本文分析了來自5G、IoT 和CDN的邊緣計算需求，對邊緣計算的總體架構(gòu)進行了研究。邊緣節(jié)點作為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中的一個重要組成部分，邊緣硬件、邊云協(xié)同和邊邊協(xié)同的技術(shù)發(fā)展將會非常重要。未來，需要解決好技術(shù)碎片化和布局等問題，促進邊緣節(jié)點的更快發(fā)展。

1、概 述

邊緣計算是指將IT 資源（計算、存儲等）從傳統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心向用戶側(cè)遷移，拉近用戶和IT 資源的物理距離，實現(xiàn)更低的數(shù)據(jù)交互時延、節(jié)省網(wǎng)絡流量，從而為用戶提供低延時、高穩(wěn)定性的IT 解決方案。邊緣計算依賴邊緣節(jié)點來完成。邊緣節(jié)點和傳統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心是相輔相成的關系。需要低延時和節(jié)省帶寬的場景可以采用邊緣的解決方案；時延不敏感、對帶寬消耗不大的傳統(tǒng)業(yè)務仍然可以采用傳統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心方案解決。邊緣節(jié)點和云數(shù)據(jù)中心分別滿足不同應用的業(yè)務需求，二者有效互補。

2、需求分析

01、5G 的需求

20 世紀末至21 世紀初，隨著固網(wǎng)帶寬的提升和技術(shù)的發(fā)展，各類門戶網(wǎng)站、微博開始興起，數(shù)據(jù)量逐漸增大；隨著3G、 4G 的使用，微信等社交APP、抖音快手等短視頻APP 開始流行，移動互聯(lián)網(wǎng)開始蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)量暴增。在這個過程中，全國各地開始了熱火朝天的大型和超大型數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃和建設。為了規(guī)范數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，2013 年，工信部發(fā)布了《關于數(shù)據(jù)中心建設布局的指導意見》；2018 年和2019 年，工信部相繼發(fā)布了《全國數(shù)據(jù)中心應用發(fā)展指引》的兩個版本。北京、上海、浙江、內(nèi)蒙古和貴州等地相繼出臺了數(shù)據(jù)中心相關的政策和發(fā)展指導意見。

2019年6 月6 日，工信部正式發(fā)布5G 商用牌照。意味著我國進入5G 時代。根據(jù)IMT-2020(5G)推進組的介紹，5G 需要具備比4G 更高的性能，支持0.1~1Gbps 的用戶體驗速率，每平方公里一百萬的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數(shù)Tbps 的流量密度，每小時500KM 以上的移動性和數(shù)十Gbps 的峰值速率。據(jù)實際測試顯示，5G 的速度能達到4G 的100 倍左右。由于5G 采用了超高頻來實現(xiàn)高速無線傳輸，導致5G 需要更大的基站密度來支撐更好的用戶體驗。

02、IoT 的需求

IoT 產(chǎn)業(yè)界仍在爭論數(shù)據(jù)的分析處理最好在哪里進行：邊緣、設備本身、本地網(wǎng)關或集中式云。一些沒有嚴格延遲需求的IoT 場景可能會被聚合到云端。然而，目前大部分的IoT 場景屬于商業(yè)、工業(yè)和運輸?shù)难舆t敏感、數(shù)據(jù)密集型技術(shù)，這些應用不太適合傳統(tǒng)云環(huán)境。例如大型移動機械和工廠裝配線、自動駕駛車輛和飛機維護、災難恢復系統(tǒng)或向技術(shù)人員發(fā)出警報以進行預防性維修等等。

前Intel CEO Brian Krzanich 在一次演講中提到，由于安裝有數(shù)百個車上傳感器，因此每行駛8 小時車輛將生成大約40TB 的數(shù)據(jù)，相當于同期3000 個人產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總和。由于需要低時延的處理，那么如果把這么多數(shù)據(jù)傳回云數(shù)據(jù)中心處理后再傳回車輛，對安全行駛產(chǎn)生的影響將難以預料。

