0 引言

    科學技術的進步需要技術和商業(yè)需求的雙輪驅動。在過去的4年多時間里,，國內運營商以SDN/NFV/AI技術為代表持續(xù)推進網(wǎng)絡重構轉型,。但是隨著改革的深入,，缺乏明確業(yè)務需求支撐開始讓決策者變得猶豫和觀望^[1-2]。以5G和邊緣計算為代表的多種新型業(yè)務的出現(xiàn)正好補足了雙輪驅動中的商業(yè)需求,。但是其對網(wǎng)絡和管理的較高要求也同樣為相關業(yè)務的部署落地蒙了一層陰影,。

    以SDN/NFV技術為代表的網(wǎng)絡云化過程中，網(wǎng)絡的控制器,、業(yè)務的編排器以及云資源的管理器都在向集約控制的邏輯上演進,。隨著典型邊緣計算業(yè)務對低時延、大帶寬以及業(yè)務內容本地化等要求的不斷具體化,，為這些業(yè)務服務的網(wǎng)絡,、業(yè)務網(wǎng)關以及云資源都需要逐步從核心集約的部署原則向核心集約、邊緣按需,、云邊協(xié)同的部署原則,，在核心DC和邊緣DC上邊緣計算業(yè)務所需的各類資源的模式轉變。在此原則下,，對網(wǎng)絡,、業(yè)務網(wǎng)關以及云資源的管理提出了更高的要求。因此需要重新去考慮在邊緣DC(多級)和核心DC如何部署SDN/NFV/MEC相關的管理組件,。本文因為篇幅問題,，在接下來的篇幅中主要討論NFV與MEC的管理組件之間的交互與協(xié)同。

    邊緣技術的管理組件(MEAO,、MEPM)的定位是有效管理邊緣計算業(yè)務能力平臺(Mutil-Access Edge Computing Platform,，MEP)上的各種支撐邊緣計算業(yè)務(Multi-Access Edge Application，ME-App)的原子化能力以及在邊緣計算業(yè)務能力平臺上部署各類邊緣計算的業(yè)務,。邊緣計算業(yè)務中更多的是面向企業(yè)場景的業(yè)務,，不同于運營網(wǎng)面向大眾消費者業(yè)務的建設模式，這些業(yè)務按需部署在靠近企業(yè)的邊緣計算節(jié)點上,。雖然很多觀點認為邊緣計算業(yè)務不一定需要部署在邊緣云基礎設施上,，但是運營商多接入網(wǎng)絡的業(yè)務網(wǎng)關需要下沉到相應的邊緣計算節(jié)點上。根據(jù)全球運營商的網(wǎng)絡重構戰(zhàn)略,，運營商的多接入網(wǎng)關為了降低成本和提高對多種新型業(yè)務的靈活支撐能力,，需要進行虛擬化或云化的重構然后部署在電信級云平臺上，例如從CPE到vCPE,、從BRAS到vBRAS,，同時5G的接入網(wǎng)關UPF大多也是基于虛擬機來部署的?？偨Y起來,，為了滿足邊緣計算低時延、大帶寬和低成本的業(yè)務需求，運營商提供的邊緣計算方案必須包括多種接入網(wǎng)絡和網(wǎng)關以及MEP,。這就決定了對邊緣計算業(yè)務的有效管理的前提是虛擬化的多接入網(wǎng)關所需的NFV MANO與邊緣計算業(yè)務所需的管理組件需要深入融合和互通,。

    目前，針對在現(xiàn)有的網(wǎng)絡功能虛擬化環(huán)境,，如何對邊緣計算系統(tǒng)架構進行部署，ETSI給出了兩種方案,。兩種方案的主要差別在于MEC架構與NFV MANO組件的耦合程度不同：低耦合度的部署方案以MEC架構為基礎,，MEC管理體系與NFV管理體系分設，未進行融合,，僅通過MEAO與NFVO之間的接口進行管理層面的協(xié)調^[3],；高耦合度的部署方案根據(jù)文獻[4]中描述，以NFV架構為基礎,，增加MEC組件,，使在NFV上可以承載MEC業(yè)務。該方案的原則是將已有的NFV架構網(wǎng)元部分盡可能地重用,，增加新的接口并適當調整MEC組件,，使得兩者能夠更高效地進行管理。

