Open Carrier Interface: An Open Source Edge Computing Framework

開放載體接口：開源邊緣計算框架

Marc Körner ∗，ICSI，[email protected]；Torsten M. Runge ∗，ICSI， [email protected]； 
Aurojit Panda ，NYU and ICSI，[email protected]；Sylvia Ratnasamy，UC Berkeley，[email protected]；
Scott Shenker，UC Berkeley and ICSI，[email protected]

摘要

• 邊緣計算作爲一門新興的技術，在低延遲和高帶寬需求的應用中提供了多方面的性能改進；
• 爲了減少網絡服務供應商支持邊緣計算的負擔，我們提出了一類中性平臺（適用於絕大多數平臺）的開源邊緣計算架構-Open Carrier Interface。
• 該設計原型爲網絡服務供應商提供直接在網絡邊緣部署軟件組件的機會，無需操作人員干預
• 詳細設計和闡述該框架的接口：
  • 對所有使用方是否方便簡單
  • 基於邊緣資源管理系統和邊緣服務架構提供統一的抽象層
  • 可以對實現edge服務範式的應用程序產生顯著的性能影響

關鍵字

邊緣計算，計算遷移

介紹

• 網絡流量的爆發式增長，並繼續快速增長
  • 歸因於視頻流服務，物聯網應用設備
  • 處理流量增長需要升級網絡主幹，但增加了網絡服務的開銷
  • 傳統的客戶端-服務器部署限制了延遲和響應能力，所以限制了網絡支持的應用種類
  • 爲了應對挑戰，應用開發商在網絡的邊緣部署了一些緩存和搜索設備，並且這些設備在快速增長，因此需要進行管理
• 所以，提出一個網絡運營商能夠爲應用程序供應商開放其邊緣設施，供其進行邊緣計算
  • 舉例：以銷售物聯網設備（家用恆溫器，監控攝像頭）的第三方應用服務供應商爲例
  • 只要設備出現在網絡邊緣，開啓連接網絡運營商和第三方應用服務供應商的軟件，該軟件支持邊緣處理的物聯網設備
  • 早期的應用服務供應商，即使資金和資源匱乏，也可以和大公司獲得相同的邊緣支持，因此可以在相同的基礎上競爭
• 所提系統的兩個原則：靈活性和無需操作人員介入
  • 按需啓動，按需計費
  • edge軟件組件被自動輸入和分配，無需人工干預
  • 客戶端-服務器----》客戶端-邊緣-服務器 轉變

背景和相關工作

• 邊緣計算的推動者：NFV

  • OCI的概念指的是邊緣計算的範式,它利用最近的COS手段
  • CO第一個網絡服務供應商設備，它能夠連接家庭和移動基站
  • CO通常由寬帶接入服務器(BRAS)連接並提供服務，該服務器爲用戶提供廣域網(WAN)接入
  • 這些設施通常由專用信號處理和網絡設備主導
  • 然而，最近在軟件定義網絡(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)方面的發展改變了硬件和軟件的部署，使它們成爲使用通用服務器設備操作的小型數據中心。
    • 增大靈活性，允許網絡運營商虛擬化管理設備
    • 無需中斷服務，處理故障轉移，更新VNF。
  • 預計到2020年將近75%的公司將使用雲類設備和NFV，爲開源提供支持

• 邊緣計算性能分析

  • 邊緣計算承諾通過使用數據局部性來提高几個應用程序的性能
  • 能夠（通過解決由於服務、數據量和物聯網設備的增加而導致的帶寬需求增加）重新激活核心網絡。
  • 據研究表明，在最近出現的延遲和帶寬緊張可以很好的被改善，通過邊緣計算；並且可以提高局部數據的處理速度