最保守的預測也認為20年后將會有超過1000億的設備連接在互聯(lián)網(wǎng)上。這些設備包括了移動設備、可穿戴設備、家用電器、醫(yī)療設備、工業(yè)探測器、監(jiān)控攝像頭、汽車以及服裝等。它們所創(chuàng)造并分享的數(shù)據(jù)將會給工作和生活帶來一場新的信息革命。

人們將可以利用來自物聯(lián)網(wǎng)的信息來加深對世界以及自己生活的了解，并且做出更加合適的決定。與此同時，聯(lián)網(wǎng)設備也將把目前許多工作，比如監(jiān)視、管理以及維修等需要人力的工作自動化。物聯(lián)網(wǎng)連接了大量的設備，它增加了跨越不同區(qū)域的設備的數(shù)字化和自動化。此外，由這些無數(shù)設備生成的數(shù)據(jù)將顯著增加安全管理問題。因此，物聯(lián)網(wǎng)將為不同行業(yè)的許多組織帶來新的安全挑戰(zhàn)。

03、CDN 的需求

第三方 CDN 提供商利用由數(shù)千臺專業(yè)邊緣服務器和存儲組成的專用網(wǎng)絡來緩存人們使用很頻繁的內(nèi)容。根據(jù)思科發(fā)布的研究報告，到2022 年CDN將會承載72%以上的互聯(lián)網(wǎng)流量，遠高于2017 年的56%。目前許多CDN 流量都在區(qū)域核心網(wǎng)絡上，由于城域網(wǎng)絡容量增長快于核心網(wǎng)容量的增長速度，因此未來CDN 將處理更多接近最終用戶的流量。2022 年，預計將有三分之一的流量在邊緣被處理掉，高于2017 年的27%。

目前來看，CDN 提供商一般沒有自己的數(shù)據(jù)中心，他們將越來越依賴邊緣節(jié)點來提供不斷增加的空間和電力需求，以滿足其不斷增長的業(yè)務需求。而且，隨著對更廣泛的接入和更好的客戶體驗的追求，邊緣節(jié)點提供商需要去更多的二三四線城市進行部署，這對于未來非一線城市的數(shù)據(jù)中心市場將會帶來一個很大的機遇。

04、小結(jié)

網(wǎng)絡推動了應用的發(fā)展，應用實現(xiàn)了網(wǎng)絡的更多場景。不管是5G、IoT 還是CDN，它們帶來的都是海量的需要低時延處理的邊緣數(shù)據(jù)。無疑，在基礎設施領域，隨著各種需求的爆發(fā)式增長，邊緣節(jié)點將會被推上風口。

3、總體架構(gòu)分析

下圖左側(cè)是美國的現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)骨干，右邊是美國無線運營商的無線覆蓋圖。這兩個基礎設施展現(xiàn)了一種良好合作的假象。畢竟，我們幾乎可以在任何地方打開手機，閱讀電子郵件、瀏覽網(wǎng)頁或觀看電影。

圖1 美國有線和無線網(wǎng)絡示意圖

但實際上，有線和無線基礎設施是物理上和邏輯上分開的系統(tǒng)。目前，我們使用的大多數(shù)應用程序都可以容忍以秒而不是毫秒為單位的延遲。并且由于互聯(lián)網(wǎng)Best Effort 的特性，絕大多數(shù)應用對少量的丟包也并不敏感。

在未來的應用場景中，譬如自動駕駛和遠程手術(shù)，對丟包和秒級延遲是無法接受的。5G 出現(xiàn)后解決了網(wǎng)絡傳輸層面的性能問題，那就需要邊緣節(jié)點來解決應用層的數(shù)據(jù)處理問題。更多類似的低時延大帶寬需求的新的邊緣應用將大量的計算和存儲推到邊緣，這個挑戰(zhàn)是巨大的。

01、組網(wǎng)架構(gòu)

邊緣計算的部署和實現(xiàn)是和網(wǎng)絡架構(gòu)緊密相關的，原來數(shù)據(jù)需要傳回云數(shù)據(jù)中心進行處理。在邊緣節(jié)點的架構(gòu)中，數(shù)據(jù)將在合適的邊緣做分流，由本地的邊緣節(jié)點來進行處理。所以對于邊緣的網(wǎng)絡架構(gòu)來說，有兩個方面比較重要。

