北京郵電大學(xué)張興，石浩洋

1　目標(biāo)和概述

星地融合信息網(wǎng)絡(luò)作為未來互聯(lián)網(wǎng)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，融合了地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了太空、航空、陸地、海洋等自然空間，保障了天基、陸基、海基等各類用戶活動的信息需求，受到了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。隨著語音識別、人臉識別、智能交通和3D游戲等各種計算密集型應(yīng)用及時延敏感型應(yīng)用的快速發(fā)展，星地融合網(wǎng)絡(luò)需要為用戶提供各種各樣的計算服務(wù)。在這種情況下，人們可以通過計算卸載的方式將用戶終端的部分或全部計算任務(wù)卸載到數(shù)據(jù)中心，利用數(shù)據(jù)中心的計算資源來完成這些任務(wù)。但是，數(shù)據(jù)中心通常建在距離用戶終端很遠的地面區(qū)域。這將導(dǎo)致高傳輸成本和服務(wù)時延，可能無法滿足網(wǎng)絡(luò)中各類用戶對服務(wù)質(zhì)量的不同需求，如高數(shù)據(jù)速率、低時延通信和低處理能耗等。

圖1 星地融合信息網(wǎng)絡(luò)場景圖

本方案在星地融合信息網(wǎng)絡(luò)中引入了多級邊緣智能計算技術(shù)，如圖2所示，其核心思想是將云計算平臺擴展到不同級別的網(wǎng)絡(luò)邊緣甚至用戶終端本身，為用戶提供多層次、異構(gòu)的計算資源，使用戶能夠在全球任何位置就近獲得計算服務(wù)，能快速響應(yīng)用戶的計算處理請求，提升用戶的服務(wù)體驗，減少網(wǎng)絡(luò)的冗余流量，并且從運營商角度則主要可以進一步降低核心網(wǎng)流量、提高網(wǎng)絡(luò)的可伸縮性和安全性。

圖2 多級邊緣計算示意圖

本方案創(chuàng)新性分析如下：

實時QoS保障：通過邊緣計算，用戶的計算需求可以按需、按QoS等級直接在不同級別的邊緣服務(wù)器得到處理而不需要傳輸?shù)竭h程云服務(wù)器，從而大大降低了任務(wù)的處理時延，提高了用戶的體驗質(zhì)量。

能耗優(yōu)化：與云服務(wù)器相比，將任務(wù)按需卸載到多級邊緣服務(wù)器可以有效地降低設(shè)備終端的能耗。

核心網(wǎng)流量調(diào)度優(yōu)化：業(yè)務(wù)能夠在星地融合網(wǎng)絡(luò)的多級邊緣被滿足，大大減輕了核心網(wǎng)絡(luò)的負擔(dān)，并且優(yōu)化了帶寬利用率。網(wǎng)絡(luò)的這種轉(zhuǎn)變防止了邊緣數(shù)十億設(shè)備消耗核心網(wǎng)絡(luò)的有限帶寬，因此，核心網(wǎng)絡(luò)所負責(zé)的業(yè)務(wù)在規(guī)模上變得可管理，并且簡化了操作。

可伸縮性：在多級邊緣服務(wù)器上以容器或虛擬機的形式分發(fā)服務(wù)和應(yīng)用程序并進行復(fù)制。此外，通過多級邊緣計算可以對星地融合網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)進行多次不同等級的預(yù)處理，從而極大地降低了轉(zhuǎn)發(fā)給云服務(wù)器的流量，減輕了云的可伸縮性負擔(dān)，極大地提高了整個系統(tǒng)的可伸縮性。

安全性和可靠性：分布式的多級邊緣計算將在不同的數(shù)據(jù)中心和設(shè)備之間分配數(shù)據(jù)處理工作。因此，攻擊者無法通過攻擊一臺設(shè)備來影響整個網(wǎng)絡(luò)。邊緣計算服務(wù)器部署在更靠近用戶的位置，網(wǎng)絡(luò)中斷的可能性也大大降低了。

2　方案介紹

在星地融合信息網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)合現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及智慧城市等場景，往往涉及海量的前端嵌入式設(shè)備，并且采用的計算架構(gòu)不同。本方案通過多級邊緣算力網(wǎng)絡(luò)將整個云、邊、端的計算資源協(xié)同起來，并采用分級、多集群的方式統(tǒng)一管理。在多級邊緣或遠端設(shè)備上的計算資源通過云原生Kubernetes、輕量級KubeEdgeI-Paas和A-PaaS等進行計算資源和應(yīng)用能力的管理。

輕量級的容器調(diào)度平臺，一方面，適配于開放式嵌入式邊緣計算集群；另一方面，實現(xiàn)了多級邊緣計算集群的統(tǒng)一調(diào)度和動態(tài)擴縮容的資源協(xié)同。本項目通過采用“Kubernetes+KubeEdge”的分級云原生容器資源調(diào)度方案，實現(xiàn)多級邊緣節(jié)點集群和邊緣前端嵌入式設(shè)備的分級資源納管和協(xié)同。如圖3所示，本方案采用分級聯(lián)動的架構(gòu)來實現(xiàn)統(tǒng)一的邊緣側(cè)資源調(diào)度管理，即邊緣計算節(jié)點采用傳統(tǒng)Kubernetes云原生實現(xiàn)邊緣計算節(jié)點側(cè)的資源納管，而前端嵌入式終端集群采用更加輕量級的KubeEdge云原生集群實現(xiàn)資源管理。

