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邊緣計算助力云游戲成為5G時代的殺手級應(yīng)用

2021年8月4日 09:59  移動Labs  作 者:王超

Labs 導(dǎo)讀

隨著技術(shù)、架構(gòu)以及商業(yè)模式的快速發(fā)展和完善,邊緣計算作為一種成熟的計算范型已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。邊緣計算是為應(yīng)用開發(fā)者和服務(wù)提供商在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)提供云服務(wù)和IT環(huán)境服務(wù),“邊緣”指的是位于管理域的邊緣,盡可能地靠近數(shù)據(jù)源或用戶,其目標(biāo)是在靠近數(shù)據(jù)輸入或用戶的地方提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)帶寬。云游戲正是近年來出現(xiàn),被認(rèn)為是“殺手級”的邊緣計算應(yīng)用。云游戲的本質(zhì)是云端算力的重新分布,具有云端的擴(kuò)展性,穩(wěn)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(cè)終端的限制,進(jìn)而對中心算力需求大增,并且有助于實(shí)現(xiàn)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(yīng)用,成為5G邊緣計算產(chǎn)品。

作者介紹:王超

中國移動云能力中心SaaS產(chǎn)品部技術(shù)推進(jìn)組成員,邊緣應(yīng)用產(chǎn)品組云游戲研發(fā)經(jīng)理。目前負(fù)責(zé)云游戲服務(wù)平臺的研發(fā)工作。熟悉云游戲應(yīng)用的架構(gòu)設(shè)計方法及方案,對邊緣應(yīng)用的設(shè)計也有比較深入的研究及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 邊緣計算

1.1 什么是邊緣計算

邊緣計算出現(xiàn)的時間并不長,這一概念有許多人進(jìn)行過概括,范圍界定和闡述各有不同,甚至有些是重復(fù)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(fā)并發(fā)起的,以Apache許可證授權(quán)的自由軟件和開放源代碼項(xiàng)目)社區(qū)的定義概念:邊緣計算是為應(yīng)用開發(fā)者和服務(wù)提供商在網(wǎng)絡(luò)的邊緣側(cè)提供云服務(wù)和IT環(huán)境服務(wù);目標(biāo)是在靠近數(shù)據(jù)輸入或用戶的地方提供計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)帶寬。

通俗地說:邊緣計算本質(zhì)上是一種服務(wù),就類似于云計算、大數(shù)據(jù)服務(wù),但這種服務(wù)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(nèi)容都特別快。

邊緣計算著重要解決的問題,是傳統(tǒng)云計算(或者說是中央計算)模式下存在的高延遲、網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定和低帶寬問題。舉一個現(xiàn)實(shí)的例子,幾乎所有人都遇到過手機(jī)APP出現(xiàn)404錯誤的情況,這樣的一些錯誤出現(xiàn)就和網(wǎng)絡(luò)狀況、云服務(wù)器帶寬限制有關(guān)系。由于資源條件的限制,云計算服務(wù)不可避免受到高延遲和網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)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(shù)據(jù)收集點(diǎn),邊緣計算能夠大大減少在云中心模式站點(diǎn)下給應(yīng)用程序所帶來的影響。

下圖是一個邊緣計算網(wǎng)絡(luò)的概念圖,它是連接設(shè)備和云端的重要中間環(huán)節(jié)。

圖1 邊緣計算基本網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

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(shí)時性和帶寬密集型的業(yè)務(wù)提供更好的支持。綜合來看,具有以下優(yōu)點(diǎn):

安全性更高

邊緣計算中的數(shù)據(jù)僅在源數(shù)據(jù)設(shè)備和邊緣設(shè)備之間交換,不再全部上傳至云計算平臺,防范了數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險。

低時延

據(jù)運(yùn)營商估算,若業(yè)務(wù)經(jīng)由部署在接入點(diǎn)的 MEC 完成處理和轉(zhuǎn)發(fā),則時延有望控制在 1ms 之內(nèi);若業(yè)務(wù)在接入網(wǎng)的中心處理網(wǎng)元上完成處理和轉(zhuǎn)發(fā),則時延約在 2~5ms 之間;即使是經(jīng)過邊緣數(shù)據(jù)中心內(nèi)的 MEC 處理,時延也能控制在 10ms 之內(nèi),對于時延要求高的場景,如自動駕駛,邊緣計算更靠近數(shù)據(jù)源,可快速處理數(shù)據(jù)、實(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)本地處理,大流量業(yè)務(wù)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(jī)或在引擎中工作的聚合傳感器)會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù),在這些情況下,將所有這些信息發(fā)送到云計算中心將花費(fèi)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(lián)時代走向物聯(lián)時代,連接數(shù)的大量增長,疊加邊緣計算自身優(yōu)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?qū)鹘y(tǒng)游戲的存儲、計算和渲染都轉(zhuǎn)移到云端,實(shí)時的游戲畫面串流到終端進(jìn)行顯示,最終呈現(xiàn)給用戶。云游戲又被稱為GaaS(Game as a Service),它將游戲體驗(yàn)變成了一種服務(wù),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(nèi)容,在成本、時間、內(nèi)容、維護(hù)等方面提升了游戲體驗(yàn)。

