工业互联网边缘计算 课件 任务2.4 MEC服务器及端侧设备的硬件部署

——工业互联网边缘计算——模块2部署MEC服务器和端侧感知设备目录CONTENTSMEC服务器和端侧感知设备选型任务2.1工业智慧园区规划任务2.2边缘计算设备的硬件选型任务2.3MEC服务器及端侧设备的硬件部署任务2.4边缘计算设备的软件部署任务2.5端侧设备的数据采集和预处理任务2.6MEC服务器上的模型部署和推理任务2.7任务2.4MEC服务器及端侧设备的硬件部署导入MEC服务器及端侧设备具有部署灵活、低时延、高带宽的优势。下面详细介绍MEC服务器及端侧设备的硬件连接与部署。2.4.1MEC网络架构分析按其实现功能，MEC基本架构可分为基础设施层、虚拟化层、MEC管理层、MEC应用层。MEC网络的部署模式较为多样化，通常情况下都会与5G网络相结合，这样既能帮助运营商来进行网络建设的形态构建，还可以帮助本地的电信业务实现计算能力的最大化提高。导入2.4.1MEC网络架构分析MEC具有灵活业务部署、本地化网络处理、低时延、高带宽的优势。按照MEC网络基本架构，如图所示。1.MEC网络架构分析基础设施层：主要基于通用服务器，为MEC提供存储、计算、渲染等硬件底座。虚拟化层：基于基础设施层，采用网络功能虚拟化的方式为MEC业务平台提供规划应用程序、服务、DNS服务器、3GPP网络和本地网络之间的通信路径。MEC管理层：提供全局业务编排、策略管理、基础服务注册与流量控制、生命周期管理等功能。MEC应用层：视频直播平台、智慧工业、5G教育、AR/VR应用等第三方APP。2.4.1MEC网络架构分析随着5G高速率、低时延的新业务涌现，MEC商用需求逐渐明确。“云-边-端”的全业务链闭环，得到了运营商的认可。运营商结合5G网络构建边缘、区域、中心三层架构的MEC部署策略被快速推广。其特征是：（1）基于地理构建边缘、区域、中心三层架构，各层MEC满足不同业务需求，按功能满足按时延、速率等进行业务分流。（2）依托平台智能管理能力，对外开放平台功能，打造垂直行业产品，形成边缘云生态。（3）利用平台AI能力，打造智慧安防、视觉智能检测、自动驾驶等产品。（4）利用视频编解码能力，应用于直播加速、AR、VR、云游戏等。（5）利用IoT设备管理能力，应用于各类物联网应用。（6）利用平台的渲染能力，应用于AR、VR、全息投影等应用。2.MEC网络部署策略2.4.1MEC网络架构分析运营商针对当前市场对于边缘计算的需求，提出MEC五大产品及资费体系：分流网关、MEC云资源、平台PaaS层能力（边缘云服务）、定制边缘云及云咨询、规划、集成实施服务，如图所示。3.产品及资费体系分流网关：分为本地级分流网关、边缘级分流网关，本地级分流网关按带宽付费，边缘级收费标准为本地级的1.5~2倍。MEC云资源：分为本地级MEC、边缘级MEC，本地级MEC按照云资源使用量进行收费，边缘级收费标准为本地级的1.5~2倍。平台PaaS层能力（边缘云服务）：分为网络服务能力、应用服务能力，按照平台能力调用次数，根据服务等级进行收费。定制边缘云：分MEC端到端整体解决方案、MEC行业云产品，整体打包，参考ICT模式进行收费。云咨询、规划、集成实施服务：按照项目总投资/合同比例收取服务费。2.4.2MEC服务器及端侧设备连接在实际应用中，有大量的端侧设备需要接入MEC系统，如何在庞大的计算卸载中保障MEC服务器能够稳定地对外提供服务，成为MEC服务器与端侧设备连接时需要考虑的核心问题。下面针对多个端侧设备接入MEC服务器时遇到的问题及解决思路来进行学习。导入2.4.2MEC服务器及端侧设备连接大量端侧设备的接入带来了大量的数据吞吐量和计算量，面对海量的数据，MEC服务器从保障高效稳定的运行和降低功耗等方面从硬件到软件提供了一系列的解决优化方案。1.多端侧设备接入如何保障MEC服务器的稳定服务。（1）使用网络上的流量调度。在多个端侧设备同时连接进MEC系统时，通过优化算法合理的选择AP（accesspoint，接入点），以获得最大增益，保障MEC稳定高效对外提供服务。