圖3 分級邊緣系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

按照現(xiàn)有電信運營商在邊緣側(cè)的基礎(chǔ)設(shè)施部署情況，邊緣計算節(jié)點主要是部署在邊緣機房或客戶自己數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的通用型服務(wù)器，這部分計算節(jié)點的硬件性能相對較高，同時可以支持GPU、FPGA等多種加速硬件資源。因此，可以相對集中部署完整的Kubernetes集群，甚至可以部署輕量級的OpenStack云計算集群，用于邊緣數(shù)據(jù)中心的計算資源管理，而前端設(shè)備則主要連接海量的嵌入式設(shè)備，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制以及用戶交互訪問等功能。

設(shè)備的實際部署情況如圖4所示。空間段由高低軌衛(wèi)星鏈路作為遠程設(shè)備間的通信鏈路；地面段由衛(wèi)星天線、地面站、核心網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算節(jié)點組成，其中關(guān)鍵計算節(jié)點可配置多種不同類型的算力能力，例如針對輕量級應(yīng)用可以配置4核i7CPU、32G內(nèi)存、Linux操作系統(tǒng)；用戶段包含各種終端如手機等。具有核心網(wǎng)和基站功能的邊緣節(jié)點可為本地用戶提供5G通信服務(wù)以及部署的相關(guān)應(yīng)用服務(wù)，并可以通過高低軌鏈路訪問遠程互聯(lián)網(wǎng)。

圖4 設(shè)備實際部署場景圖

本方案通過云原生統(tǒng)一編排調(diào)度平臺實現(xiàn)底層資源的調(diào)度及上層服務(wù)編排。基于云原生的服務(wù)編排層架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于云原生的服務(wù)編排層架構(gòu)圖

（1）資源調(diào)度管理層：采用通用的Kubernetes、KubeEdge方式對算力網(wǎng)絡(luò)的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源進行統(tǒng)一管理。

（2）編排調(diào)度能力層：根據(jù)大數(shù)據(jù)計算能力、深度學(xué)習(xí)能力、網(wǎng)絡(luò)控制能力的不同需求，分場景地有序構(gòu)建中臺能力。

（3）服務(wù)能力開放層：面向服務(wù)使用方和開發(fā)者提供不同的入口。其中在應(yīng)用商店提供算力網(wǎng)絡(luò)服務(wù)目錄，可以實現(xiàn)算力網(wǎng)絡(luò)能力一鍵部署，而在DevOps入口提供函數(shù)服務(wù)功能，可以進一步滿足開發(fā)者結(jié)合中臺能力根據(jù)業(yè)務(wù)場景進行開發(fā)和創(chuàng)新的需求。

同時本方案開發(fā)了面向星地融合信息網(wǎng)絡(luò)多級邊緣設(shè)備的管控平臺，其前端界面如圖6所示。

圖6 前端界面

管控平臺中的主要監(jiān)測功能包括：節(jié)點的地理信息、已安裝的應(yīng)用、微服務(wù)資源用量、節(jié)點的資源信息、物理資源監(jiān)控、服務(wù)組件監(jiān)控、日志查詢與收集等。除此之外，其可根據(jù)實際業(yè)務(wù)需求快捷地在各個邊緣節(jié)點上傳、下發(fā)、部署不同的微服務(wù)或者應(yīng)用。

3　代表性及推廣價值

此方案主要應(yīng)用于星地融合信息網(wǎng)絡(luò)，意味著將衛(wèi)星通信、地面網(wǎng)絡(luò)和邊緣計算等多種技術(shù)融合，這種創(chuàng)新可以為未來6G通信帶來啟發(fā)與借鑒，也為各種應(yīng)用提供了更廣闊的可能性。多級邊緣設(shè)備允許在接近數(shù)據(jù)源的地方進行數(shù)據(jù)處理和分析，節(jié)省了通信資源，提高了計算效率，保障了數(shù)據(jù)安全。這對于需要不同等級的實時反饋和決策支持的應(yīng)用非常重要，例如物聯(lián)網(wǎng)、智能城市、自動駕駛汽車和工業(yè)自動化。

這一方案提供了廣泛的商業(yè)機會，包括衛(wèi)星通信設(shè)備制造、邊緣計算技術(shù)開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)和服務(wù)提供等方面，有助于激發(fā)創(chuàng)新，促進產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，為經(jīng)濟增長和就業(yè)創(chuàng)造機會。推廣這一方案需要各個領(lǐng)域的合作和生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)，涉及衛(wèi)星運營商、通信服務(wù)提供商、設(shè)備制造商、應(yīng)用開發(fā)者和政府監(jiān)管部門等多個利益相關(guān)者，這將有助于構(gòu)建一個健康、可持續(xù)的信息通信生態(tài)系統(tǒng)。

摘自《自動化博覽》2024年第二期暨《邊緣計算2024專輯》