边缘-云协同感知的微服务分解与优化：面向5G边缘云重构

《Computer Networks》：Edge-Cloud-Aware Microservice Decomposition and Optimization for 5G Edge-Cloud Refactoring

　　

摘要

本文提出了一种定量方法来优化5G边缘-云重构，该方法将基于微服务的分解与实用的边缘-云部署模型相结合。与之前的方法（如E-GUR-5GC和FBR-5GC）将组件分解为网络服务后再合并为实体以进行确定性部署不同，本方法明确区分更适合部署在边缘的服务和应保留在云中的服务，然后将它们分别合并为实体。通过在分解阶段分配部署属性，我们避免了当单个实体同时包含对延迟敏感的服务和以云为中心的服务时所产生的合并冲突。随后，我们建立了一个优化模型，以联合最小化排队延迟和资源成本，从而得出边缘-云重构5GC（ECR-5GC）架构。此外，我们提出了一种基于N2的边缘间切换程序，并通过UPF（用户面功能）迁移来维持PDU（分组数据单元）会话连续性并减少分布式边缘环境下的用户面中断。为了评估部署阶段的行为，我们基于ClarkNet工作负载进行了受Kubernetes启发的水平Pod自动扩缩容（HPA）模拟。结果表明，ECR-5GC在部署和时变流量之间提供了更好的权衡，尤其是在中高等服务速率下，与FBR-5GC相比，它降低了峰值vCPU需求、累积vCPU小时数和SLA（服务级别协议）违规。这些发现表明，ECR-5GC为未来5G边缘-云连续体提供了一个实用的、可扩展的设计方向，并且可以作为B5G/6G演进的有用基础。

章节摘要

引言

本节介绍了边缘-云协作下基于微服务的5G核心网（5GC）的研究背景和问题的设定，通过突出现有重构方法的局限性来阐明研究动机，并总结我们的贡献——一种边缘-云感知的分解方法、一个多目标优化模型以及一个与先前架构的对比评估。最后，讨论研究组织。

5G核心网

随着移动通信技术从4G向5G演进，核心网架构经历了重大变革。在传统4G/LTE系统中，通常采用单体式设计和参考点架构，各种网络组件通过多个点对点接口连接。当功能需求或流量大幅增加时，核心网往往需要一次性全面升级，导致高昂的维护和扩展成本[15

边缘-云感知的分解

本节根据3GPP TS 23.501和TS 23.502中的功能描述对5G核心网的服务进行分类和分析。我们解释了组件分解的动机和方法，然后展示了我们的分析方法。随后，我们定义并选择了哪些微服务构成"边缘服务"以及哪些属于"云"，最终得出分类结果的总结。

5G核心网优化：建模与评估

本节详细介绍了我们提出的ECR-5GC架构的开发与优化过程。为了清楚地区分现有基础与我们的创新贡献，讨论的结构从基线模型逻辑地过渡到我们的改进方法。本节首先阐明基线架构与所提设计之间的关系，然后介绍优化细节。在本文中，FBR-5GC仅作为对比的基线架构，

性能分析

在本节中，我们遵循E-R-EPC [17]中描述的分析方法评估ECR-5GC和FBR-5GC架构的性能，该方法参考了多项相关工作[15,19,[40], [41], [42]]。首先，我们使用E-R-EPC中的M/M/1排队模型评估ECR-5GC和FBR-5GC。流程级排队延迟分析如下。我们在相同网络资源下对比5G六个基本流程在ECR-5GC和FBR-5GC架构下的排队延迟性能，以及

结论

本研究通过提出ECR-5GC解决了5G核心网在边缘-云连续体中的重构挑战。该框架将部署感知直接集成到微服务分解阶段。与传统的"先合并后部署"方法不同，ECR-5GC预先为微服务分配边缘或云属性。它强制执行分组约束以防止形成"混合实体"。这通过将对延迟敏感的功能与以云为中心的功能分离来确保结构一致性，

出版许可

不适用。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

CRediT作者贡献声明

Chiang Wei-Kuo：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式化分析，概念化。Chun-Rui Xiao：写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式化分析，数据整理。

Chiang Wei-Kuo于1989年、1991年和1996年分别获得台湾中央大学（CSIE/NCTU）的计算机科学和工程学士、硕士和博士学位。2004年2月，他加入台湾嘉义中央大学计算机科学与工程学系（CSIE/CCU），担任助理教授。目前，Chiang是CSIE/CCU的副教授。在加入CSIE/CCU之前，他在

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