圖2 云游戲原理示意圖

與本地游戲相比,云游戲增加了抓屏、編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸、解碼等主要過程,即流化過程。區(qū)別于端游、頁游、手游和主機(jī)游戲,云游戲的游戲資源、運(yùn)行、渲染都在云端完成,相當(dāng)于是用戶在云端玩游戲。

表1 云游戲與端游、頁游、手游的對比

端游(客戶端游戲)需要先從游戲官網(wǎng)下載一個游戲客戶端到本地硬盤中運(yùn)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(yùn)行游戲的各項(xiàng)邏輯計算和渲染。游戲運(yùn)行速度、畫面效果取決于本地電腦的硬件配置。

頁游(網(wǎng)頁游戲)和小游戲,雖然看起來無須下載和安裝客戶端,但實(shí)際上游戲資源和邏輯均需要在打開網(wǎng)頁時加載至本地,因此游戲的運(yùn)行也是在本地完成。

手游和主機(jī)游戲的原理都類似于端游,它們的區(qū)別是終端平臺不同。

云游戲,本質(zhì)上是一種基于云計算的遠(yuǎn)程技術(shù)應(yīng)用,只需將游戲下載到云端服務(wù)器上存儲并運(yùn)行,游戲渲染出來的每一幀視頻畫面,通過網(wǎng)絡(luò)傳送到指定的終端進(jìn)行解碼輸出。云游戲和云桌面、遠(yuǎn)程控制都屬于遠(yuǎn)程技術(shù)的應(yīng)用,技術(shù)原理相似,但這三者的側(cè)重點(diǎn)不同。遠(yuǎn)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(shí)體都在云端,但云桌面通常不帶GPU。遠(yuǎn)程控制和云桌面的功能沒有針對游戲來設(shè)計,都不適合用來玩游戲,而云游戲?qū)τ螒蚬δ苓M(jìn)行了深度優(yōu)化,因此能提供優(yōu)質(zhì)的游戲體驗(yàn)。

從云游戲的原理看,終端只需要進(jìn)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(jī)、電視盒子等設(shè)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(yàn)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(tài)等維度看,云游戲之間又存在區(qū)別。

2.2.1 按計算平臺:x86架構(gòu)以及ARM架構(gòu)

游戲三個主流市場是PC端游、主機(jī)游戲、手游,按照計算平臺,云游戲同樣也可以分兩類,x86架構(gòu)和ARM架構(gòu)(這里的x86架構(gòu)和ARM架構(gòu)是指真正運(yùn)行游戲的云平臺的架構(gòu),而非終端的架構(gòu))。x86架構(gòu)的云平臺主要針對于PC端游和主機(jī)游戲的云化,ARM架構(gòu)的云平臺主要針對手游的云化。PC端游和主機(jī)游戲?qū)K端性能的要求更高,云化的需求更加強(qiáng)烈。

 

圖3 云游戲的主要兩種架構(gòu)

2.2.2 按串流方式:游戲窗口串流與桌面串流

云游戲的產(chǎn)品形態(tài)主要有兩種,游戲窗口串流和桌面串流。前者的特點(diǎn)是云端僅將游戲窗口內(nèi)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(yù)置各類熱門網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)吧電腦一樣。

 

表2 云游戲的兩種串流方式

2.2.3 按資源形態(tài):虛擬機(jī)流派與物理機(jī)流派

目前市場上主流兩種資源形態(tài),虛擬機(jī)流派和物理機(jī)流派。虛擬機(jī)流派一般采用服務(wù)器和專業(yè)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(jī)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(qū)動的適配更好。

 

表3 云游戲的兩種主要流派

2.3 云游戲整體架構(gòu)

云游戲整體架構(gòu)由內(nèi)容層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層、終端層協(xié)同構(gòu)建,如下圖所示。

 

圖4 云游戲整體架構(gòu)

內(nèi)容層主要負(fù)責(zé)游戲內(nèi)容源,主要由游戲提供商提供,從技術(shù)角度上,任何端游、主機(jī)游戲、手游都可以移植到相同運(yùn)行環(huán)境的云平臺上。

