容量。

提高能量效率，实现绿色通信

在移动网络下，网络的能量消耗主要包括任务计算耗能和数据传输耗能两个部分，能量效率和网络容量将是5G实现广泛部署需要克服的一大难题。MEC的引入能极大地降低网络的能量消耗。MEC自身具有计算和存储资源，能够在本地进行部分计算的卸载，对于需要大量计算能力的任务再考虑上交给距离更远、处理能力更强的数据中心或云进行处理，因此可以降低核心网的计算能耗。另一方面，随着缓存技术的发展，存储资源相对于带宽资源来说成本逐渐降低，MEC的部署也是一种以存储换取带宽的方式，内容的本地存储可以极大地减少远程传输的必要性，从而降低传输能耗。当前已有许多工作致力于研究边缘计算的能量消耗问题。

感知链路状况，改善用户服务质量体验

部署在无线接入网的MEC服务器可以获取详细的网络信息和终端信息，同时还可以作为本区域的资源控制器对带宽等资源进行调度和分配。以视频应用为例，MEC服务器可以感知用户终端的链路信息，回收空闲的带宽资源，并将其分配给其他需要的用户，用户得到更多的带宽资源之后，就可以观看更高速率版本的视频，在用户允许的情况下，MEC服务器还可以为用户自动切换到更高的视频质量版本。链路资源紧缺时，MEC服务器又可以自动为用户切换到较低速率版本，以避免卡顿现象的发生，从而给予用户极致的观看体验。同时，MEC 服务器还可以基于用户位置提供一些基于位置的服务，例如餐饮、娱乐等推送服务，进一步提升用户的服务质量体验。

MEC关键技术MEC 的实现依赖于虚拟化、云技术和 SDN等关键技术的支撑。

虚拟化技术

虚拟化技术是一种资源管理技术。维基百科对其的定义是：虚拟化技术将计算机的各种实体资源（CPU、内存、磁盘空间、网络适配器等）予以抽象、转换后呈现出来并可供分区、组合为一个或多个电脑配置环境，由此打破实体结构间不可分割的障碍，使用户可以比原本配置更好的方式应用这些电脑硬件资源。虚拟化技术中使用Hypervisor实现了应用软件环境与基础硬件资源的解耦，使得可以在同一个硬件平台上部署多个虚拟机，从而共享硬件资源，多个虚拟机之间通过虚拟交换机实现顽健、安全和高效的通信，并通过指定的物理接口实现数据流量的路由。虚拟化技术与网络的结合催生了网络功能虚拟化（network function virtualization，NFV）技术，该技术将网络功能整合到行业标准的服务器、交换机和存储硬件上，并且提供优化的虚拟化数据平面，可通过服务器上运行的软件实现管理从而取代传统的物理网络设备。NFV 使得 MEC 平台中多个第三方应用和功能可以共平台部署，各种应用和服务实际上是运行于虚拟化基础设施平台上的虚拟机，极大地方便了 MEC 实现统一的资源管理。

云技术

虚拟化技术促进了云技术的发展，云技术的出现使得按需提供计算和存储资源成为可能，极大地增加了网络和服务部署的灵活性和可扩展性。现今大多数移动手机应用都是基于云服务设计的，值得一提的是，云技术与移动网络的结合还促进了 C-RAN这一创新性应用的产生。C-RAN将原本位于基站的基带处理单元等需要耗费计算和存储资源的模块迁移到云上，在很大程度上解决了基站的容量受限问题，提高了移动网络的系统能量效率。MEC技术在网络边缘提供计算和存储资源，NFV和云技术能够帮助 MEC 实现多租户的共建。由于MEC服务器的容量相对于大规模数据中心来说还是较小，不能提供大规模数据中心带来的可靠性优势，所以需要结合云技术引入云化的软件架构，将软件功能按照不同能力属性分层解耦地部署，在有限的资源条件下实现可靠性、灵活性和高性能。

软件定义网络（SDN）技术

SDN 技术是一种将网络设备的控制平面与转发平面分离，并将控制平面集中实现的软件可编程的新型网络体系架构。SDN 技术采用集中式的控制平面和分布式的转发平面，两个平面相互分离，控制平面利用控制—转发通信接口对转发平面上的网络设备进行集中控制，并向上提供灵活的可编程能力，这极大地提高了网络的灵活性和可扩展性。MEC部署在网络的边缘，靠近接入侧，这意味着核心网网关功能将分布在网络的边缘，这会造成大量接口的配置、对接和调测。利用SDN 技术将核心网的用户面和控制面进行分离，可以实现网关的灵活部署，简化组网。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学