邊緣計算助力云游戲成為5G時代的殺手級應用
Labs 導讀
隨著技術、架構以及商業模式的快速發展和完善，邊緣計算作為一種成熟的計算范型已經得到廣泛應用。邊緣計算是為應用開發者和服務提供商在網絡的邊緣側提供云服務和IT環境服務，“邊緣”指的是位于管理域的邊緣，盡可能地靠近數據源或用戶，其目標是在靠近數據輸入或用戶的地方提供計算、存儲和網絡帶寬。云游戲正是近年來出現，被認為是“殺手級”的邊緣計算應用。云游戲的本質是云端算力的重新分布，具有云端的擴展性，穩定性，靈活性和集中管理等特性。云游戲從“端”到“云”和“邊”，解放了用戶側終端的限制，進而對中心算力需求大增，并且有助于實現算力的高效合理利用和分配。隨著5G時代的到來，無論是用戶需求還是游戲市場前景，云游戲都將成為5G時代下的殺手級應用，成為5G邊緣計算產品。
作|者|介|紹
中國移動云能力中心SaaS產品部技術推進組成員，邊緣應用產品組云游戲研發經理。目前負責云游戲服務平臺的研發工作。熟悉云游戲應用的架構設計方法及方案，對邊緣應用的設計也有比較深入的研究及實踐經驗。
1、邊緣計算
1.1 什么是邊緣計算
邊緣計算出現的時間并不長，這一概念有許多人進行過概括，范圍界定和闡述各有不同，甚至有些是重復和矛盾的，就個人而言，比較推崇OpenStack(是一個由NASA和Rackspace合作研發并發起的，以Apache許可證授權的自由軟件和開放源代碼項目)社區的定義概念：邊緣計算是為應用開發者和服務提供商在網絡的邊緣側提供云服務和IT環境服務;目標是在靠近數據輸入或用戶的地方提供計算、存儲和網絡帶寬。
通俗地說：邊緣計算本質上是一種服務，就類似于云計算、大數據服務，但這種服務非常靠近用戶;為什么要這么近?目的是為了讓用戶感覺到刷什么內容都特別快。
邊緣計算著重要解決的問題，是傳統云計算(或者說是中央計算)模式下存在的高延遲、網絡不穩定和低帶寬問題。舉一個現實的例子，幾乎所有人都遇到過手機APP出現404錯誤的情況，這樣的一些錯誤出現就和網絡狀況、云服務器帶寬限制有關系。由于資源條件的限制，云計算服務不可避免受到高延遲和網絡不穩定帶來的影響，但是通過將部分或者全部處理程序遷移至靠近用戶或數據收集點，邊緣計算能夠大大減少在云中心模式站點下給應用程序所帶來的影響。
下圖是一個邊緣計算網絡的概念圖,它是連接設備和云端的重要中間環節。
1.2 邊緣計算的價值
相比于集中部署的云計算而言，邊緣計算不僅解決了時延過長、匯聚流量過大等問題，同時為實時性和帶寬密集型的業務提供更好的支持。綜合來看，具有以下優點：
安全性更高
邊緣計算中的數據僅在源數據設備和邊緣設備之間交換，不再全部上傳至云計算平臺，防范了數據泄露的風險。
低時延
據運營商估算，若業務經由部署在接入點的 MEC 完成處理和轉發，則時延有望控制在 1ms 之內;若業務在接入網的中心處理網元上完成處理和轉發，則時延約在 2~5ms 之間;即使是經過邊緣數據中心內的 MEC 處理，時延也能控制在 10ms 之內，對于時延要求高的場景，如自動駕駛，邊緣計算更靠近數據源，可快速處理數據、實時做出判斷，充分保障乘客安全。
減少帶寬成本
邊緣計算支持數據本地處理，大流量業務本地卸載可以減輕回傳壓力，有效降低成本。譬如，一些連接的傳感器(例如相機或在引擎中工作的聚合傳感器)會產生大量數據，在這些情況下，將所有這些信息發送到云計算中心將花費很長時間和過高的成本，如若采用邊緣計算處理，將減少大量帶寬成本。