平臺層主要包含業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和云渲染節(jié)點(diǎn)。業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)內(nèi)容、用戶、資源的管理,為云游戲業(yè)務(wù)提供資源的調(diào)度和分配。云渲染節(jié)點(diǎn)是云游戲的核心之一,負(fù)責(zé)響應(yīng)終端的操作指令,實(shí)現(xiàn)邏輯計算、實(shí)時渲染、流化編碼、推流等功能。一般情況下一個業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)可以對多個云渲染節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。云渲染節(jié)點(diǎn)一般需要靠近用戶部署。

網(wǎng)絡(luò)層主要涉及骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)和家庭網(wǎng)絡(luò),如圖5所示;也可以用移動承載的方式,如圖6所示,用5G網(wǎng)絡(luò)承載云游戲業(yè)務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)連接云平臺和終端,其功能是將云端渲染好的畫面,實(shí)時地、穩(wěn)定地傳輸?shù)接脩舻慕K端,網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與云游戲體驗(yàn)的關(guān)系緊密,帶寬、時延、抖動、丟包等都會對體驗(yàn)產(chǎn)生影響。

 

圖5 固定承載網(wǎng)絡(luò)

 

圖6 移動承載網(wǎng)絡(luò)

終端層主要由顯示設(shè)備、游戲操作設(shè)備組成,顯示設(shè)備主要包含PC(臺式或者筆記本)、機(jī)頂盒與電視、手機(jī)、PAD等,操作設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、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(jìn)行顯示呈現(xiàn),同時對接操作輸入模塊,將操作輸入指令上傳到云平臺。

 

圖7 終端設(shè)備

3 邊緣計算在云游戲產(chǎn)品上的應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 移動云云游戲服務(wù)平臺

3.1.1 產(chǎn)品介紹

移動云云游戲服務(wù)平臺是基于中國移動“5G+云+邊”能力,推出的集邊緣節(jié)點(diǎn)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(wù)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(jī),自助開展云游戲業(yè)務(wù)運(yùn)營,對玩家進(jìn)行管理,無需開發(fā)和維護(hù)底層平臺。

3.1.2 產(chǎn)品特點(diǎn)

全面適配

全面適配手機(jī)、主機(jī)游戲,提供720P、1080P、4k分辨率,30幀、60幀游戲刷新率,采用自適應(yīng)碼流傳輸技術(shù),玩家無論處于何種環(huán)境,均可享受游戲流暢運(yùn)行。

快速接入

游戲開發(fā)商、游戲運(yùn)營商、視頻網(wǎng)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(fā)、硬件、網(wǎng)絡(luò)等資源,即可快速開展云游戲運(yùn)營業(yè)務(wù)。

多終端適配

提供Android、PC、H5版本SDK,手機(jī)、瀏覽器、機(jī)頂盒等設(shè)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(diǎn)開即玩,無需等待。

5G+邊緣加速

遍布全國的邊緣計算節(jié)點(diǎn),進(jìn)行游戲本地分流、渲染、計算機(jī)音視頻的編解碼,通過5G切片能力引入提供游戲?qū)>W(wǎng),保障大帶寬、低延遲,為游戲運(yùn)行提供QoS保障。

3.1.3 產(chǎn)品架構(gòu)

 

圖8 移動云云游戲系統(tǒng)架構(gòu)

為有研發(fā)實(shí)力的游戲廠商,通過PaaS平臺獲得游戲流化、云化應(yīng)用管理、業(yè)務(wù)支撐及游戲應(yīng)用適配4大核心能力,以SDK、API形式能力輸出,可以將已開發(fā)好的游戲轉(zhuǎn)換為云游戲格式,也可以基于能力進(jìn)行云游戲開發(fā):

游戲流化:主要負(fù)責(zé)包體云化、適配、實(shí)例調(diào)度等管理。

應(yīng)用管理:存儲包體、游戲等元數(shù)據(jù)。

業(yè)務(wù)支撐:進(jìn)行業(yè)務(wù)指標(biāo)監(jiān)控、排隊監(jiān)控等業(yè)務(wù)支撐分析。

游戲適配:基于運(yùn)行方式、操控方式等進(jìn)行人工適配。

SaaS平臺提供用戶管理、產(chǎn)品管理、配置管理能力:

產(chǎn)品管理:主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品的元數(shù)據(jù)導(dǎo)入、狀態(tài)管理。