    本研究的主要貢獻包括：介紹現(xiàn)有EIST標準中的NFV和MEC研究進展和系統(tǒng)框架,；對當前基于NFV MANO的邊緣計算部署方案的架構體系進行介紹,；歸納各融合部署方案的NFV MEC組件部署以及組件之間的交互方式；分析各部署方案中由于系統(tǒng)交互融合帶來的各種問題,；根據(jù)多種部署方案中存在的問題,，基于人工智能的算法和模型提出智能化的MEC與NFV管理面的高效協(xié)同編排方法與設計。

1 相關研究

    NFV經(jīng)過長時間的發(fā)展,，目前已經(jīng)發(fā)展部署比較完善,。MEC則是近幾年新發(fā)展起來的技術。如果大范圍部署MEC設備,，則是一項耗時耗力的方案,，所以，在現(xiàn)有NFV設備的基礎上部署MEC設備,，對于運營商或廠商來說都是一種更可取的辦法,。且NFV技術專注于將軟件硬件解耦，使網(wǎng)絡設備不再依賴于專用硬件,，資源可以靈活共享,，實現(xiàn)業(yè)務的快速開發(fā)和部署^[5]。隨著5G商業(yè)化的普及,，越來越多的新型業(yè)務也在快速發(fā)展,，對傳統(tǒng)業(yè)務也提出了更高的要求。將現(xiàn)有NFV技術與新興MEC技術相互融合,，共同發(fā)揮各自的優(yōu)勢已經(jīng)迫在眉睫,。

1.1 NFV系統(tǒng)框架

    ETSI NFV組在2014年12月發(fā)布標準ETSI GS NFV 002^[6],，該標準主要介紹了NFV參考體系結構框架。NFV實現(xiàn)了底層物理設備,，虛擬化操作系統(tǒng)和虛擬化網(wǎng)元功能單元的解耦,，NFV引入NFV管理與編排(NFV Management and Orchestration，MANO),，MANO主要包括NFV編排器(NFV Orchestrator,，NFVO)、VNFM(VNF Manager)以及虛擬資源管理(Virtualised Infrastructure Manager,，VIM)3個功能實體,。其中，NFVO是MANO框架中的控制中心,，負責NFV基礎設施和軟件資源的協(xié)調和管理,；VNFM負責VNF生命周期管理，例如VNF的實例化,、更新,、查詢、縮放,、終止,；VIM在NFV架構中主要用于實現(xiàn)對虛擬化基礎設施的管理。MANO提供了可控,、可管,、可運維的服務交付環(huán)境，有利于基礎資源的調度,，以及網(wǎng)絡服務的高效管理和彈性調度,。

1.2 MEC系統(tǒng)框架

    ETSI MEC組在2016年2月發(fā)布標準003^[3]，該標準主要介紹了MEC框架和參考架構,。MEC 架構中主要的管理組件包括移動邊緣編排(Mobile Edge Orchestrator,，MEO)、移動邊緣平臺管理(Mobile Edge Platform Manager,，MEPM)以及虛擬基礎設施管理器(VIM),。其中，MEO是MEC系統(tǒng)級管理的核心功能實體,，主要負責維護MEC框架的整體視圖,，提供邊緣計算應用程序的實例化、檢查,、記錄,、終止以及重定位；MEPM用于邊緣計算應用程序的生命周期管理，為MEP提供管理功能,，接收VIM的虛擬化資源性能報告,；VIM在MEC架構中主要負責管理虛擬化基礎設施的虛擬化資源。