由此可看，5G推動社會從人聯時代走向物聯時代，連接數的大量增長，疊加邊緣計算自身優勢，將成為5G時代不可或缺的一部分。同時，由邊緣計算帶來的算力需求將成為5G時代重要增量部分。
2、云游戲
2.1 云游戲基本原理
云游戲將傳統游戲的存儲、計算和渲染都轉移到云端，實時的游戲畫面串流到終端進行顯示，最終呈現給用戶。云游戲又被稱為GaaS(Game as a Service)，它將游戲體驗變成了一種服務，提供給廣大用戶，解決了用戶不斷購買或升級終端的困擾，也避免了頻繁下載和更新游戲內容，在成本、時間、內容、維護等方面提升了游戲體驗。
與本地游戲相比，云游戲增加了抓屏、編碼、網絡傳輸、解碼等主要過程，即流化過程。區別于端游、頁游、手游和主機游戲，云游戲的游戲資源、運行、渲染都在云端完成，相當于是用戶在云端玩游戲。
端游(客戶端游戲)需要先從游戲官網下載一個游戲客戶端到本地硬盤中運行，其游戲各種場景、人物、動畫、圖片、音頻等各種資源均在本地完成加載，在本地運行游戲的各項邏輯計算和渲染。游戲運行速度、畫面效果取決于本地電腦的硬件配置。
頁游(網頁游戲)和小游戲，雖然看起來無須下載和安裝客戶端，但實際上游戲資源和邏輯均需要在打開網頁時加載至本地，因此游戲的運行也是在本地完成。
手游和主機游戲的原理都類似于端游，它們的區別是終端平臺不同。
云游戲，本質上是一種基于云計算的遠程技術應用，只需將游戲下載到云端服務器上存儲并運行，游戲渲染出來的每一幀視頻畫面，通過網絡傳送到指定的終端進行解碼輸出。云游戲和云桌面、遠程控制都屬于遠程技術的應用，技術原理相似，但這三者的側重點不同。遠程控制(例如Teamviewer等)，它的被控制方不一定在云端，可以是在家庭、公司的某一臺電腦。云游戲和云桌面的計算和存儲實體都在云端，但云桌面通常不帶GPU。遠程控制和云桌面的功能沒有針對游戲來設計，都不適合用來玩游戲，而云游戲對游戲功能進行了深度優化，因此能提供優質的游戲體驗。
從云游戲的原理看，終端只需要進行簡單的解碼輸出和上傳玩家操作指令，這里的終端不限于PC、筆記本、平板、手機、電視盒子等設備，因此云游戲大幅減少了對終端性能的要求，只需要具備一定的解碼能力。這樣帶來的好處是，降低游戲終端門檻，可以跨終端和跨平臺，使游戲體驗更容易、更方便地被獲得。
2.2 云游戲的分類
市場上為人所知的云游戲雖然原理基本一致，但按照計算平臺、串流方式、資源形態等維度看，云游戲之間又存在區別。
2.2.1 按計算平臺：x86架構以及ARM架構
游戲三個主流市場是PC端游、主機游戲、手游，按照計算平臺，云游戲同樣也可以分兩類，x86架構和ARM架構(這里的x86架構和ARM架構是指真正運行游戲的云平臺的架構，而非終端的架構)。x86架構的云平臺主要針對于PC端游和主機游戲的云化，ARM架構的云平臺主要針對手游的云化。PC端游和主機游戲對終端性能的要求更高，云化的需求更加強烈。
2.2.2 按串流方式：游戲窗口串流與桌面串流
云游戲的產品形態主要有兩種，游戲窗口串流和桌面串流。前者的特點是云端僅將游戲窗口內的畫面串流至本地，只能用于游戲用途，而后者則是將整個桌面串流至本地，通常會預置各類熱門網絡游戲(LOL、DOTA2、PUBG 等)和主流游戲平臺(WeGame、Steam、Origin等)，用戶就像在使用網吧電腦一樣。
2.2.3 按資源形態：虛擬機流派與物理機流派