首先是邊緣和原來網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的關系。終端通過網(wǎng)線或者Wi-Fi 等方式接入網(wǎng)絡，根據(jù)用戶的密集度和數(shù)據(jù)量的大小，可以選擇在小區(qū)級別或者省市級別等節(jié)點進行數(shù)據(jù)分流，將邊緣計算業(yè)務數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給邊緣節(jié)點來進行處理。5G 時代實現(xiàn)了CU（ControlUnit）和DU（Data Unit）分離,UPF 設備（全稱User plane Function，負責用戶面，它代替了原來4G 中執(zhí)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能的SGW 和PGW）可以更加靠近用戶，因此未來還可以在UDF 等靠近用戶的設備上進行數(shù)據(jù)分流，將數(shù)據(jù)分流到邊緣計算來處理。所以，數(shù)據(jù)分流算法將是邊緣節(jié)點是否能夠得到高效率應用的一個關鍵點。

其次是邊緣節(jié)點之間的網(wǎng)絡關系。每個邊緣節(jié)點的處理能力有限，如要完成較大規(guī)模的應用，邏輯上各個邊緣節(jié)點之間就需要有較強魯棒性的網(wǎng)絡連接，對應用進行分布式的實時處理。每個邊緣節(jié)點都不是單獨存在的，它們是數(shù)據(jù)鏈條中的一個計算、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的點。由于5G 的部署和有線帶寬的提升，邊緣節(jié)點和數(shù)據(jù)源之間的網(wǎng)絡逐漸不再是問題，但是邊緣節(jié)點之間的網(wǎng)絡管理和分發(fā)策略將會影響到最終邊緣節(jié)點的部署效果。借助SD-WAN 技術(shù)，廣域網(wǎng)技術(shù)正在由傳統(tǒng)“兩點一線”的封閉方式，向靈活的、連接多數(shù)據(jù)中心的、開放方式演進，未來SD-WAN 在邊緣節(jié)點領域可能會有比較突出的用武之地。

圖2 邊緣節(jié)點組網(wǎng)架構(gòu)

02、邊緣節(jié)點架構(gòu)

邊緣節(jié)點在物理上是一個單獨的數(shù)據(jù)中心，麻雀雖小五臟俱全。從架構(gòu)上來看，邊緣節(jié)點分為制冷、環(huán)境等基礎設施，邊緣服務器、交換機等硬件，邊緣網(wǎng)絡架構(gòu)，PaaS 以及SaaS 平臺。

圖3 邊緣節(jié)點框架

基礎設施層面，邊緣節(jié)點部署環(huán)境更加貼近用戶，部署面積和規(guī)模相對較小，運行環(huán)境的控制力將遠不如云數(shù)據(jù)中心，所以一般會采用輕量級的移動邊緣節(jié)點的模塊快速完成基礎設備的部署?；A設施方面的安全解決方案，也是一個需要重點考慮的問題。當某個邊緣節(jié)點出現(xiàn)故障，通過近點冗余，對應用產(chǎn)生的影響降到最低。

邊緣硬件主要包括邊緣服務器和交換機。環(huán)境的惡劣性帶來了對硬件設備要求的提高，硬件的運行溫度范圍，對空氣質(zhì)量、震動的要求等等將會比云數(shù)據(jù)中心的要求更高。PaaS 層面需要提供微服務的部署框架，支撐各種應用的微服務的部署和管理。SaaS 層面提供各種業(yè)務的邊緣軟件部署。

此外，整個邊緣節(jié)點的安全性和運維管理將是兩個重要方面。由于部署位置的特點，無法對邊緣節(jié)點實現(xiàn)云數(shù)據(jù)中心那樣的強力集中管控，不管是物理環(huán)境的安全還是網(wǎng)絡的安全，都將是邊緣節(jié)點需要面臨的重要問題。這些因素也導致了對邊緣節(jié)點的運維管理必然與傳統(tǒng)的方式不同，需要研究更加有效更有針對性的邊緣節(jié)點運維管理模式，以發(fā)揮邊緣節(jié)點的更大價值。