• 邊緣計算架構

  • IEEE和ETSI都爲邊緣計算做出了貢獻
  • linux基金最近啓動了關於物聯網邊緣計算的項目EdgeX Foundry
    • 目的是通過設計邊緣計算平臺來提升物聯網系統的硬件互通性
    • 一種該邊緣計算平臺是專注於通過圍繞核心服務的標準化應用接口(API)爲物聯網設備提供便利，是一個微小的框架
    • 該方法僅限於微型服務，並且重點集中在工業物聯網設備領域
    • 項目執行環境主要集中在網關、路由器等嵌入式設備。
    • 另一種嵌入式設備的物聯網邊緣計算平臺是譜適軟件架構：該平臺支持基於面向物聯網設備的模塊化開放服務網關(OSGi)開發的邊緣應用程序
    • 兩種都應該部署
  • 基於CDN的邊緣計算方法
    • 本文介紹的方法通過進一步隔離和規範管理實體擴展了體系結構。此外，它還提供了一個開源實現。所提出的OCI架構旨在爲任意邊緣服務(ES)設計和底層NSP資源管理系統提供一個通用的解決方案。它可以動態地調用基於ES的應用程序上下文，並提供了一種簡單而直接的多域方法。我們還主張將OCI部署在CO s中，因爲CO s提供了託管數據中心服務器設備的機會和能力，並且沒有嵌入式設備的限制。因此，邊緣計算應用程序並不是完全的資源約束，而是必須存在於嵌入式系統中，就像典型的家庭路由器一樣。這爲傳感器數據聚合之外的複雜處理提供了機會，比如Netflix的Open Connect設備。
  • OCI是與平臺無關的開源邊緣計算架構，爲應用服務供應商提供幾乎所有可能的應用架構自由

• 邊緣和雲延遲研究

  • 亞馬遜網絡服務在雲市場中佔據了主導地位。出於這個原因，我們探討了其典型的雲計算，並對其延遲和帶寬性能進行了測試。
    • 延遲的測量是基於往返時間RTT，收集一個常規數字信號用戶，訪問傳輸速率爲30Mbit/s。
  • co比其他雲計算架構延遲低

架構

OCI是在BSD允許下的一個開源的邊緣計算架構解決方案，爲ASPs在NSP'S提供部署邊緣應用的能力。

目的：實現簡單自動化的部署，以及生命週期管理，不需要與NSP進行直接交互或協商

優點：OCI能夠利用現有NFV基礎設施，同時提高QoS。支持OCI的應用程序的QOE也得到了改進，稱爲ES

• 全球OCI協調器

  • 它的主要任務是在沒有操作員干預和網絡知識的情況下，跨多個網絡邊緣和域分發ASP的第三方ES,因此包含了多個接口
    • NSP interface
      • 指定配置文件（JSON）
      • 向GOCIC提供同一域中所有LOCIC的IP地址，以及它們的元數據信息(如地理編碼位置)
      • 另外，該文件還可以包含關於同級的OCI域及其GOCIC的IP地址和元數據的信息。
    • LOCIC interface
      • 將ESAP分發給locic
      • 收集當前oci使用情況信息，做出管理決策
      • ES的彈性、故障排除和可伸縮性。
    • ASP interface
      • reset接口，用來分發ES
      • 可以向Gocic上傳ESAP，根據包含的信息，GOCIC在LOCIC的邊緣以及其他同級的域分發ESAP
    • inter-domain interface
      • 域間接口同步OCI域和ESAP與其他不同域進行交換

• 本地OCI協調器

  • LOCIC是OCI的邊緣實體管理
  • 作用：通過與GOCIC、RnOMA和客戶溝通，來維護所有ES的列表、名稱、IP地址、生命週期狀態、註冊祕鑰，以及可能潛在的鼓掌轉移信息
    • 其中註冊祕鑰是在註冊新的ES時由LOCIC生成的
      • 一種訪問控制機制·，用於註銷ES或操作其信息
      • 是一種保護機制，只有擁有祕鑰，才能對其操作

• 資源和編排管理適配器

  • RnOMA作爲底層實際資源和編制管理器的驅動程序
  • NSP用它來管理邊緣計算、存儲和網絡資源
  • RnOMA提供了一個通用接口來適應任意的資源管理API

