3.2　5G 边缘云计算典型架构

5G 叠加边缘计算，将成为IT 基础设施新的发展趋势。在传统的云计算架构中，所有数据处理任务均在核心网中的云数据中心完成，这要求数以亿计的终端设备将它们的数据通过核心网传输至云数据中心。如此庞大的通信量将削弱前端容量，并可能使核心网负担过重，产生网络拥塞，最终将影响用户的QoS 体验。解决这个问题最直观的方法是，将计算和存储资源从云数据中心下沉至网络边缘，由终端产生的数据将在边缘侧得到处理，不需要全部发送到中心云中，进而减少核心网流量的激增。5G 边缘云计算的分层架构如图3-1所示，包括云计算层、边缘层和终端层。

图3-1　5G 边缘云计算的分层架构

终端层包括所有连接到无线接入网中的终端设备，包括传感器等IoT 设备，智能电话、平板电脑等移动终端。这些设备直接与网络进行数据交换，或者这些设备之间进行数据交换。作为所有进入网络的数据源和执行任务的主要执行器，这些设备是底层的设备。

边缘层由终端层与云计算层之间的中间网络设备组成。这一层的第一个数据处理点是直接与核心网相连的射频拉远头和小站，在这里处理数据将大大减少回传的负担。宏站同样作为数据处理点，通过回程链路将处理后的数据发送到核心网中。前传和回传都是通过以太网链路实现的。从射频拉远头到核心网路径上的路由器和交换机等中间设备也是计算与存储任务可以处理的潜在场所。虚拟化技术的进步使得在这些设备上部署应用程序成为可能。每个应用程序都以虚拟机的形式打包，并在适当的设备上运行。

云计算层位于最顶层，云虚拟机作为计算的处理点。理论上无限的可扩展性和云的高端基础设施，使得处理对计算和存储资源有大量需求的应用成为可能，而这些在边缘设备上是无法做到的。

为实现时延的降低，5G 对4G 的核心网和无线接入网进行了重新设计。将核心网进行了下沉，从骨干网下沉到城域网，将无线接入网分为AAU、DU 和CU。AAU 为有源天线单元，包括天线、滤波器、功放、数模转换、数字中频，部署在接入机房的基站位置。DU 为分布单元，负责处理物理层协议和实时协议，一般接近接入机房部署。CU 为集中单元，负责处理非实时协议和服务，可部署在无线/接入机房、普通汇聚机房、重要汇聚机房及核心机房。CU 和DU 既可以分开部署，也可以部署在同一个硬件设备上。

通信时延主要由空口时延、核心网传播时延、核心网转发时延、业务处理时延组成。空口时延为无线接入侧时延，与帧长等因素有关。在5G 标准中对空口时延的要求是1ms。核心网传播时延为数据传输过程中的时延。以光纤传输为例，每千米时延约为5μs。核心网转发时延为设备接收到数据并转发出去的时延，与设备的处理能力有关，涉及差错控制、查找路由表等操作。以光转换设备OTN 和路由器为例，OTN 设备时延大概为100μs，路由器时延大概为1ms。业务处理时延主要取决于服务器的性能及业务涉及的数据量，与具体业务相关。

下面以图3-1中的用户甲为例说明5G 网络对时延的优化。假设云数据中心与用户甲和用户乙的位置相距均为300km，数据从用户甲和用户乙所处位置发送到云数据中心需要经过6个OTN 设备及两跳路由器的转发，边缘云平台部署在核心网边缘机房中。用户甲发起的通信分为三种业务场景：（S1）用户甲的业务需要由位于云数据中心处的服务器进行处理；（S2）用户甲的业务需要由边缘云平台处理；（S3）用户甲与用户乙通过云数据中心进行数据交换。由于业务处理时延与具体业务相关，在分析网络时延时暂不考虑。各业务场景下的网络时延状况如表3-1所示。

表3-1　各业务场景下的时延状况

在第一种业务场景（S1）下，用户甲的业务需要由位于云数据中心处的服务器进行处理。对于实时性要求不高的业务，像传统网络一样，将数据传输至云数据中心进行处理。用户甲在无线接入网处的空口时延包括用户甲在AAU、DU、CU 之间的信令处理时延及传输时延。假定已满足5G 网络空口时延要求，为1ms，从用户甲传输至云数据中心的核心网距离为300km，传播介质为光纤，每千米时延约为5μs，则核心网传播时延约为1.5ms。经过6个OTN 设备的总时延为0.6ms，经过2个路由器的总时延为2ms，则总的单向时延为5.1ms。在4G 网络下，无线接入网的时延大约为10ms。在这种情况下，5G网络的时延优势主要在无线接入网处得到体现。此时与4G 网络相比，用户甲主要在无线接入网处降低了时延，至少能够降低约9ms。