（2）在MEC服务器中提供缓存（cache）机制。在中心节点的MEC服务器上包含了接入端侧设备的全部信息，包含了CSI（ChannelStateInformation，信道状态信息）和计算卸载的各种请求。这些信息有些可以被复用，则保存在本地，如果一些一次性的计算任务，则不需要存储。（3）优化调度策略，减少MEC服务器功耗，提供持续稳定输出。在多个端侧设备同时对MEC服务器发包的情况下，MEC服务器需要对多终端的通信和计算卸载的数据包先存在缓冲器（buffer）中，这样MEC服务器便可以按接收包的顺序进行处理。如果MEC服务器在一段时间工作量很大，而另一部分时间则资源利用率很低，那么则需要优化调度策略。出于对MEC服务器的能耗考虑，可以设计一些调度策略使得多终端的数据包可以连续并稳定地发送到MEC服务中。1.多端侧设备接入MEC功能服务保障2.4.2MEC服务器及端侧设备连接2.在多端侧设备接入的情况下，MEC服务器可以提供服务的方式。（1）根据MEC服务器的负载进行调度。（2）根据不同用户预先进行MEC服务器的资源划分（比如一个用户对应MEC服务器的一个虚拟机）。（3）根据就近原则为端侧设备提供服务。3.从应用的角度考虑则可以通过提供不同的计算卸载方式减轻MEC服务器负荷。（1）为了保证多终端情况下，MEC服务器处理不过来的情况，对一些延迟不敏感但是计算量较大的计算量放在云中心服务器上处理。（2）在资源量有限的情况下，MEC调度算法需要配合应用来定义哪些计算量是对延迟比较敏感（latency-sensitive），需要优先处理。在多端侧设备场景下，有时候MEC服务器之间需要合作共同处理计算量，这样也可以减少单条链路的网络拥堵情况，需要考虑的是该计算量的对延迟要求程度、目标MEC服务器的负载程度、随时间变化的网络实时情况，以及周围MEC服务器的计算能力。1.多端侧设备接入MEC功能服务保障2.4.2MEC服务器及端侧设备连接MEC服务器的缓存分为ServiceCashing（服务兑现）缓存和DataCashing（数据兑现）缓存两种。如图所示。2.MEC服务器缓存（Cache）处理多端接入方式1.ServiceCashing是指根据位置，和附近的用户的相同的喜好缓存类似的应用和数据。举个例子，在博物馆可能都是VR的应用，那么就根据VR的应用的要求，设计MEC服务的策略；另外可以根据时间来制定缓存的策略，比如晚饭时间后，大家比较喜好玩游戏，那么MEC服务需要先缓存一些游戏的服务和数据。2.DataCashing是指很多现在的应用都是需要进行数据处理的，拿VR来说，需要实现存放这个环境（比如丛林、沙漠）的图片、声音、音乐，然后用户在这个环境中的动作传到MEC服务器，然后进行处理后返回。那么这个MEC服务存放的某个环境的数据会变得很大。而且不同的用户玩同一款VR游戏的时候，这些数据可以复用。而对于在线游戏来说，实时的计算结果对其他用户没有复用价值，那么就不用保存。2.4.2MEC服务器及端侧设备连接不同应用对资源要求不一样，AI、VR的应用对CPU和存储的要求比较高，MATLAB的应用对内存的要求比较高。缓存（Cache）的工作流程如图所示，一些常用的数据，可以分为两级缓存（Cache），比如数据库可以在中心服务器上存放全部的信息做缓存（Cache），而在边缘的服务器上做一部分的数据的缓存（Cache）。2.MEC服务器缓存（Cache）处理多端接入方式2.4.2MEC服务器及端侧设备连接由于各种异构的端侧设备接入MEC系统，使得原来的安全机制无法满足整个MEC系统的安全需求。接入安全问题主要分为以下三种：1.终端认证组件：不同的终端设备连入，有不同的认证组件，需要适配该终端。2.网络安全：WIFI、LTE、5G有自己各自的安全协议来保障网络安全，这样不可避免地会在MEC系统中划分出多个网络域。那么需要设计一个安全协议使得跨网络域的网络安全得以保障。3.敏感信息计算：个人信息和交易账单等，在发送这些计算量的时候，需要对数据进行加密。并且需要审核该MECserver是否可信任。