目前市場上主流兩種資源形態，虛擬機流派和物理機流派。虛擬機流派一般采用服務器和專業顯卡的云端資源組合，并以虛擬化的方式分配資源，較為靈活。而物理機流派的云端資源以一臺臺PC形式存在，顯卡為家用游戲顯卡，對游戲驅動的適配更好。
2.3 云游戲整體架構
云游戲整體架構由內容層、平臺層、網絡層、終端層協同構建，如下圖所示。
內容層主要負責游戲內容源，主要由游戲提供商提供，從技術角度上，任何端游、主機游戲、手游都可以移植到相同運行環境的云平臺上。
平臺層主要包含業務管理系統和云渲染節點。業務管理系統負責內容、用戶、資源的管理，為云游戲業務提供資源的調度和分配。云渲染節點是云游戲的核心之一，負責響應終端的操作指令，實現邏輯計算、實時渲染、流化編碼、推流等功能。一般情況下一個業務管理系統可以對多個云渲染節點進行管理。云渲染節點一般需要靠近用戶部署。
網絡層主要涉及骨干網、城域網、接入網和家庭網絡，如圖5所示;也可以用移動承載的方式，如圖6所示，用5G網絡承載云游戲業務。網絡層負責連接云平臺和終端，其功能是將云端渲染好的畫面，實時地、穩定地傳輸到用戶的終端，網絡質量與云游戲體驗的關系緊密，帶寬、時延、抖動、丟包等都會對體驗產生影響。
終端層主要由顯示設備、游戲操作設備組成，顯示設備主要包含PC(臺式或者筆記本)、機頂盒與電視、手機、PAD等，操作設備包括鍵盤、鼠標、游戲手柄等。終端層是用戶接入云游戲的入口，主要接收并解碼來自云平臺的視頻流，并進行顯示呈現，同時對接操作輸入模塊，將操作輸入指令上傳到云平臺。
3、邊緣計算在云游戲產品上的應用與實踐
3.1 移動云云游戲服務平臺
3.1.1 產品介紹
移動云云游戲服務平臺是基于中國移動“5G+云+邊”能力，推出的集邊緣節點資源開通、游戲資源分配、游戲云化、視頻流編解碼、游戲門戶生成等功能的游戲能力平臺。開展云游戲的合作伙伴，均可使用云游戲服務平臺的PaaS、SaaS能力，快速搭建專屬的云游戲后臺及客戶端，搶占客戶先機，自助開展云游戲業務運營，對玩家進行管理，無需開發和維護底層平臺。
3.1.2 產品特點
全面適配
全面適配手機、主機游戲，提供720P、1080P、4k分辨率，30幀、60幀游戲刷新率，采用自適應碼流傳輸技術，玩家無論處于何種環境，均可享受游戲流暢運行。
快速接入
游戲開發商、游戲運營商、視頻網站均可通過中國移動云游戲PaaS、SaaS能力快速打造專屬的云游戲平臺，無需投入大量的研發、硬件、網絡等資源，即可快速開展云游戲運營業務。
多終端適配
提供Android、PC、H5版本SDK，手機、瀏覽器、機頂盒等設備通過簡單的集成即可快速接入云游戲，擺脫對終端硬件的限制，點開即玩，無需等待。
5G+邊緣加速
遍布全國的邊緣計算節點，進行游戲本地分流、渲染、計算機音視頻的編解碼，通過5G切片能力引入提供游戲專網，保障大帶寬、低延遲，為游戲運行提供QoS保障。
3.1.3 產品架構
為有研發實力的游戲廠商，通過PaaS平臺獲得游戲流化、云化應用管理、業務支撐及游戲應用適配4大核心能力，以SDK、API形式能力輸出，可以將已開發好的游戲轉換為云游戲格式，也可以基于能力進行云游戲開發：
- 游戲流化：主要負責包體云化、適配、實例調度等管理。
- 應用管理：存儲包體、游戲等元數據。
- 業務支撐：進行業務指標監控、排隊監控等業務支撐分析。
- 游戲適配：基于運行方式、操控方式等進行人工適配。
SaaS平臺提供用戶管理、產品管理、配置管理能力：
- 產品管理：主要負責產品的元數據導入、狀態管理。
