邊緣數據中心:邊緣計算風口下數據中心的未來
2019年08月02日19:32

隨著5G時代的到來,為更好地支撐高密度、大帶寬和低時延業務場景,業界提出從“核心計算”模式轉化為邊緣計算模式就近解決網絡傳輸問題。而推廣邊緣計算模式迫切需要基礎設施層面的變革——邊緣數據中心成為有效解決方案。

文 |朱曉雲

一、引言

(1)5G時代邊緣計算取代“核心計算”

近年來,我國移動網絡通信技術發展迅猛,尤其是物聯網(IoT)的發展對網絡通信技術提出新的需求,我國從4G時代進入5G時代。5G的傳輸速率大大提升,網絡時延大大降低。未來5G將廣泛應用於生活的各個方面,如自動駕駛汽車、無人機飛行、VR/AR、移動醫療等。這些業務場景不僅需要非常低的、確定的網絡時延而且需要海量、異構、多樣性數據接入。在此背景下,集中式的計算處理模式將面臨難解的瓶頸和壓力,邊緣計算模式成為有效解決方案。邊緣計算模式是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側,構建分佈式開放平台,就近提供邊緣智能服務,滿足行業數字化在敏捷鏈接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

(2)邊緣計算模式下基礎設施層面需要新的技術支撐——邊緣數據中心

在各種新興信息技術發展曆程中,其最終落地都需要基礎設施層面的支撐,通過數據中心領域的變革真正實現推廣應用。隨著雲計算技術的推廣,數據中心雲化,實現了計算、存儲、網絡虛擬化,促使數據中心集約化、高密度發展,資源利用率大大提高。隨著大數據技術的推廣,數據中心指數級提高計算能力,進一步集約化、高密度發展對大數據業務實現基礎設施支撐。隨著邊緣計算模式的推廣,又將對數據中心提出怎樣的技術需求呢?

在邊緣計算模式下,為更好地支撐高密度、大帶寬和低時延業務場景,唯一有效的方式為在靠近用戶的網絡邊緣側構建業務平台,提供存儲、計算、網絡等資源,將部分關鍵業務應用下沉到接入網絡邊緣,以減少網絡傳輸和多級轉髮帶來的帶寬與時延損耗。

這種在網絡邊緣側構建的新型基礎設施區別於集中化的雲數據中心,具有以下技術特點:

●在網絡傳輸方面:海量的數據不再需要上傳至雲端進行處理,大大降低了網絡延時;同時,核心網傳輸壓力下降,避免了網絡堵塞,網絡傳輸速率大大增加。

●在可靠性方面:邊緣數據中心成為數據的第一入口,應具備對海量業務數據的實時分析處理能力,以及高性能的數據處理及傳輸可靠性。

●在部署特點方面:邊緣數據中心部署非常靠近信息源,具有屬地化(地級市及以下)部署特點,分佈極為廣泛,只滿足屬地用戶需求,具有規模小、數量多、分散部署等特點。

業界將這種在網絡邊緣側部署的新型基礎設施稱為邊緣數據中心,即邊緣數據中心位於用戶端和集中化的雲數據中心之間,提供小型化、分佈式、貼近用戶的數據中心環境。因此,網絡支撐層次由原來的兩層(集中式雲數據中心:用戶端)轉變為3層(集中式雲數據中心:邊緣數據中心:用戶端),具體參見圖1。

圖1 集中式雲數據中心架構與邊緣數據中心架構對比圖

二、主要技術應用場景

邊緣數據中心是為支撐更低延遲的5G新業務開展而生。由於5G所支持的終端密度非常大,其帶來的數據量也會非常驚人。通過邊緣數據中心,把雲數據中心的IT資源遷移到靠近用戶側,將更加靠近此類數據,方便數據的處理。同時,邊緣數據中心可有效促進5G、人工智能、物聯網等新興技術的落地,加速新興技術在各傳統領域中的推廣應用,促使新業務形態產生。例如,在交通領域中與5G、物聯網技術融合發展,促進智能駕駛汽車業務規模化發展;在醫療領域中與5G、AR/VR技術融合發展,促使遠程醫療(包括遠程手術、遠程監護等)業務規模化發展。

(1)5G移動通信技術

邊緣數據中心的建設有助於支持更低延遲的5G新業務開展。通過把中心局的IT資源遷移到基站側,將更加靠近用戶,可以有效減少延遲。邊緣數據中心與5G通信、物聯網、人工智能等新興技術融合發展,加速走向規模化,將促使新的業務形態產生,如智慧交通(如無人駕駛汽車)、智能金融(如無人值守金融網點)、智慧教育(如未來教室)、智能安防(如平安城市)等。

基礎運營商將借助NFV及MEC技術,將CDN網元雲化並下沉到靠近終端用戶側的邊緣節點,部署到下一代端局中的邊緣數據中心裡,可以確保資源的彈性和最大化利用,一定程度上將有效緩解網絡壓力,為用戶提供更優良的體驗感。