1.3 MEC in NFV系統(tǒng)框架

    ETSI MEC組在2018年2月發(fā)布標準ETSI GR MEC 017^[4],，該標準主要介紹了在NFV架構中承載MEC架構的方法,。該文獻指出，假設移動邊緣平臺部署為虛擬網(wǎng)絡功能（Virtualised Network Function,，VNF）,，虛擬化資源由VIM管理，ME應用程序在NFV MANO組件中被看作VNFs,，則在NFV環(huán)境中部署MEC架構后，原MEC的MEPM更新為移動邊緣平臺管理-NFV（Mobile Edge Platform Manager-NFV,，MEPM-V）,，原MEPM管理應用程序生命周期，更新后的MEPM-V不再承載此功能,，而是將此功能委托給VNFM,；MEO轉換為更適應此架構的MEAO，使用NFVO進行資源編排,，并將ME應用VNFS集作為一個或多個NFV網(wǎng)絡服務進行編排,。MEPM-V將充當ME平臺VNF的元素管理器。MEC和NFV由運營支持系統(tǒng)（Operations Support System,，OSS）統(tǒng)一管理,。該方案可以將NFV和MEC進行深度融合，但是在實際部署過程中仍存在一些問題有待解決,。

2 關鍵技術

    目前在現(xiàn)有的網(wǎng)絡功能虛擬化架構中,，部署邊緣計算的建議方案根據(jù)NFV MANO管理框架與MEC系統(tǒng)框架的耦合程度，分為兩種部署方案：其一是低耦合度的基于NFV MANO管理框架的MEC架構,，MEC管理體系與NFV管理體系分設,，兩個管理系統(tǒng)之間不做融合，僅涉及MEO與NFVO組件之間交互,；其二是高耦合度的基于NFV框架的MEC部署方案,，該方案中MEC管理體系與NFV管理體系深度融合，將MEC的功能分解,，業(yè)務配置部分由MEC管理體系完成,，資源管理部分由NFV體系完成。以下將從部署方案的框架及組件交互方式,、部署方案的特點,、方案在實際部署時的適用場景三方面對兩種方案進行對比分析。

2.1 部署方案的框架及組件交互方式對比

    高、低耦合的都是以MEC架構和NFV架構為基礎,。由于MEC架構與NFV架構整體框架有一定的相似性,，因此只需分析NFV與MEC交互部分的組件和管理方式。

2.1.1 低耦合方案

    首先分析低耦合的基于NFV MANO的邊緣計算部署方案,，如圖1所示,。MEC部分主要由MEO、MEPM,、VIM,、MEP(MEC平臺)、MECAPP(MEC應用)以及虛擬化基礎設施組成,。其中,，虛擬化基礎設施可以為MEC應用提供計算、存儲,、網(wǎng)絡等資源,，并具有數(shù)據(jù)面功能，用于執(zhí)行來自MEP的流量規(guī)則,，MEC應用是運行在虛擬化基礎設施上的應用實例,；MEP提供MEC應用程序和MEC服務，并從MEPM應用上接收流量規(guī)則等,，并指示相應的數(shù)據(jù)平面^[3],。NFV MANO框架包括3個主要的功能實體：NFVO、VNFM和VIM,。

    在低耦合的基于NFV MANO的邊緣計算部署方案中,，MEC管理體系與NFV管理體系分立，使用統(tǒng)一VIM創(chuàng)建所需的MAC APP和VNF,，分別由MEO和NFVO進行管理,，兩個管理系統(tǒng)之間不做融合，僅通過MEO和NFVO之間的接口管理網(wǎng)絡切片（Network Slice,，NS）,，協(xié)調多個MEC APP和VNF。

    在低耦合的基于NFV MANO的邊緣計算部署方案中,，MEC管理體系和NFV管理體系是根據(jù)所管理的業(yè)務類型進行劃分的,，即MEC管理體系負責邊緣應用的資源管理和業(yè)務管理，NFV管理體系負責虛擬網(wǎng)元的資源管理和業(yè)務配置,。在這種模式下,，兩套管理體系在功能上具有一定的重復性，尤其是虛擬機形式部署的邊緣應用,，它們對VIM的需求和調用與虛擬網(wǎng)元并無本質區(qū)別,。但是由于邊緣應用和虛擬網(wǎng)元的供應商不同,、標準尚未融合等原因，這種低耦合的部署方式可以實現(xiàn)MEC體系的快速部署上線,，以管理和維護的成本換取部署時的復雜度,。在實際的邊緣應用部署中，先由NFV管體系準備好虛擬網(wǎng)元,，之后再由MEC管理體系進行邊緣應用的創(chuàng)建和配置,，具體交互流程如下：

