边缘数据中心需求和核心技术分析

1 概述

边缘计算是指将IT资源(计算、存储等)从传统的云数据中心向用户侧迁移,拉近用户和IT资源的物理距离,实现更低的数据交互时延、节省网络流量,从而为用户提供低延时、高稳定性的IT解决方案。边缘计算依赖边缘数据中心来完成。边缘数据中心和传统的云数据中心是相辅相成的关系。需要低延时和节省带宽的场景可以采用边缘的解决方案;时延不敏感、对带宽消耗不大的传统业务仍然可以采用传统的云数据中心方案解决。边缘数据中心和云数据中心分别满足不同应用的业务需求,二者有效互补。

2 需求分析

2.1 5G的需求

20世纪末至21世纪初,随着固网带宽的提升和技术的发展,各类门户网站、微博开始兴起,数据量逐渐增大;随着3G、 4G的使用,微信等社交APP、抖音快手等短视频APP开始流行,移动互联网开始蓬勃发展。也就是在这个阶段,我国的数据中心特别是云数据中心迎来了大发展,全国各地纷纷上马相关项目。

2019年6月,工业和信息化部正式发布5G商用牌照,截至今年2月初,三大运营商共在全国开通5G基站约15.6万个。3月6日,中国移动发布2020年5G二期无线网主设备集中采购公告,正式启动旗下28个省、自治区、直辖市共232143个基站的采购招标。近日,中国信息通信研究院副院长王志勤在《加快5G网络建设 点燃数字化转型新引擎》一文中预测,“到年底全国范围内将累计开通5G基站超过55万个”。

未来,这55万(数字还会持续增长)个5G基站将会带来天文数字的数据量,如果都依赖集中存储和计算将会给云数据中心带来很大压力,特别是其中很多物与物之间应用场景,譬如工业互联网,需要将数据处理靠近数据源。可以预见,5G时代的数据计算和存储将会采用云数据中心和边缘数据中心相结合的方式,而且,边缘数据中心将会成为理想的承载基础设施去处理更多对时延要求更高的业务。

2.2 IoT的需求

IoT产业界仍在争论数据的分析处理最好在哪里进行:边缘、设备本身、本地网关或集中式云。一些没有严格延迟需求的IoT场景可能会被聚合到云端。然而,目前大部分的IoT场景属于商业、工业和运输的延迟敏感、数据密集型技术,这些应用不太适合传统云环境。例如大型移动机械和工厂装配线、自动驾驶车辆和飞机维护、灾难恢复系统或向技术人员发出警报以进行预防性维修等等。前英特尔CEO在一次演讲中提到,由于安装有数百个车上传感器,因此每行驶8小时车辆将生成大约40TB的数据,相当于同期3000个人产生的数据总和。由于需要低时延的处理,那么如果把这么多数据传回云数据中心处理后再传回车辆,对安全行驶产生的影响将难以预料。

最保守的预测也认为20年后将会有超过1000亿的设备连接在互联网上。这些设备包括了移动设备、可穿戴设备、家用电器、医疗设备、工业探测器、监控摄像头、汽车以及服装等。它们所创造并分享的数据将会给工作和生活带来一场新的信息革命。人们将可以利用来自物联网的信息来加深对世界以及自己生活的了解,并且做出更加合适的决定。与此同时,联网设备也将把目前许多工作,比如监视、管理以及维修等需要人力的工作自动化。物联网连接了大量的设备,它增加了跨越不同区域的设备的数字化和自动化。随着5G的部署与发展,是否要和IoT融合已经成了一个热点话题。但是无论采用什么技术,IoT带来的需要就近处理的海量数据已是一个既定趋势,对边缘数据中心将带来巨大的需求。

2.3 CDN的需求

第三方CDN提供商利用由数千台专业边缘服务器和存储组成的专用网络来缓存人们使用很频繁的内容。根据思科发布的研究报告,到2022年CDN将会承载72%以上的互联网流量,远高于2017年的56%。目前许多CDN流量都在区域核心网络上,由于城域网络容量增长快于核心网容量的增长速度,因此未来CDN将处理更多接近最终用户的流量。2022年,预计将有三分之一的流量在边缘被处理掉,高于2017年的27%。

目前来看,CDN提供商一般没有自建的数据中心,他们将越来越依赖边缘数据中心来提供不断增加的空间和电力,以满足其不断增长的业务需求。而且,随着对更广泛的接入和更好的客户体验的追求,边缘数据中心提供商需要去更多的二三四线城市进行部署,这对于未来非一线城市的数据中心市场将会带来一个很大的机遇。

