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多接入邊緣計算通信網(wǎng)絡融合探究

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多接入邊緣計算通信網(wǎng)絡融合探究

0引言

通信網(wǎng)絡現(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,為進一步滿足產(chǎn)業(yè)需求,提高通信網(wǎng)絡處理信息的效率,引進多接邊緣計算算法。多接入邊緣計算(MobileEdgeComputing,MEC)是一種網(wǎng)絡架構(gòu),為網(wǎng)絡運營商和服務提供商提供云計算能力以及網(wǎng)絡邊緣的IT服務環(huán)境。多接入邊緣計算最早由歐洲電信標準公司在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)絡提供IT支撐與云計算服務。MEC可以同時提供無線網(wǎng)絡應用層服務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,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡通信中的高時效與高容量[1]。目前,隨著5G移動通信網(wǎng)逐步實現(xiàn)全面普及,用戶對于網(wǎng)絡的業(yè)務場景與通信服務需求也越來越高,多元化的網(wǎng)絡通信場景更是需要大型密集網(wǎng)絡作為支撐。移動通信技術(shù)是當前發(fā)展最為迅速的信息技術(shù)之一,移動網(wǎng)絡已被廣泛地應用到機器智能、遠程通信、終端實時傳輸?shù)阮I(lǐng)域,越來越多的機構(gòu)組織將通信網(wǎng)絡應用到各種各樣的實際工作中,但隨著通信網(wǎng)絡運用領(lǐng)域的不斷擴大,通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)中存在的潛在問題開始凸顯,在此發(fā)展背景下,多接入邊緣計算的優(yōu)勢越發(fā)顯著,其不僅滿足網(wǎng)絡結(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。因此,本文對基于多接入邊緣計算的通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)進行研究,致力于通過此種方式,為網(wǎng)絡終端提供更加優(yōu)化的服務。

1基于多接入邊緣計算的通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)設計方法

1.1選擇通信網(wǎng)絡融合邊緣計算接入模式

為滿足終端用戶的網(wǎng)絡融合通信需求,引進邊緣計算方式,并可對通信網(wǎng)絡中的接入方式進行選擇。早期此方面的研究是基于終端虛擬機與OpenStack系統(tǒng),在此研究中提出的通信資源,可為通信網(wǎng)絡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)絡通信功能的限制,只適用于移動無線網(wǎng)絡,并且數(shù)據(jù)傳輸過程中,在通信虛擬數(shù)據(jù)層對于通信資源的消耗量較高,無法滿足通信網(wǎng)絡的性能需求[2]。因此,在選擇MEC的接入模式中,提出一種Picasso網(wǎng)絡接入方式,使用本地計算機為MEC提供鏡像數(shù)據(jù)庫,進行邊緣的映射,使通信網(wǎng)絡更好地適用于服務場景中。在此基礎上,需要網(wǎng)絡通信終端對SDN(軟件定義網(wǎng)絡)基站進行重建與改造,使邊緣映射結(jié)果可以通過Picasso網(wǎng)絡,使用服務隧道協(xié)議(GTP協(xié)議)進行核心網(wǎng)絡流量的封裝,從而確保接入端從正確的路徑到達指定目標。但此過程中,需要移動終端設備內(nèi)的高性能CPU作為網(wǎng)絡支撐,而一旦并發(fā)大批量網(wǎng)絡數(shù)據(jù)或流量信息,便會出現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)信息延時的問題[3]。為避免MEC的接入受到終端設備的影響,提出基于NEV算法的邊緣平臺,在此平臺中,需要將核心網(wǎng)的配置傾向于網(wǎng)絡GDP服務器,即將網(wǎng)絡通信傳輸直接跳過服務器端工作內(nèi)容,使用GTP程序進行邊緣計算過程的拆解,通過此種方式,便可以有效地避免通信網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)包的增加導致接入故障發(fā)生概率提高的問題。綜合上述分析,在進行邊緣計算的有效接入時,應當考慮到通信網(wǎng)絡光纖傳輸?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,進行傳輸信息的擬合接入。此過程中,光纖通信網(wǎng)絡的歸一化頻率參數(shù)可以通過下述公式計算。(1)公式(1)中:v表示為光纖通信網(wǎng)絡的歸一化傳輸頻率參數(shù);表示為通信網(wǎng)絡邊緣端接入波長;0表示為通信網(wǎng)絡終端接入波長;n1表示為光纖通信折射率;n2表示為光纖包層折射率。在完成對上述公式的計算后,選擇與通信網(wǎng)絡的歸一化傳輸頻率相同的接入頻率,以此種方式實現(xiàn)對邊緣計算的接入。