    (1)MEO向NFVO發(fā)出請求，查詢虛擬網(wǎng)元(UPF,、vCPE等)是否準備就緒,；

    (2)如果NFVO事先已部署虛擬網(wǎng)元，則監(jiān)測虛擬網(wǎng)元運行狀態(tài)是否正常,；

    (3)如果NFVO事先沒有部署虛擬網(wǎng)元,，則觸發(fā)創(chuàng)建網(wǎng)元條件，通過MEO向NFVO發(fā)送具體虛擬網(wǎng)元參數(shù),，進行虛擬網(wǎng)元部署,；

    (4)虛擬網(wǎng)元部署完成后，NFVO向MEO發(fā)送通知,，并傳遞網(wǎng)元相關參數(shù),；

    (5)MEO發(fā)起ME APP部署流程,，將業(yè)務請求和虛擬網(wǎng)元信息發(fā)送給MEPM進行處理,；

    (6)MEPM進行ME APP資源創(chuàng)建和業(yè)務配置，生成虛擬網(wǎng)元路由規(guī)則,；

    (7)ME APP創(chuàng)建完成后,，MEPM下發(fā)路由規(guī)則，通知MEO部署完成,，進行業(yè)務上線,。

2.1.2 高耦合方案

    高耦合的基于NFV MANO的邊緣計算部署方案，即在NFV中部署MEC框架,，如圖2所示,。

    在高耦合的基于NFV MANO的邊緣計算部署方案中，MEC管理體系和NFV管理體系根據(jù)系統(tǒng)功能進行了融合,，即MEC管理體系負責邊緣應用的業(yè)務配置,，NFV管理體系負責虛擬網(wǎng)元、MEP以及MEC APP的資源管理,。由于MEC中的資源管理與NFV中的資源管理類似,，在VIM上增強對容器的納管和編排就能基本滿足MEC資源管理的需求，因此這種部署方式可以充分利用NFV的現(xiàn)有系統(tǒng)功能,。從圖2中分析,，這種部署方式減少了縱向系統(tǒng)的對接,，即編排層可以使用統(tǒng)一的NFVO和MEAO融合系統(tǒng)，資源管理層復用原NFV系統(tǒng)中的接口,，增加對容器資源的管理功能,；相對地，這種部署方式增加了橫向系統(tǒng)交互的復雜性,，邊緣應用的部署被拆分成資源部署和業(yè)務配置兩部分,，在實際的邊緣應用部署中，每一步都需要兩套管理體系協(xié)同進行,，具體交互流程如下：

    (1)MEAO向NFVO發(fā)出請求,，查詢虛擬網(wǎng)元(UPF、vCPE等)和MEP是否準備就緒,；

    (2)如果NFVO事先已部署虛擬網(wǎng)元和MEP,，則監(jiān)測虛擬網(wǎng)元和MEP運行狀態(tài)是否正常；

    (3)如果NFVO事先沒有部署虛擬網(wǎng)元和MEP,，則觸發(fā)創(chuàng)建網(wǎng)元條件,，通過MEAO向NFVO發(fā)送具體參數(shù)，進行虛擬網(wǎng)元和MEP的部署,；

    (4)虛擬網(wǎng)元和MEP部署完成后,，由NFVO向MEAO發(fā)送通知，并傳遞虛擬網(wǎng)元和MEP相關參數(shù),，MEAO通知MEPM-V對MEP平臺進行納管,；

    (5)MEO發(fā)起ME APP部署流程，向NFVO發(fā)送業(yè)務資源需求,，由NFVO進行ME APP資源創(chuàng)建,；

    (6)NFVO完成ME APP資源創(chuàng)建后，通知MEAO,，并傳遞參數(shù)配置,；

    (7)MEAO將業(yè)務請求、虛擬網(wǎng)元信息,、ME APP資源信息發(fā)送至MEPM-V,，MEPM-V進行ME APP的業(yè)務配置，生成虛擬網(wǎng)元路由規(guī)則,；