4、核心技術(shù)研究

邊緣計算在產(chǎn)業(yè)落地的過程中，有如下的核心計算需要相關企業(yè)在產(chǎn)業(yè)過程中不斷的攻克和完善。

01、邊緣硬件

邊緣硬件主要指邊緣通用服務器、網(wǎng)絡設備、制冷等一系列基礎設施。邊緣計算業(yè)務的部署位置往往更加靠近用戶，所以在部署空間相對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心較小，機房的條件相對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心也相對較差，部署業(yè)務規(guī)模隨著用戶動態(tài)靈活擴展和收縮，這些都對邊緣硬件提出了更多的新的要求，其中包括不限于：高密度的計算和存儲能力、在更小的空間下操作和維護的能力、更高的可靠性（適應惡劣環(huán)境的穩(wěn)定運行能力）、自散熱能力等。

在開放數(shù)據(jù)中心委員會（ODCC），三大運營商提出了OTII 項目，這可以認為是一種邊緣服務器的嘗試。此前，一般的思路是讓邊緣機房的環(huán)境適配現(xiàn)有的標準服務器設備，但在這個過程中為了滿足服務器的承重、配電以及濕度、溫度等環(huán)境要求，需要在邊緣機房的改造上下很大的成本。因此，OTII 項目換了一個思路，研發(fā)具有邊緣特色的服務器設備，來適配現(xiàn)有的機房。目前OTII 服務器在中國電信已經(jīng)得到了少量的應用部署。

02、邊云協(xié)同

邊緣節(jié)點為用戶提供就近的邊緣計算服務，但是邊緣計算節(jié)點并不是數(shù)據(jù)孤島，邊緣節(jié)點根據(jù)不同的業(yè)務需求需要和遠端數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)交互，通過邊緣和數(shù)據(jù)中心的互動來為客戶提供更好的業(yè)務服務。

邊云協(xié)同的主要作用和價值，首先是實現(xiàn)多邊緣節(jié)點的負荷分擔和智能調(diào)度?；诓煌倪吘壒?jié)點的資源占用，流量大小，健康狀態(tài)來做更加全局和高效的智能調(diào)度。其次是提供全局的業(yè)務整合能力，滿足應用快速移動業(yè)務的應用需求。例如：車聯(lián)網(wǎng)應用中，如果僅僅了解一個邊緣節(jié)點覆蓋范圍的交通信息是遠遠不夠的，往往在長途駕駛中需要了解全路徑的交通信息，以規(guī)劃更好的交通線路。這些都需要全局的數(shù)據(jù)信息，需要數(shù)據(jù)中心針對多個邊緣的節(jié)點的信息做匯總，做中心統(tǒng)一的智能規(guī)劃。再次，助力AI 和大數(shù)據(jù)業(yè)務后臺實現(xiàn)。人工智能和大數(shù)據(jù)業(yè)務都需要大量的數(shù)據(jù)進行運算，邊緣提取出的有價值信息，都需要同步到數(shù)據(jù)中心進行更加深入的模型訓練。

03、邊邊協(xié)同

邊緣節(jié)點除了和中心節(jié)點需要做數(shù)據(jù)交互之外，邊緣和邊緣之間的數(shù)據(jù)交互也是非常必要的，邊緣和邊緣協(xié)同有效幫助用戶解決在不同的邊緣之間的流暢切換，例如：用戶在高速移動（駕車或者高鐵等）場景使用邊緣計算業(yè)務，需要能快速在不同的邊緣節(jié)點之間的做狀態(tài)信息的同步，以保證用戶業(yè)務不受邊緣節(jié)點切換的影響。

如前文所述，邊緣節(jié)點之間的網(wǎng)絡架構(gòu)將會是一個關鍵的技術(shù)方面。以CDN 為例，傳統(tǒng)的CDN接入方式一般是CDN 邊緣pop 接入城域網(wǎng)，CDN骨干POP 點、省級CDN 內(nèi)容中心和CDN 省級管理中心接入省會節(jié)點IDC，省會IDC 連接骨干網(wǎng)。在邊邊協(xié)同的場景下，需要CDN 之間進行更短路徑的連接，這對于未來的網(wǎng)絡架構(gòu)設計提出了更高的要求。

