移動邊緣計算系統(tǒng)服務器測試方法

付韜

摘要 云計算中心能夠提供彈性的資源池，促進了互聯(lián)網(wǎng)中“資源即服務”模式的發(fā)展。然而隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G網(wǎng)絡的技術(shù)成熟，海量通信終端的接入需要移動通信服務提供實時性更強的解決方案，以滿足智能終端的延遲敏感應用、物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)邊緣聚合等資源密集型應用的需求。移動邊緣計算作為鄰近移動終端的局部云平臺方案，以移動互聯(lián)網(wǎng)通信基站作為云服務節(jié)點，在互聯(lián)網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中距離移動終端更近，能夠增強未來智能互聯(lián)設備的工作性能，支撐更多復雜應用的研發(fā)與推廣。本文針在分析現(xiàn)有移動邊緣計算系統(tǒng)架構(gòu)的基礎上，簡單探究了移動邊緣計算服務器的測試方法。

【關鍵詞】移動互聯(lián)網(wǎng) 移動邊緣計算 系統(tǒng)測試

1 背景

隨著移動通信即將進入5G時代，智慧城市、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與移動互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，提供更加深度處理的信息服務。隨著以物聯(lián)網(wǎng)為代表的可通信終端數(shù)量遵循摩爾定律增多，如此大量的節(jié)點訪問云計算中心是十分低效的。同時，手機等智能終端運行更多資源密集型的應用，需要實時獲得更多的云服務。在上述背景下，尋找智能終端和云計算中心之間的折衷方案成為一種共識。為了提高云資源的獲取速度，國內(nèi)外提出了霧計算、移動邊緣計算、Cloudlet等技術(shù)。

霧計算各節(jié)點資源較少，主要用于數(shù)據(jù)初步處理，強調(diào)組網(wǎng)節(jié)點資源共享;Cloudlet則依托WIFI路由器提供資源，適用于家庭環(huán)境。這兩種方案的節(jié)點資源相對較少，均適用于終端較少的生活與生產(chǎn)環(huán)境，移動邊緣計算旨在向移動用戶提供邊緣云服務，可同時向大量用戶提供計算、存儲與信息共享功能。未來在城市中，移動邊緣計算服務器可以成為移動通信基站的一部分，向手機用戶提供附加服務;在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，可以作為數(shù)據(jù)匯聚的中心節(jié)點，提高信息采集效率，進行復雜的與處理工作;在5G網(wǎng)絡中，可以實現(xiàn)高效信息共享，提供高清視頻與增強現(xiàn)實服務。英特爾與中國移動提出了采用移動邊緣計算技術(shù)實現(xiàn)的高清在線視頻加速系統(tǒng)?？梢姴痪玫膶?，移動邊緣計算支撐的各類應用將提高整個移動互聯(lián)網(wǎng)的服務水平。

目前，移動邊緣計算領域存在多種架構(gòu)各異的實現(xiàn)方案，尚沒有完整的移動邊緣計算測試方案，這為評估相關系統(tǒng)并選擇合適的技術(shù)方案帶來困難。本文分析了移動邊緣計算系統(tǒng)的基本架構(gòu)，簡單討論了其各子系統(tǒng)的測試方法。

2 移動邊緣計算

移動邊緣計算（ Mobile Edge Computing，MEC）的雛形是諾基亞實現(xiàn)的可鄰近獲取云服務的小型服務基站，2014年歐洲電信標準化組織ETSI給出了其定義，可以認為移動邊緣計算是在移動互聯(lián)網(wǎng)基站提供信息服務和云計算資源的技術(shù)，由于部署在鄰近移動終端的網(wǎng)絡邊緣，能夠適應延遲敏感應用的需求。與霧計算等弱基站不同，移動邊緣計算依托LTE移動運營商基站，可以加載面向多連接并行處理的計算、存儲和通信資源，為區(qū)域內(nèi)大量用戶同時服務。這種運營模式有利于快速推廣移動云服務，提高相關設備和資源的復用程度，實現(xiàn)高性能邊緣云平臺的高利用率，能夠更快地支撐相關應用軟件的開發(fā)。MEC架構(gòu)如圖1。

服務器所有者的管理編排應用通過管理接口將配置命令下發(fā)至移動邊緣計算服務器，服務器管理器會根據(jù)配置調(diào)整系統(tǒng)應用、移動邊緣計算平臺和虛擬化架構(gòu)。移動邊緣平臺負責處理移動終端的各種請求、針對每一個用戶分配資源，虛擬化架構(gòu)用于劃分資源的實現(xiàn)。移動邊緣計算應用主要包含常用的固定應用和各用戶定制的個人應用，MEC服務器應用集合的選擇直接影響整個系統(tǒng)的性能。