• OCI庫

  • OCIlib包含應用程序開發人員使用CES範式和OCI框架構建客戶機-邊緣-服務器(CES)應用程序的方法和模板。
  • 它爲客戶機應用程序提供了通過LOCIC查找獲得ES IP地址的方法。
  • 它還提供了額外的edge服務模板，以簡化基於OCI的CES應用程序的開發，並支持OCI生態系統內的集成，如動態生命週期管理和基於組件的拼接。

• 邊緣服務架構

  • OCI ES可以是應用程序體系結構的一部分，位於客戶端和服務器組件之間
  • 它可以由一個分佈式結構和幾個使用發現服務的微服務組成
  • 在OCI邊緣處執行任務，可以實現應用程序級的負載均衡

• 邊緣服務應用包

  • ESAP是ES的編譯和綁定形式。
  • 它是一個zip壓縮文件，文件擴展名爲esap，內部文件夾結構如下:bin、lib、template和meta。
  • bin文件夾包含edge服務包含的所有二進制文件。
  • 元文件夾包含一個描述ES元數據信息的JSON文件。

• 多域支持

 

• OCI多域支持支持多個GOCIC之間的ESAP域間交換，如圖3。域間ESAP交換基本上可以以主動或被動的方式實現。
  • 主動：定期同步不同域的GOCIC之間的ESAP。如，基於特定的時間間隔實現，也可以由新ESAP的上傳觸發。
  • 被動：由客戶端ES請求觸發。如果可用請求涉及其他域或不可用的服務，LOCIC可以通知GOCIC。因此，請求一直委託到GOCIC和其他域，以便檢索相應的ESAP
• 反應性方法需要在LOCIC - GOCIC和/或GOCIC - GOCIC之間進行額外的通信。
  • 當前的即時應用程序使用內建的主動交換，這也是當前用於ESAP分發到LOCIC的。
  • 交換ESAP的多個GOCIC實例之間的聯繫可以用多種方式組織。
  • 例如，他們可能會使用一個覆蓋網格網絡(如點對點(P2P))或分層部署。
  • 在介紹了實現了技術的概念,並沒有考慮任何帳單或SLA實施規劃的年代。
  • 因爲這個問題是多方面的,這種方法只處理一般技術可行性和P2P機制用於還分發一個ESAP LOCIC。

評估

• 實驗平臺
  • 兩臺服務器
  • 2x4核Intel Xeon CPU，128GB DDR4 RAM, 10千兆網卡 82599ES
  • Debian Linux 操作系統，4.12.0-1-adm64 kernel
  • 所有節點都通過千兆級別的交換機互聯
• 邊緣服務查找時間
  • 在最壞的情況下，LOCIC能爲所有預定了CO的客戶端提供服務；根據客戶端請求,在不同條件下獲取隨機的查找時間，作爲我們衡量的參數
  • 單程查詢查找時間
    • 1000個樣本，1.5-2.5間隨機查找
    • 測量時，增加暫停，迫使系統處於空閒狀態，這樣向緩存這樣的操作不會影響測量結果
    • 1K個條目進行查找時，平均時間到0.9毫秒，1k-2k個條目足夠使用，無需更大
  • 基於負載的查找時間
    • 在不同負載情況下進行查找時間的測量
    • 每個查找請求在被LOCIC處理之前經歷相同的平均等待時間

總結

• 我們已經實現了一個開源的邊緣計算框架。
• 該原型實現包含一個通用的資源管理接口，該接口允許NSP在啓用NFV的CO基礎設施上輕鬆地調整和部署該框架。
• 因此，該框架通過支持多個底層資源管理系統和ES架構，爲邊緣計算提供了一個統一的抽象。
• 它進一步支持第三方ASP，能夠在不需要網絡知識的情況下以自動化的方式部署ES，同時考慮隨需應變的生命週期管理。
• 初步評估結果表明，該性能甚至足以解決當前CO訂閱者的數量，併爲許多延遲或帶寬關鍵的應用程序提供合理的性能收益。