- 用戶管理：主要負責支持用戶信息、在線用戶、訂單狀態等信息的在線查詢。
- 配置管理：主要負責登錄認證、數據分析、權限管理、系統設置。
3.2 主要技術能力
基于5G核心網UPF轉發面提供聯接能力，部署邊緣節點，提供ARM/X86+GPU服務器為云游戲業務提供算力。通過采用5G+MEC方案，提供貼近用戶的邊緣連接、算力和存儲等資源，構建云游戲邊緣計算網絡，使最終用戶可以就近獲得流暢無卡頓的云游戲業務體驗。
3.3 邊緣計算能力
5G MEC節點可在網絡邊緣部署豐富的基礎資源，提升用戶體驗，更好地滿足終端用戶需求。MEC是網絡的自然延伸，是業務的匯聚點，基于多樣化的業務數據及海量的終端接入，成為5G應用創新高地。
3.4 云網能力
中國移動整合網絡分流能力、機房、邊緣云、網絡切片及云游戲平臺等資源，對外提供云游戲能力SDK，游戲公司直接入駐，使用大網邊緣計算和動態切片能力融合的云網一體化服務。
3.5 PaaS平臺
PaaS平臺：為有研發實力的游戲廠商，通過PaaS平臺獲得游戲流化、云化應用管理、業務支撐及游戲應用適配4大核心能力，以SDK、API形式能力輸出，可以將已開發好的游戲轉換為云游戲格式，也可以基于能力進行云游戲開發。
- 游戲流化能力：提供流化容器，資源調度、圖像采集、編解碼等基礎流化能力：支持Windows運行環境和Android運行環境。兩種環境里的應用可以在同一云游戲PaaS平臺里提供。應用同時支持720p、1080p、4K等分辨率啟動;輸出幀率25-60fps可調;編碼碼率在512Kbps-100Mbps可調。
- 應用管理能力：負責云化以后的應用管理，應用分發，鏡像掛載、熱更管理等;
- 業務支撐能力：負責對多租戶的管理、排隊管理、支付及賬單、大數據分析及監控等;
- 云游戲應用適配能力：主要是進行游戲云化測試及適配工作。
3.6 SaaS平臺
為中小型游戲廠商或無研發實力的游戲代理商，通過SaaS平臺快速搭建自己的云游戲后臺及客戶端，除了具備PaaS層相關能力，更重要的是獲得開展云游戲運營的產品管理能力、應用管理能力、用戶管理能力、配置管理四大基礎能力，自主開展云游戲運營業務，無須開發和維護云游戲平臺。
- 應用管理：主要負責游戲的元數據、導入、狀態、服務包的管理。
- 產品管理：主要負責業務下平臺產品的管理。支持產品創建、修改;支持產品狀態機操作(測試、預上線、上線、預下線、下線、強制下線等)。
- 用戶管理：主要負責支持用戶屬性、用戶信息、在線用戶、訂購關系、訂單狀態、賬單等信息的在線查詢。
- 配置管理：主要負責登錄認證、數據分析、權限管理、系統設置、智能監控等功能。
4、總結與展望
云游戲的本質是云端算力的重新分布，具有云端的擴展性，穩定性，靈活性和集中管理等特性。云游戲從“端”到“云”和“邊”，解放了用戶側終端的限制，進而對中心算力需求大增，并且有助于實現算力的高效合理利用和分配。
隨著5G時代的到來，無論是用戶需求還是游戲市場前景，云游戲都將成為5G時代下的殺手級應用，成為5G邊緣計算產品。
參考文獻
[1] 林立，熊金波，肖如良，林銘煒，陳秀華Gaming@ Edge:基于邊緣節點的低延遲云游戲系統.
[2] 武濤，基于5G邊緣計算的云游戲服務平臺系統設計.
[3] 華為技術有限公司，杭州順網科技股份有限公司《云游戲白皮書》.
【本文為51CTO專欄作者“移動Labs”原創稿件，轉載請聯系原作者】