3 移動邊緣測試

移動邊緣計算可以在移動運營商覆蓋的范圍內(nèi)快速為資源不足的智能手機提供計算任務提速、存儲信息共享等高性能服務，因此會成為5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)中的核心技術(shù)。未來將成為移動通信服務的一部分。然而，目前沒有系統(tǒng)化地針對移動邊緣計算服務器測試的方法，雖然有云計算測試、基礎網(wǎng)絡性能測試、無線網(wǎng)絡測試等方案，均是針對移動邊緣計算局部子系統(tǒng)進行測試的方案。

本文探究移動邊緣計算系統(tǒng)的測試方案，各物理設備之間采用NTP協(xié)議同步時鐘，保障相關數(shù)據(jù)的采集精度。采用時間戳的方法測量移動邊緣計算完整流程中各階段的時延，具體測試框架如圖2所示。

其中，以移動通信基站內(nèi)部的云平臺（如Openstack等）作為MEC服務器，通過管理節(jié)點實現(xiàn)身份認證、系統(tǒng)管理等服務，計算節(jié)點和存儲節(jié)點提供相應的資源，MEC內(nèi)部網(wǎng)絡包含物理網(wǎng)絡和虛擬網(wǎng)絡，可采用SDN網(wǎng)絡實現(xiàn)靈活管理。

針對該系統(tǒng)，實現(xiàn)專用的測試設備。測試核心模塊從測試腳本庫選擇與被測目標子系統(tǒng)對應的測試方案，隨后將測試數(shù)據(jù)流通過通信模塊發(fā)送至MEC服務器，這里需要通信模塊支持4G/5G/Wi-Fi等無線通信。監(jiān)控軟件指安裝在MEC服務器各子模塊上的數(shù)據(jù)采集插件，可以采集各子模塊執(zhí)行任務的起始和完畢時間，CPU利用率、存儲利用率等基本指標。監(jiān)控軟件周期性將采集到的數(shù)據(jù)匯總到分析模塊，最終由分析模塊給出MEC服務器測試結(jié)果。在連續(xù)測試時，測試結(jié)果用于更新測試策略。

4 MEC服務器測試體系

MEC服務器的測試對象包括計算、存儲、網(wǎng)絡子系統(tǒng)、虛擬機、容器、安全系統(tǒng)、服務質(zhì)量等。本文提出的MEC服務器測試體系涵蓋已有的基礎測試和子系統(tǒng)測試，重點針對MEC系統(tǒng)提出了端到端服務質(zhì)量測試。根據(jù)測試功能具體分類如下：

4.1 基礎設備測試

由于MEC系統(tǒng)集成了云計算中的各種功能，需要對其內(nèi)部物理設備進行一致性測試與性能測試。主要包括計算加速比、物理節(jié)點指令效率、內(nèi)存利用率、內(nèi)部帶寬利用率、存儲節(jié)點讀寫延遲等基本測試指標。針對設備的測試已經(jīng)十分成熟，可測試設備主要功能性能指標，作為進一步測試分析的基礎。

4.2 子系統(tǒng)測試

MEC服務器由管理模塊、計算機群、存儲機群、內(nèi)部網(wǎng)絡、安全系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，需要分別進行測試。管理模塊需要測試功能的有效性與一致性;計算機群需要測量任務處理速度;存儲機群需要評價讀寫效率;MEC內(nèi)部網(wǎng)絡是一種包含了無線通信與有線通信的異構(gòu)網(wǎng)絡。上述子系統(tǒng)測試可采用已有的標準化測試方案，如網(wǎng)絡可遵循RFC2544、RFC2889等標準化測試文檔，異構(gòu)網(wǎng)絡測試主要是考慮異構(gòu)網(wǎng)絡網(wǎng)關轉(zhuǎn)發(fā)性能測試。

4.3 虛擬機/容器測試

虛擬機或容器是服務器根據(jù)服務級協(xié)議SLA劃分給移動終端的資源，其功能、性能都彈性可擴展。為了保障移動終端的正常工作，需要對虛擬機或容器的最大并發(fā)鏈接數(shù)、遷移開銷、擴展性評估等指標進行驗證，給出各虛擬機或容器的量化性能。

4.4 安全系統(tǒng)測試

MEC服務器將處理大量用戶的私人數(shù)據(jù)，因此極易成為網(wǎng)絡攻擊的目標，未來將安裝隱私保護、入侵檢測等安全系統(tǒng)。然而，安全系統(tǒng)不可避免的會帶來額外的系統(tǒng)開銷。需要針對MEC服務器的防火墻、入侵檢測系統(tǒng)、Web應用等進行滲透測試，確定是否存在漏洞。針對這些安全系統(tǒng)進行安全性測試和安全指標測量能夠幫助服務提供商準確衡量安全系統(tǒng)，最終選擇適合的安全技術(shù)方案。

4.5 端到端服務質(zhì)量測試

MEC的端到端測試是評估移動終端請求MEC服務器資源的過程，隨著網(wǎng)絡中應用種類越來越多，MEC端到端測試需要針對各種應用設計模擬驗證數(shù)據(jù)。服務測試主要包含以下幾個方面：