5、存在問題分析

邊緣節(jié)點規(guī)模雖小，但數(shù)量多，總量大，物理分散，我國基礎運營商、IDC 服務商、設備廠商等紛紛開始布局，但在其技術(shù)研究及推廣應用過程中面臨諸多問題。

01、技術(shù)碎片化和發(fā)展不確定性

邊緣側(cè)技術(shù)體系的每個領域都有大量的技術(shù)選擇：目前業(yè)界有超過6 種以上的工業(yè)實時以太技術(shù)，超過40 種工業(yè)總線，還有多種公私有云平臺；人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)在行業(yè)應用還是早期探索階段，存在不確定性風險。

基礎運營商、數(shù)據(jù)中心服務商、通信及大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等各角色企業(yè)在邊緣節(jié)點技術(shù)研究及推行方面都有各自優(yōu)勢及資源。但目前基于各自業(yè)務特點，這些企業(yè)對邊緣節(jié)點理解層面各不相同，研究方向各有不同，無法實現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補。

5G、邊緣節(jié)點、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、車聯(lián)網(wǎng)等新型信息化技術(shù)只有實現(xiàn)融合發(fā)展，才能展示其真正的魅力。但從事這些技術(shù)的研究單位、團體，所屬領域各不相同，對邊緣節(jié)點理解層面各不相同，缺乏統(tǒng)一的溝通交流平臺。最重要的是，邊緣云與邊緣節(jié)點概念混淆，部分廠商忽略對基礎設施的研究，盲目追求新概念，造成數(shù)據(jù)中心技術(shù)無法實現(xiàn)同步發(fā)展，無法真正實現(xiàn)技術(shù)落地。

02、難以適應現(xiàn)行數(shù)據(jù)中心布局政策及市政管理辦法

目前國家及各地方政府相關數(shù)據(jù)中心布局政策均針對云數(shù)據(jù)中心制定，提倡數(shù)據(jù)中心合理布局、綠色發(fā)展。而邊緣節(jié)點具有規(guī)模小、數(shù)量多等特點難以適應相關政策。以北京地區(qū)為例，在北京市政府公布的《北京市新增產(chǎn)業(yè)的禁止和限制目錄（2015）版》中規(guī)定禁止新建和擴建數(shù)據(jù)中心（PUE值在1.5 以下的云計算數(shù)據(jù)中心除外）；在其2018版中將此項更改為禁止新建和擴建數(shù)據(jù)中心。

邊緣節(jié)點根據(jù)業(yè)務需求將有多樣化的部署模式?？梢蕾噦鹘y(tǒng)機房環(huán)境、5G 基站、生產(chǎn)車間、樓頂、公園、倉庫等多種空間環(huán)境。在這些空間環(huán)境中大量部署邊緣節(jié)點將帶來市政與環(huán)境、供電、供網(wǎng)、供水等一系列問題。

6、總結(jié)與展望

邊緣是個相對的概念，互聯(lián)網(wǎng)之于傳統(tǒng)電信網(wǎng)，云計算之于互聯(lián)網(wǎng)，私有云之于公有云都可以被認為是邊緣計算。在對邊緣計算尚沒有明確定義的時候，對于基礎設施來說就存在著各種發(fā)展可能。

未來邊緣計算市場空間廣闊。據(jù)IDC 預測，2020年將有超過500 億的終端與設備聯(lián)網(wǎng)，而有50%的物聯(lián)網(wǎng)將面臨網(wǎng)絡帶寬的限制，40%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡邊緣分析、處理與儲存。邊緣計算市場規(guī)模將超萬億，將成為與云計算平分秋色的新興市場。邊緣計算的廣闊市場空間將帶給整個產(chǎn)業(yè)界帶來無限的想象空間和嶄新的發(fā)展機遇。
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