1.2設計RAN基站數(shù)據(jù)協(xié)議處理流程

在完成對邊緣計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,要實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡的有效融合,需要結(jié)合網(wǎng)絡的實際需求,對RAN基站數(shù)據(jù)協(xié)議處理流程進行規(guī)范化設計。在此過程中,應先區(qū)分網(wǎng)絡業(yè)務協(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)實現(xiàn)流量的調(diào)控[4]。從邊緣計算接入的分布式特點層面分析,可將MEC定義為一個具有多種服務功能的單元,每一個單元均是一個獨立的AF(防火墻),AF與網(wǎng)絡中IP地址具有一一對應的關(guān)系。因此,在處理協(xié)議的過程中,調(diào)用IP地址對應的應用二元組端口號,便可以實現(xiàn)對用戶端需求流量的分配。綜合上述分析,在通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)中,RAN基站與核心通信網(wǎng)絡之間,通過存儲協(xié)議對數(shù)據(jù)進行封裝,因此可將GTP數(shù)據(jù)包作為架構(gòu)應用層中的數(shù)據(jù),在數(shù)據(jù)包中為其增加IP地址與UPD(均勻概率設計)接口,使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息在網(wǎng)絡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)也不需要實時掌握應用層的信息內(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地址進行數(shù)據(jù)交互即可。此時,終端的移動協(xié)議將根據(jù)網(wǎng)關(guān)內(nèi)容,進行P-GW(PDN網(wǎng)關(guān))信息的解封,而多接入邊緣的網(wǎng)絡需要根據(jù)用戶數(shù)據(jù)內(nèi)容,進行信息的調(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,可以實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡中傳輸數(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,相關(guān)協(xié)議也僅針對MEC業(yè)務進行判別。在此過程中,MEC業(yè)務協(xié)議可能位于RAN基站,也可能處于核心網(wǎng)位置,當協(xié)議處于前者位置時,協(xié)議可直接從通信前端進行數(shù)據(jù)包的識別,當識別到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包與實際需求不匹配時,便直接將其攔截在前端。當協(xié)議處于后者位置時,協(xié)議需要調(diào)用RAN基站中數(shù)據(jù)容器的IP地址[6]。此時數(shù)據(jù)包不經(jīng)過通信網(wǎng)絡傳輸,而是通過集成網(wǎng)絡傳輸,但此過程中,數(shù)據(jù)IP地址在網(wǎng)絡中的傳輸可能存在時延,因此可以認為,前者協(xié)議處理后的通信網(wǎng)絡安全性,高于后者協(xié)議處理后的通信網(wǎng)絡安全性。

1.3基于DNS解析算法的通信網(wǎng)絡任務調(diào)度

為確保通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)在完成設計后,具有任務調(diào)度與大批量數(shù)據(jù)包處理能力,引進DNS(域名系統(tǒng))解析算法,對任務調(diào)度過程進行設計。在此過程中,應當明確DNS算法在MEC業(yè)務中,進行數(shù)據(jù)行為請求是通過不同IP地址實現(xiàn)的,因此,在調(diào)用此算法的過程中,可將DNS作為一個默認的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)。而在實際應用此算法時,需要在終端配置或預設一個對應融合通信網(wǎng)絡的專用域名地址,當接收端檢索到專用域名向其發(fā)出的數(shù)據(jù)包的解析請求時,需要將注冊的RAN數(shù)據(jù)基站進行地址識別,并同時在智能終端登記當前平臺運行狀態(tài),通過此種方式,實現(xiàn)對多接入邊緣計算的更新。在本文的研究中,使用Dnsmasq作為通信網(wǎng)絡任務調(diào)度處理器,并通過配置查詢機制的方式,實現(xiàn)對任務的分配。但Dnsmasq輪訓機制只能將多個終端服務器IP映射到一個相同的主機域名,無法實現(xiàn)將數(shù)據(jù)按照需求,分配到不同域名地址[7],為了達到此目的,需要根據(jù)條件,進行調(diào)度機制的任務設計,在此過程中,可設定一個任務調(diào)度機制,定義一個URL(統(tǒng)一資源定位系統(tǒng))解析數(shù)量k,將其與網(wǎng)絡信息服務節(jié)點進行對接,并認為任務量k對應的DNS解析數(shù)目為k,此時可輸出k對應的計算公式。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)絡中節(jié)點k所需要的平均傳輸時延;Rk表示為傳輸信息從前端到通信網(wǎng)絡中節(jié)點k的傳輸效率,計算單位為bit/s;fk表示為終端操作設備中CPU的運行頻率;k表示為CPU對應的核數(shù);k表示為終端對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)絡任務時,需要采用遞歸或迭代的方式,直接從服務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施浪費調(diào)度任務時間,需要對指定的域名進行算法配置,確保一次請求便可以實現(xiàn)對任務的查詢。