4.5.1 智能終端計算遷移測試

計算遷移是智能終端在資源不充足時，將計算任務提交給MEC服務器遠程執(zhí)行的過程。在該過程中主要有三個測試參數(shù)：計算類型、輸入數(shù)據(jù)、任務截止時間。計算類型代表應用遷移任務的類別，處理大量計算、視頻處理、圖片處理或互動數(shù)據(jù)的應用存在巨大差別，計算類型可以反映任務更依賴于何種資源;輸入數(shù)據(jù)則表示提交任務到MEC服務器需要給出的信息，該信息的容量與服務延遲正相關，例如視頻處理需要花費大量時間持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，進行計算任務遷移則可以提供相對較少的輸入;任務截止時間則表示任務的實時性要求，如果服務器無法實現(xiàn)滿足截止時間的調(diào)度方案，則直接駁回請求或用其他服務器替換，終端也可以根據(jù)該時間決定知否進行計算遷移，該指標可以防止終端盲目將任務提交給MEC系統(tǒng)。

根據(jù)上述指標進行計算遷移測試，選擇具有代表性的應用作為測試案例。記錄計算遷移開始時間和MEC結(jié)果反饋時間，計算端到端獲取服務的延遲。修改計算類型、輸入數(shù)據(jù)和任務截止時間，針對計算遷移延遲做大量測試。最終得到MEC典型應用的服務延遲分布模型。

4.5.2 MEC服務器測試

在上述測試的基礎上，MEC服務器測試主要是進行資源分配的測試評估。在延遲可接受的條件下，從屬于同一網(wǎng)絡服務商的多個MEC服務器可協(xié)作完成較大的任務。因此，主要包括單服務器測試與多服務器協(xié)作測試，評估MEC服務器機群是否實現(xiàn)任務的高效、均衡管理。MEC服務器測試包括資源分配一致性測試和負載均衡測試。

資源分配一致性測試是指仿真大量計算遷移任務，分別評估各種資源分配策略的調(diào)度結(jié)果。在此基礎上測量當各任務需求發(fā)生變化時，系統(tǒng)進行資源重調(diào)度的時間與開銷。單服務器的測試指標與虛擬機，容器相同，但是針對多任務多虛擬機的情況進行測試;多服務器測試則需要將服務器間的傳輸延遲考慮在內(nèi)。

負載均衡測試則是根據(jù)測試例同時仿真大量移動終端的各類任務，檢驗負載均衡策略能否在MEC服務器之間、同一MEC服務器內(nèi)的多個計算節(jié)點上保持負載均衡。

4.5.3 移動性測試

移動邊緣計算的服務對象具有高度的移動能力，handoff問題指在終端離開原有基站后的服務切換條件下服務器能否保障服務質(zhì)量。目前主要有兩種方法：一種是遷移對應的虛擬機或容器到離用戶更近的基站，另一種是使用網(wǎng)絡傳輸路徑重定向的方法自動切換延遲更低的傳輸路徑。

移動性測試需要仿真終端地理位置上的變化，同時不斷向虛擬機或容器發(fā)送測試數(shù)據(jù)流。在終端所在MEC服務器覆蓋范圍發(fā)生變化后，監(jiān)測終端接收到的服務響應的監(jiān)測信息。如發(fā)生虛擬機或容器遷移，需要測試的指標包括服務中斷時間、服務一致性、遷移開銷等;如果MEC服務器切換傳輸路徑，如需要監(jiān)測端到端延遲。

4.6 能耗測量

MEC服務器的能耗反映了整個系統(tǒng)的經(jīng)濟實用性，需要針對各種應用、終端、通信方式測量MEC服務器的能耗。同時，也需要針對虛擬機等子系統(tǒng)的動態(tài)管理的能耗進行測量。

4.7 加密開銷測試

MEC服務器雖然可以采用輕量級加密方法，移動終端和MEC服務器端仍會造成額外的延遲與能耗。加密開銷測試需要針對每一類應用使用各種加密算法和系統(tǒng)，在加密通信過程中測量傳輸延遲與能耗，加密開銷測試有利于加密算法和方案的選擇。

5 結(jié)語

移動邊緣計算技術(shù)目前尚處于學術(shù)界研究向工業(yè)化部署轉(zhuǎn)型的階段，但相較于依托家用路由器實現(xiàn)的Cloudlet和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的霧計算，MEC技術(shù)依托現(xiàn)在廣泛使用的移動通信服務，能夠加速移動互聯(lián)網(wǎng)的新型服務實現(xiàn)，相信不久的將來一定能構(gòu)獲得大量部署并實現(xiàn)全社會覆蓋。

本文針對這一技術(shù)簡要討論了其測試方案，涵蓋了MEC系統(tǒng)測試的核心方法。由于該技術(shù)還在不斷發(fā)展，未來還需要根據(jù)工業(yè)標準方案提出更加詳細的測試方法學。同時，MEC系統(tǒng)還有可能在實際部署中采用GPU加速，采用SDN/NFV技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)網(wǎng)絡管理。

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