(2)車聯網

邊緣數據中心可以很好地助力車聯網,通過把車聯網雲“下沉”至邊緣數據中心,如通信基站、小基站、彙聚站點的邊緣計算節點,為車聯網平台提供網絡、計算、存儲、應用的核心能力,解決延時、帶寬和計算性能的問題。通過運行移動邊緣計算應用,可以就近提供各種車聯網功能,實現安全避讓、速度引導、路徑優化、區域交通流量分析等,為最終實現自動駕駛提供服務。

(3)CDN

CDN與生俱來的邊緣節點屬性令其在邊緣計算市場具備先發優勢,CDN本身就是邊緣計算的雛形。未來的CDN需要大量的邊緣設備,無論是從CDN轉向邊緣計算,還是在原有的CDN體系中加入邊緣計算的概念,利用邊緣計算來提升CDN自身競爭力都是不錯的選擇,邊緣計算模式能夠助力CDN更智能、高效和穩定。構建邊緣數據中心,借助NFV及MEC技術,將CDN網元雲化並下沉到靠近終端用戶側的邊緣節點,可以確保資源的彈性和最大化利用,一定程度上將有效緩解網絡壓力,為用戶提供更優良的體驗感。

(4)AR/VR

增強現實(Augmented Reality,AR)技術包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控製、多傳感器融合、實時跟蹤及註冊、場景融合等新技術與新手段。虛擬現實技術(Virtual Reality,VR)也是多種技術的綜合,包括實時三維計算機圖形技術、廣角(寬視野)立體顯示技術、對觀察者頭眼和手的跟蹤技術,以及觸覺/力覺反饋、立體聲、網絡傳輸、語音輸入/輸出技術等。AR/VR體驗是資源密集型的,需要快速的響應時間。現有的網絡基礎架構限製了AR/VR的發展,未來邊緣數據中心技術架構增強了AR/VR的運算能力,大大降低了網絡時延,對用戶體驗有很大的提升。

三、技術發展趨勢

(1)我國邊緣數據中心發展現狀

目前,邊緣數據中心處於發展初期,但其應用前景廣闊,我國通信、互聯網企業紛紛開始佈局。從ODCC 2018年度峰會上看,業內各科研機構、運營商及設備廠商等均在關注邊緣計算、邊緣數據中心。在峰會上,ODCC發佈的研究成果《邊緣數據中心應用場景白皮書》受到行業極大關注。基礎運營商分別開始在全國範圍內大規模啟動邊緣數據中心規劃建設工作;華為搭建邊緣計算開發測試平台,並在工業無線、數據集成、SDN、安全等關鍵領域展開技術研究;阿里等互聯網巨頭開始推廣針對不同的計算場景的邊緣計算產品;部分有實力的IDC服務商也開始與基礎運營商合建邊緣數據中心。

(2)邊緣數據中心技術發展趨勢

未來數據中心產業將呈現“邊緣數據中心+雲數據中心”兩極化發展模式。一方面,受雲計算、新型運維等技術推動及市場競爭影響,雲數據中心資源逐步整合,呈現規模化、高密度發展趨勢;另一方面,將湧現大量小型、微型邊緣數據中心,以保障邊緣側的時延敏感型業務。

邊緣數據中心將採用分佈式架構。物理分散的邊緣數據中心在邏輯上形成一個整體,它們之間將會通過更大帶寬的網絡實現互聯,需要有綜合調度平台將不同地理位置的邊緣數據中心進行統一管理、動態調度。

未來幾年甚至更長時間內,集中化的雲數據中心不會消失。集中存儲、數據挖掘分析等業務數據量和計算量巨大,仍然需要強大的雲平台對相關業務進行集中高效處理,將所有計算轉移到邊緣處理會引發分佈的、無擔保的混亂情況出現。

用戶端的能力有限,為更好地支撐業務推廣,邊緣數據中心更勝一籌。以自動駕駛汽車為例,如果不引入邊緣數據中心,而是給單一汽車配置足夠的傳感設備、大計算力及大容量的車載計算單元使其具備足夠的處理各種環境數據、及時與其他車輛通信的能力,將面臨大量的車輛軟硬改造及安規監測費用,耗費更多的電力,大大增加機器故障概率,不適合產業化推廣。

邊緣數據中心不僅僅是小型數據中心。未來,邊緣數據中心是數據的第一入口,且部署環境往往開放、複雜、惡劣,需要先進製冷、高安全可靠性解決方案、無人值守、自動化運維、分佈式架構、指數級提高的計算能力等技術支撐。

四、我國存在問題分析

邊緣數據中心規模雖小,但數量多,總量巨大,物理分散,將對我國數據中心行業造成巨大影響。我國基礎運營商、IDC服務商、設備廠商等紛紛開始佈局,但在其技術研究及推廣應用過程中面臨諸多問題。