2.4 小结

网络推动了应用的发展,应用实现了网络的更多场景。不管是5G、IoT还是CDN,它们带来的都是海量的需要低时延处理的边缘数据。无疑,在基础设施领域,随着各种需求的爆发式增长,边缘数据中心将会被推上风口。

3 核心技术分析

3.1 边缘硬件

边缘硬件主要指边缘通用服务器、网络设备、制冷等一系列基础设施。边缘计算业务的部署位置往往更加靠近用户,所以在部署空间相对传统数据中心较小,机房的条件相对传统的数据中心也相对较差,部署业务规模随着用户动态灵活扩展和收缩,这些都对边缘硬件提出了更多的新的要求,其中包括但不限于:高密度的计算和存储能力、在更小的空间下操作和维护的能力、更高的可靠性(适应恶劣环境的稳定运行能力)、自散热能力等。

在开放数据中心委员会(ODCC),三大运营商牵头提出了OTII项目,这可以认为是一种边缘服务器的尝试。此前,一般的思路是让边缘机房的环境适配现有的标准服务器设备,但在这个过程中为了满足服务器的承重、配电以及湿度、温度等环境要求,需要在边缘机房的改造上下很大的成本。因此, OTII项目换了一个思路,研发具有边缘特色的服务器设备,来适配现有的机房。目前OTII服务器在中国电信已经得到了少量的应用部署。

3.2 边云协同

边缘数据中心为用户提供就近的边缘计算服务,但是边缘计算节点并不是数据孤岛,边缘数据中心根据不同的业务需求需要和远端数据中心进行数据交互,通过边缘和数据中心的互动来为客户提供更好的业务服务。

边云协同的主要作用和价值,首先是实现多边缘数据中心的负荷分担和智能调度。基于不同的边缘数据中心的资源占用,流量大小,健康状态来做更加全局和高效的智能调度。其次是提供全局的业务整合能力,满足应用快速移动业务的应用需求。例如:车联网应用中,如果仅仅了解一个边缘数据中心覆盖范围的交通信息是远远不够的,往往在长途驾驶中需要了解全路径的交通信息,以规划更好的交通线路。这些都需要全据的数据信息,需要数据中心针对多个边缘的节点的信息做汇总,做中心统一的智能规划。再次,助力AI和大数据业务后台实现。人工智能和大数据业务都需要大量的数据进行运算,边缘提取出的有价值信息,都需要同步到数据中心进行更加深入的模型训练。

3.3 边边协同

边缘数据中心除了和中心节点需要做数据交互之外,边缘和边缘之间的数据交互也是非常必要的,边缘和边缘协同有效帮助用户解决在不同的边缘之间的流畅切换,例如:用户在高速移动(驾车或者高铁等)场景使用边缘计算业务,需要能快速在不同的边缘数据中心之间的做状态信息的同步,以保证用户业务不受边缘数据中心切换的影响。

边缘数据中心之间的网络架构将会是一个关键的技术方面。以CDN为例,传统的CDN接入方式一般是CDN边缘POP接入城域网,CDN骨干POP点、省级CDN内容中心和CDN省级管理中心接入省会节点IDC,省会IDC连接骨干网。在边边协同的场景下,需要CDN之间进行更短路径的连接,这对于未来的网络架构设计提出了更高的要求。

4 展望

边缘是个相对的概念,互联网之于传统电信网,云计算之于互联网,私有云之于公有云都可以被认为是边缘计算。在对边缘计算尚没有明确定义的时候,对于基础设施来说就存在着各种发展可能。毫无疑问,随着对机架的爆炸式增长需求,未来数据中心行业需要包括OTII和液冷这样的创新技术来提升能效降低能耗;也需要无损网络这样的网络技术来提升数据中心内和DCI的通道能力,去支持未来更多边边协同场景。未来,边缘市场规模超万亿,将成为与云计算平分秋色的新兴市场,广阔市场空间将带给整个数据中心产业界带来无限的想象空间和崭新的发展机遇。

——本文节选自《边缘数据中心的需求分析和核心技术研究》并有更新,原文收录于《2019全国边缘计算学术研讨会论文集》。

作者简介

郭亮,高级工程师,中国信息通信研究院云计算与大数据研究所数据中心研究部副主任,开放数据中心委员会(ODCC)新技术与测试工作组组长。主要从事数据中心领域内的网络、服务器等方面的技术研究。

联系方式:guoliang1@caict.ac.cn

何宝宏,博士,正高级工程师,中国信息通信研究院云计算与大数据研究所所长。中国通信标准化协会互联网与应用工作委员会(TC1)主席,开放数据中心委员会(ODCC)名誉主席。从事互联网相关的技术、标准、监管和战略等研究20余年,具有业内丰富经验,拥有《互联网的基因》、《风向》两部专著。

联系方式:hebaohong@caict.ac.cn

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