用戶管理:主要負(fù)責(zé)支持用戶信息、在線用戶、訂單狀態(tài)等信息的在線查詢。

配置管理:主要負(fù)責(zé)登錄認(rèn)證、數(shù)據(jù)分析、權(quán)限管理、系統(tǒng)設(shè)置。

3.2 主要技術(shù)能力

基于5G核心網(wǎng)UPF轉(zhuǎn)發(fā)面提供聯(lián)接能力,部署邊緣節(jié)點(diǎn),提供ARM/X86+GPU服務(wù)器為云游戲業(yè)務(wù)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(gòu)建云游戲邊緣計算網(wǎng)絡(luò),使最終用戶可以就近獲得流暢無卡頓的云游戲業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

 

3.3 邊緣計算能力

5G MEC節(jié)點(diǎn)可在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署豐富的基礎(chǔ)資源,提升用戶體驗(yàn),更好地滿足終端用戶需求。MEC是網(wǎng)絡(luò)的自然延伸,是業(yè)務(wù)的匯聚點(diǎn),基于多樣化的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及海量的終端接入,成為5G應(yīng)用創(chuàng)新高地。

 

邊緣計算能力

3.4 云網(wǎng)能力

中國移動整合網(wǎng)絡(luò)分流能力、機(jī)房、邊緣云、網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)邊緣計算和動態(tài)切片能力融合的云網(wǎng)一體化服務(wù)。

 

云網(wǎng)能力

3.5 PaaS平臺

PaaS平臺:為有研發(fā)實(shí)力的游戲廠商,通過PaaS平臺獲得游戲流化、云化應(yīng)用管理、業(yè)務(wù)支撐及游戲應(yīng)用適配4大核心能力,以SDK、API形式能力輸出,可以將已開發(fā)好的游戲轉(zhuǎn)換為云游戲格式,也可以基于能力進(jìn)行云游戲開發(fā)。

 

游戲流化能力:提供流化容器,資源調(diào)度、圖像采集、編解碼等基礎(chǔ)流化能力:支持Windows運(yùn)行環(huán)境和Android運(yùn)行環(huán)境。兩種環(huán)境里的應(yīng)用可以在同一云游戲PaaS平臺里提供。應(yīng)用同時支持720p、1080p、4K等分辨率啟動;輸出幀率25-60fps可調(diào);編碼碼率在512Kbps-100Mbps可調(diào)。

應(yīng)用管理能力:負(fù)責(zé)云化以后的應(yīng)用管理,應(yīng)用分發(fā),鏡像掛載、熱更管理等;

業(yè)務(wù)支撐能力:負(fù)責(zé)對多租戶的管理、排隊管理、支付及賬單、大數(shù)據(jù)分析及監(jiān)控等;

云游戲應(yīng)用適配能力:主要是進(jìn)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(fā)實(shí)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(guān)能力,更重要的是獲得開展云游戲運(yùn)營的產(chǎn)品管理能力、應(yīng)用管理能力、用戶管理能力、配置管理四大基礎(chǔ)能力,自主開展云游戲運(yùn)營業(yè)務(wù),無須開發(fā)和維護(hù)云游戲平臺。

應(yīng)用管理:主要負(fù)責(zé)游戲的元數(shù)據(jù)、導(dǎo)入、狀態(tài)、服務(wù)包的管理。

產(chǎn)品管理:主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)下平臺產(chǎn)品的管理。支持產(chǎn)品創(chuàng)建、修改;支持產(chǎn)品狀態(tài)機(jī)操作(測試、預(yù)上線、上線、預(yù)下線、下線、強(qiáng)制下線等)。

用戶管理:主要負(fù)責(zé)支持用戶屬性、用戶信息、在線用戶、訂購關(guān)系、訂單狀態(tài)、賬單等信息的在線查詢。

配置管理:主要負(fù)責(zé)登錄認(rèn)證、數(shù)據(jù)分析、權(quán)限管理、系統(tǒng)設(shè)置、智能監(jiān)控等功能。

4 總結(jié)與展望

云游戲的本質(zhì)是云端算力的重新分布,具有云端的擴(kuò)展性,穩(wěn)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(cè)終端的限制,進(jìn)而對中心算力需求大增,并且有助于實(shí)現(xiàn)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(yīng)用,成為5G邊緣計算產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 林立,熊金波,肖如良,林銘煒,陳秀華Gaming@ Edge:基于邊緣節(jié)點(diǎn)的低延遲云游戲系統(tǒng).

[2] 武濤,基于5G邊緣計算的云游戲服務(wù)平臺系統(tǒng)設(shè)計.

[3] 華為技術(shù)有限公司,杭州順網(wǎng)科技股份有限公司《云游戲白皮書》.

編 輯:章芳
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