(1)難以適應現行數據中心佈局政策及市政管理辦法

目前,國家及各地政府相關數據中心佈局政策均針對集中式雲數據中心製定,提倡數據中心合理佈局、綠色發展,而邊緣數據中心具有規模小、數量多等特點難以適應相關政策。以北京地區為例,在北京市政府公佈的《北京市新增產業的禁止和限製目錄(2015)版》中規定禁止新建和擴建數據中心(PUE值在1.5以下的雲計算數據中心除外);在其2018版中將此項更改為禁止新建和擴建數據中心。

邊緣數據中心根據業務需求將有多樣化的部署模式。可依賴傳統機房環境、5G基站、生產車間、樓頂、公園、倉庫等多種空間環境,在這些空間環境中大量部署邊緣數據中心將帶來市政與環境、供電、供網、供水等一系列問題。

(2)研究資源難以同向發力,形成合力

基礎運營商、數據中心服務商、通信及大型互聯網企業等各角色企業在邊緣數據中心技術研究及推行方面都有各自優勢及資源。但目前基於各自業務特點,這些企業對邊緣數據中心理解層面各不相同,研究方向各有不同,無法實現資源共享和優勢互補。

5G、邊緣數據中心、物聯網、人工智能、車聯網等新型信息化技術只有實現融合發展,才能展示其真正的魅力。但從事這些技術的研究單位、團體,所屬領域各不相同,對邊緣數據中心理解層面各不相同,缺乏統一的溝通交流平台。最重要的是,邊緣雲與邊緣數據中心概念混淆,部分廠商忽略對基礎設施的研究,盲目追求新概念,造成數據中心技術無法實現同步發展,無法真正實現技術落地。

(3)增量建設、存量改造均面臨兩難境地

在增量建設方面,業務需求難以預估,短期大規模建設恐造成資源浪費。一是未來業務發展很難準確估算,大部分業務需求,如物聯網對IT設備的需求還處於理論計算或驗證中,加之IT設備、數據中心性能在不斷提高,需求難以準確量化;二是部分業務會逐步下沉,業務需求將隨著技術不斷髮展逐步呈現。在某一時期內業務需求難以準確估算。

在存量改造方面,部分機房建設級別低,改造困難。基礎運營商有大量的電信機房,但不同層級數據中心機房條件差異較大,對於地市級、區縣級數據中心,機房條件相對較好。但對於彙聚級和接入級數據中心,需求量大但機房面積普遍較小,機房條件相對較差,改造難度較高。

五、未來產業發展建議

(1)建議政府製定切實可行的邊緣數據中心發展政策

未來幾年,是構建新一代信息基礎設施的關鍵時期,迫切需要結合我國數據中心產業整體綠色發展目標,在保證現有雲數據中心相關政策持續貫徹落實的條件下,製定切實可行的邊緣數據中心發展政策。首先,應基於整體發展規劃,鼓勵、支持邊緣數據中心技術推廣應用,從政策層面給與相應的扶持,支撐5G網絡基礎設施建設,推動物聯網、人工智能等新產業發展。其次,應結合現有數據產業發展現狀,促進相關關鍵技術的課題研究,從基礎技術層面推動邊緣數據中心的發展。

(2)建議行業製定推廣邊緣數據中心相關標準

在邊緣數據中心方面尚缺乏統一的標準。一是行業對邊緣數據中心缺乏統一的定義,對雲數據中心與邊緣數據中心界限認識不清楚;二是未來邊緣數據中心有不同的部署方式,如現有的邊緣數據中心類型有電信運營商改造的端局機房數據中心,正在大批量建設的小區物業數據中心,5G基站外置機櫃。亟需對不同部署方式的邊緣數據中心進行歸類;三是部分邊緣數據中心用戶認為邊緣數據中心級別不需要很高,如CDN業務用戶;部分用戶認為邊緣數據中心需要較高的級別,如車聯網業務用戶。因此,對邊緣數據中心建設、運維和分級標準的編製是目前比較急迫的問題。

(3)建議產業界進行深入研究與產業合作

由於邊緣數據中心與雲數據中心技術架構差異較大,需要高安全可靠性解決方案、更嚴格的遠程運維及訪問控製技術、分佈式架構實現等,不適用原有雲數據中心相關的技術路線。因此,一方面建議產業界開展邊緣數據中心相關的技術攻關,內容應包括但不局限於邊緣數據中心的能效指標、網絡架構、運維及訪問控製、安全可靠等方面;另一方面建議數據中心上下遊產業鏈的各路廠商,包括基礎電信運營商、第三方IDC服務商及IT設備等產業界廠商進行深入合作,實現資源共享和優勢互補,產學研用共同推進我國邊緣數據中心產業發展。

□朱曉雲(中國信息通信研究院雲計算與大數據研究所數據中心部資深業務主管)

來源: 中國信息通信研究院CAICT

原標題:邊緣數據中心:邊緣計算風口下數據中心的未來

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