根据上述风险分析可知，MEC服务器与多端侧设备连接面临着安全风险，现行的做法是通过规范基础设施以及应用系统的配置，加强安全隔离和访问控制，提升MEC节点自身安全防护能力，加强对MEC应用的安全控制解决。3.多端侧设备连接MEC服务器的安全问题2.4.3MEC服务器部署场景MEC服务器部署问题研究如何在目标的服务区域内部署边缘服务器硬件设备，是边缘系统实际落地的一个基础问题。针对该问题的研究对网络时延等性能指标的优化意义重大。不合理的边缘服务器部署位置选择会导致服务器无法覆盖到所有移动设备、区域间服务器负载不均衡等问题。同时，部署网络架构和部署环境的复杂多变，使得边缘服务器部署问题极具挑战性。导入2.4.3MEC服务器部署场景如图所示，首先对边缘服务器的部署场景展开介绍，分别从静态部署场景和动态部署场景两个角度出发。接着，根据两类场景，介绍在各自场景下边缘服务器的部署问题，具体从性能指标、限制条件和部署算法三个方面展开。1.边缘服务器的部署场景介绍边缘计算服务器部署的硬件设施，需要考虑具体部署环境的要求。其目的是将边缘硬件资源部署在目标区域当中，为区域中的移动用户和设备提供边缘计算服务。而根据部署服务器是否具备移动性，可以将边缘系统部署场景分为静态部署和动态部署两类。2.4.3MEC服务器部署场景1．静态部署指的是服务器位置确定后续无法再改变部署场景。出于不同的网络环境及商业用途，存在多种边缘服务器的静态部署场景，如图所示。1.边缘服务器的部署场景介绍静态部署场景可根据具体环境的差异，细分为室内和室外两类场景。室内场景中，边缘计算服务器可以直接部署在无线接入网或其周边（如家用Wi-Fi路由器），目的是便于和无线接入网进行协调，在关键位置提供灵活的服务。室外场景中，边缘计算服务器的部署位置根据网络环境的不同而有所差异。在5G移动通信网络中，服务器既可以部署在上行链路网关，也可部署在更靠近用户端的小型基站，同时也可将边缘服务器部署在基带单元（BaseBandUnit，BBU）池的聚集点。2.4.3MEC服务器部署场景2．动态部署是将部分服务器装载到移动小车、无人机或移动机器人上，使其获得移动能力，服务器可以通过移动设备的请求动态调整其部署位置。动态部署的出现解决了静态部署场景固有的如下问题。（1）部署决策一旦执行便无法更改，不能很好地应对用户任务请求量随时空变化的情况。（2）部署决策仅根据当前场景的节点规模确定部署方案，不利于网络系统扩展。（3）静态部署服务器负载无法支撑任务请求量急剧增长的突发性事件。（4）服务器覆盖范围有限，对于用户设备稀疏分布的场景，需要部署数量庞大的服务器才可实现对目标区域用户和物联网设备的全覆盖。1.边缘服务器的部署场景介绍2.4.3MEC服务器部署场景1．基于4GEPC架构部署在RAN侧的MEC方案（1）MEC服务器部署在RAN侧基站汇聚点后，如图所示，这是比较常见的部署方式。2.MEC服务器部署场景举例（2）MEC服务器部署在RAN侧单个基站之后，如图所示，针对热点区域，例如校园、大型购物中心等。这种架构方案的优势在于更方便通过监听、解析S1接口的信令来获取基站侧无线相关信息，但计费和合法监听等安全问题需要进一步解决。2.4.3MEC服务器部署场景2．基于4GEPC架构部署在CN侧的MEC方案（1）MEC服务器与CN侧的P-GW部署在一起，如图所示，这种方式不改变现有EPC架构，MEC服务器与P-GW部署在一起。UE发起的数据业务经过eNodeB、HubNode、S-GW、P-GW+MEC服务器，然后到公网Internet。该部署方式不存在计费、安全等问题。2.MEC服务器部署场景举例（2）MEC服务器与CN侧的D-GW部署在一起，如图所示，这种方式改变现有EPC架构，MEC服务器与D-GW部署在一起，原P-GW拆分为P1-GW和P2-WG（即D-GW），其中P1-GW驻留在原位置，D-GW下移（可以到RAN侧，也可以到CN边缘）。D-GW具备计费、监听、鉴权等功能。MEC服务器与D-GW可以集成在一起，也可以作为单独网元部署在D-GW之后。P1-GW与D-GW之间为私有