在第二种业务场景（S2）下，用户甲的业务需要由边缘云平台处理。边缘计算的引入，将计算、存储资源部署在网络边缘。与传统将所有数据均上传至云数据中心进行处理相比，边缘计算的引入使得用户甲的数据无须进入核心网，减少了从无线接入网到核心网的路由跳数，以及从核心网到云数据中心的路由跳数，进而实现了整体传递时延的下降。在这种情况下，去除具体的业务处理时延，主要时延为无线接入网的空口时延，即1ms。与使用4G 网络相比，至少能够减少约9ms 的无线接入网时延以及约4ms 的核心网时延，总计可减少约13ms 的时延。因此，边缘计算的引入实现了计算资源的下沉，在网络边缘即实现了数据的处理，无须将数据传输至云数据中心，进而降低了整体的传输时延。

在第三种业务场景（S3）下，用户甲与用户乙涉及同一业务的数据交互，服务器位于云数据中心处。此时用户甲与用户乙的通信时延同样主要由空口时延、核心网传播时延、核心网转发时延、业务处理时延组成。在无线接入网处的时延，包括用户甲和用户乙在无线接入网处的时延，为2ms。核心网传播时延为用户甲和用户乙从无线接入网到核心网的时延，以及从核心网到云数据中心的时延，为8.2ms。此时，用户甲与用户乙的通信时间为10.2ms。与4G 网络相比，5G 网络主要为无线接入网处时延的降低，至少能够降低约18ms。同时，结合网络切片技术，对于时延敏感数据，5G 网络将构建低时延传输路径，可进一步降低时延。

除了降低链路时延，边缘云还具备提高链路容量、改善服务质量的优势。部署在5G无线接入网的计算能力，能够对接收到的数据进行处理。在接近数据源侧进行处理，可以避免数据进入核心网，避免占用数据传输通道，从而提高网络的总体链路容量。以超高清视频服务为例，当前视频数据量呈现爆发式增长，大量视频用户在同一时间请求网络服务，如果视频服务器位于云端，所有数据均进入核心网，将大大地损耗链路容量。如果将视频服务器部署在网络边缘，数据将在边缘侧进行传输，从边缘侧响应，减少了对带宽的损耗，从而提升网络的总体链路容量。

云计算层、边缘层和终端层分别对应本书前言中为5G 边缘云定义的云层、雾层、薄雾层和器件层，其中边缘层细分为雾层和薄雾层。从计算能力角度考量，5G 边缘云在不同层次上使用特定体系架构的服务器，满足计算能力和环境要求。在云层采用搭载多CPU 多核的x86服务器，安装CentOS、Ubuntu 或者Oracle Linux 操作系统，以满足普适需求（General Purpose）；雾层比云层的规模要小一些，采用低功耗的x86服务器，如搭载Celeron 处理器、Atom 处理器的服务器，同样需要安装普适的操作系统，也可以引入ARM 和RISC-V 架构服务器；薄雾层所需要的计算能力相比之下更弱，一个明显的标志是不再需要散热风扇，适合使用树莓派（Raspberry Pi）等轻量级设备，安装轻量级的相对专用的操作系统；器件层则包括各种传感器。以上构成了由器件层到薄雾层、雾层和云层的“三级跳”。就目前的状况看，Ubuntu Linux 在这“三级跳”中有相对完整和清晰的路线图。让人惊奇的是，Oracle 发布的Oracle Linux 也在边缘云上进行了大量投入，在这“三级跳”中同样有相对完整和清晰的路线图。加上Oracle 在云计算上的积累，在5G 边缘云中，Oracle 是一支不可小觑的力量。CentOS 则在云层占据着相当大的份额，目前尚看不出从中心云到边缘云的完整方案。在每层中选取服务器体系架构和操作系统应以人员能力积累和复用为原则，尽量避免出现“三级跳”过程中需要更换环境（如.NET、Java）和操作系统的问题。