    (8)ME APP創(chuàng)建完成后,，MEPM-V下發(fā)路由規(guī)則，通知MEAO部署完成,，進行業(yè)務上線,。

2.2 部署方案現(xiàn)有問題對比

    在低耦合度的基于NFV MANO管理框架的MEC架構中，由于MEC管理體系與NFV管理體系分設,，MEC和NFV的管理組件(即MEO和NFVO)分別對ME APP和VNF進行管理,，兩種管理體系之間沒有深入融合,，僅涉及MEO與NFVO組件之間交互，需要考慮在MEO與NFVO之間如何通過交互接口,，協(xié)調多個MEC APP和VNF,，使其能夠部署在同一虛擬化基礎設施中執(zhí)行而不相互干擾。另外,，由于該方案耦合度低,，導致MEC和NFV管理體系中存在大量冗余，且兩個管理體系相互獨立,，相當于需要對兩個管理系統(tǒng)分別進行維護,，增加了運維難度。

    在高耦合度的基于NFV MANO管理框架的MEC架構中,，由于是在原有的NFV架構中部署MEC組件,，因此，需要根據(jù)NFV的管理體系對MEC管理組件進行一定的更改,，便于NFV管理體系實現(xiàn)對NFV組件和MEC組件的同一管理,。但是該部署方案在實際部署中同樣存在一些問題：(1)在NFV中部署MEC后，MEPM被分成MEC特定部分和負責管理ME app VNF實例生命周期的VNFM,，MEPM-V需要能夠與VNFM通信,，以跟蹤由NFVO發(fā)起的生命周期管理操作， VNFM與MEPM-V組件之間如何通信還有待明確,；(2)在NFV架構中的VNF包中需要攜帶特定的MEC文件,，那么如何在不干擾包內容的情況下，在VNF包中攜帶特定于MEC的文件,，并且MEP和MEAO如何識別這些文件也是有待解決問題之一,；(3)NFV定義了VNFD(Virtualised Network Function Descriptor),，其中的某些部分與MEC定義的MEC AppD(Application Descriptor)相互重合,，這兩者之間的映射在實際部署中同樣有待解決。

2.3 部署方案適用場景對比

    通過前兩節(jié)對高,、低耦合的基于NFV MANO管理框架的邊緣計算部署方案的分析,，進一步明確兩種方案在實際部署時適用的場景。下面針對兩種部署方案的優(yōu)勢和不足進行分析,，并給出兩者在實際部署時的建議,。

    低耦合的基于NFV MANO管理框架的邊緣計算部署方案中，MEC管理體系與NFV管理體系分設,，分別管理MEC APP和虛擬網(wǎng)元(VNF),，兩個系統(tǒng)之間未進行融合，這種方案的優(yōu)勢在于MEC APP部署與NFV體系無關,，不具備NFV能力的MEC APP廠家也可以部署,；另外MEC管理系統(tǒng)與VNF系統(tǒng)交互較少,，便于方案的快速部署上線。但是,，由于兩個管理體系分立,，該部署方案需要功能復雜的MEPM，既能管理業(yè)務配置,，又能對業(yè)務進行生命周期管理,；同時，MEC與NFV管理體系分立,，需要多維護一整套的管理系統(tǒng),，增加了運維管理的難度；此外,，OSS與VIM都需要對接MEC和NFV兩套系統(tǒng),，增加了大量異廠家對接的功能。因此,，該部署方案適用于不具備NFV架構能力的MEC廠家,，僅需要加入NFV MANO組件，就可以實現(xiàn)邊緣計算的部署,，由于兩種框架之間沒有過多的交互,，因此架構中的各組件可以采用不同廠家的產(chǎn)品，實現(xiàn)方案的靈活部署,，如圖3所示,。

    高耦合的基于NFV MANO管理架構的邊緣計算部署方案中，MEC管理體系與NFV管理體系深度融合,，首先,，組件角度進行分析，MEC組件在NFV環(huán)境中部署需要進行一定程度上的重構,，并大量新增重構后MEC管理組件與NFV管理組件之間用于管理的交互接口,，MEC組件重構且引入大量接口會導致部署難度的增加，因此,，出于上述兩點的考慮,，傾向于采用同廠家系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行整體部署,，以避免大量異廠家在對接時工作量大幅增加的問題,，如圖4所示。

