轻量级边缘计算平台的设计与应用研究

【摘要】: 近年来，随着“互联网+”战略格局的深入发展和5G技术的日益成熟，物联网将迎来快速发展的时期. 核心网络中数据流量的爆炸性增长在响应延迟和通信负担方面给当前的云计算架构带来了巨大挑战. 边缘计算在靠近用户的网络边缘进行计算和存储，以低延迟和高带宽效率提供灵活的服务，并成为云架构下可行的补充解决方案，代表了物联网解决方案的新趋势. 边缘计算旨在满足可扩展性计算平台，多租户，安全性，隐私性和灵活性等关键要求. 在这些方面，快速发展的轻量级虚拟化技术和软件定义的网络技术试图解决这些问题并改善计算资源. 利用率实现灵活的组网. 另一方面，单板计算机由于其低成本和低功耗的双重优点而在物联网领域受到青睐. 越来越多的研究表明，使用单板计算机可以形成具有成本效益的边缘计算网络. 针对上述网络和技术的发展，本文主要研究轻量级边缘计算平台解决方案，具体内容如下: （1）结合边缘计算的需求，研究边缘计算研究和边缘计算平台解决方案的进展. 在物联网环境中，提出了一种轻量级的边缘计算平台架构. 轻量级体系结构体现在轻量级边缘节点，轻量级网络交换和轻量级虚拟化中. 基于平台架构，进一步提出了一种轻量级的边缘计算平台方案设计，并完成了方案中功能模块的技术细节. 低成本，低功耗，小体积的单板计算机设备被用来构成重量轻的边缘计算节点. 级别虚拟化技术和软件定义的网络技术执行资源抽象，控制和编排，并实现从网络到监视和管理再到服务提供的集成的轻量级边缘计算平台.

（2）基于轻量级边缘计算平台的设计，完成了解决方案中每个功能模块的技术实现. 在低成本，低功耗的单板计算机上实现了集成了网络转发和计算存储功能的边缘智能服务器；边缘智能服务器用于根据主从分布式架构构建边缘分布式集群. 结合Docker和Kubernetes技术实现平台服务交付和容器编排;利用Open vSwitch和SDN技术实现平台的网络切换和网络控制，并通过控制器预先配置网络中网络交换节点的流表，实现平台低延迟网络的动态构建. （3）建立基于轻量级边缘计算平台解决方案的测试环境，分析平台性能计算平台，包括网络转发时延，请求处理能力，功耗，迁移效率，容器编排性能等. 实验结果表明，边缘智能服务器最小跳变延迟为0.4ms，可以达到商用SDN交换机的水平；使用分布式节点协同处理请求可以实现与商用服务器相似的响应时间，这具有成本效益；边缘智能服务器具有明显的功耗性能和迁移效率优势；该平台的集装箱布置方法可以有效减少服务请求的响应时间. 然后，基于该平台，实施了无线检测用户行为分析，移动视频服务QoE测试系统以及轻量级边缘视频分析系统应用程序，以验证轻量级边缘计算平台提供不同物联网服务的可行性. 最后，评估平台上视频应用程序的性能，并验证该平台解决方案可提高对延迟敏感的服务的QoE.

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