1.4調(diào)控網(wǎng)絡融合通信流量

調(diào)控網(wǎng)絡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,而為實現(xiàn)流量的調(diào)控,需要限定IP進行流量融合的分流處理[8]。下述表1描述網(wǎng)絡融合通信流量的調(diào)控實例。在完成對網(wǎng)絡融合通信流量的調(diào)控路由的描述后,在有線通信網(wǎng)絡側(cè)與無線通信網(wǎng)絡側(cè),進行不同的IP地址處理,并使用核心網(wǎng)協(xié)議進行流量處理,假定在此過程中目標IP地址對應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,處理器根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)現(xiàn)有的內(nèi)容,選定對應的IP傳輸路由,并根據(jù)現(xiàn)有路由的封裝的方式,進行流量的調(diào)度處理,以此種方式,實現(xiàn)對網(wǎng)絡融合通信流量的調(diào)控,完成對基于多接入邊緣計算的通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)功能的設計。

2實驗論證分析

2.1實驗準備

在完成對基于多接入邊緣計算的通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)的理論設計后,采用設計對比實驗的方式,對設計的架構(gòu)功能與組件合理性進行檢驗。在實驗過程中,需要對MEC網(wǎng)元設備的使用進行規(guī)劃與部署,具體內(nèi)容如表2所示。在完成對比實驗中MEC網(wǎng)元設備使用環(huán)境的部署后,選擇兩個供應商與型號相同的服務器,作為支撐通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)的核心設備,其中CPU選擇性能相對較優(yōu)的阿里云主機單元,在對兩臺設備進行配置時,為體現(xiàn)本文實驗的有效性,實驗過程中限制每個容器最多只能夠使用一個特定的CPU,以此避免后續(xù)得出的實驗結(jié)果受到處理時延不同的影響。同時,對于本文實驗中的網(wǎng)絡環(huán)境,本文統(tǒng)一采用5G軟基站作為實驗網(wǎng)絡環(huán)境,并利用單天線實現(xiàn)對各類通信數(shù)據(jù)的傳輸。為保證得出的實驗結(jié)果具有可比性,選擇將本文提出的基于多接入邊緣計算的通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)與傳統(tǒng)基于信息大數(shù)據(jù)的融合架構(gòu)進行對比,并將通信網(wǎng)絡融合過程中的單請求傳輸量作為實驗評價指標。分別向上述文中建立的通信網(wǎng)絡部署三種不同場景,分別為暴力破解8位MD5加密(場景I)、數(shù)據(jù)塊解壓縮(場景II)和圖片加噪聲模糊化(場景III)。在該通信網(wǎng)絡當中,利用兩種融合方式實現(xiàn)單請求傳輸,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實驗結(jié)果分析

結(jié)合上述實驗準備內(nèi)容,完成對比實驗,并將得出的實驗結(jié)果繪制成表3所示。從表3得出的實驗結(jié)果可以看出,本文融合架構(gòu)下單請求傳輸量均可達到150Mb以上,而傳統(tǒng)融合架構(gòu)下,單請求傳輸量在五個不同部署場景當中都沒有出現(xiàn)超過150Mb的結(jié)果,并且在場景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)絡融合受到嚴重的阻礙,造成不超過50Mb的單請求傳輸量傳輸。因此,通過對比實驗證明,本文提出的基于多接入邊緣計算的通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)設計方法能夠?qū)崿F(xiàn)對通信網(wǎng)絡融合效果的進一步提升,以此減少在通信網(wǎng)絡融合過程中出現(xiàn)不必要的延時問題,確保通信數(shù)據(jù)的傳輸效率。

3結(jié)語

當前通信網(wǎng)絡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)合多接入邊緣計算的方式,實現(xiàn)對現(xiàn)有通信網(wǎng)路融合架構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新,同時通過對比實驗的方式證明本文融合架構(gòu)設計方案的應用優(yōu)勢。在后續(xù)的研究中為進一步介紹融合過程中用戶請求的響應時間,本文還將根據(jù)不同通信業(yè)務的特性,對MEC節(jié)點進行合理分配,從而進一步擴大通信網(wǎng)絡融合架構(gòu)的應用范圍。

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

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