3 邊緣計算多種智能化部署

3.1 低耦合的基于SVM深度學習算法的智能邊緣計算部署方案

    對于低耦合度的基于NFV MANO管理架構的邊緣計算部署方案中,，由于MEC管理與NFV管理體系分立,，未進行融合，即MEC管理組件負責邊緣應用的資源管理和業(yè)務管理,，而NFV管理組件負責虛擬網(wǎng)元的資源管理和業(yè)務配置,，這就導致二者對在管理方面復雜度增加,、無法對資源進行統(tǒng)一的規(guī)劃和部署。因此,，在現(xiàn)有整體部署架構下,，采用最優(yōu)化的虛擬化資源調度策略和業(yè)務管理策略，是現(xiàn)階段需要重點解決的問題,。

    具體方案如圖5所示,，MEPM對ME APP需要向VIM、MEC主機分別發(fā)送資源分配和業(yè)務配置信息,，以生成應用路由規(guī)則,、完成業(yè)務上線和管理；VFNM對虛擬網(wǎng)元同樣需要向VIM和MEC主機發(fā)送虛擬網(wǎng)元的資源分配和業(yè)務配置信息,。因此,，為了降低NFV和MEC兩天系統(tǒng)之間協(xié)同工作的復雜度，并且對虛擬資源進行統(tǒng)一規(guī)劃和部署,，提高底層資源的利用率,，可以將兩類資源分配和業(yè)務管理信息進行特征標記，利用支持向量機SVM的深度學習算法,，生成統(tǒng)一的資源分配和業(yè)務配置策略,，最大化利用虛擬基礎設施資源并提高業(yè)務部署效率。

3.2 MEC in NFV架構

    在高耦合度的NFV MANO管理架構的邊緣計算部署方案中,，MEC和NFV在資源管理,、業(yè)務下發(fā)等多個步驟中具有緊密的聯(lián)系，導致MEAO在確定業(yè)務資源規(guī)劃時需要進行復雜的人工設計,，并且與業(yè)務類型和業(yè)務規(guī)模相關,，如人工智能相關的業(yè)務需要提供GPU加速的MEC資源、大流量業(yè)務需要FPGA加速的NFV資源等,。為了解決業(yè)務部署時復雜的資源規(guī)劃問題,，可以引入人工智能的方法讓分配的資源更加符合業(yè)務需求。

    在MEAO中增加智能業(yè)務需求分析模塊,，根據(jù)MEC APP部署所需資源和性能表現(xiàn)的歷史信息,，進行數(shù)據(jù)關聯(lián)和特征提取,，然后利用基于機器學習中的決策樹算法,，對各類業(yè)務所需的虛擬資源進行學習推理，進而生成最優(yōu)的業(yè)務資源匹配策略,，最大化提升邊緣計算業(yè)務的執(zhí)行效率,，提高底層資源的利用率，方案如圖6所示,。

4 結束語

    邊緣計算業(yè)務與運營商從技術上的網(wǎng)絡重構戰(zhàn)略是相輔相成的關系,。邊緣計算業(yè)務的快速興起,，從業(yè)務發(fā)展需求的角度對網(wǎng)絡重構的持續(xù)深耕提供強有力的推動和牽引作用。在邊緣計算業(yè)務規(guī)?；茝V過程中,，如何簡潔高效地在NFV MANO基礎之上來部署邊緣計算方案，并提供更加完善的邊緣計算業(yè)務的端到端管控,，從而加速實現(xiàn)5G網(wǎng)絡的全面云化部署,，是運營商和相關產(chǎn)業(yè)界需要思考的一個重要課題。正如2019年7月初在可信云大會上發(fā)布的云計算與邊緣計算協(xié)同九大應用場景^[7]里描述的那樣,，未來邊緣計算相關產(chǎn)業(yè)界需要在推動邊緣計算業(yè)務部署落地的同時,，體系化地思考邊緣計算和云計算的有效協(xié)同將成為長遠期推動邊緣計算不斷成熟的關鍵所在。

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作者信息:

王旭亮1,，劉增義1,，胡雅婕2，李童瑤2

(1.中國電信股份有限公司研究院,，北京102209,；

2.北京郵電大學 信息與通信工程學院 信息光子學與光通信研究院，北京100035)