ODCC边缘计算白皮书.pdf

目录 1 1 边缘计算新基础设施边缘计算新基础设施.1 1.1 边缘新算力.1 1.1.1 边缘服务器.2 1.1.2 边缘一体机.3 1.1.3 边缘网关.5 1.1.4 模块化边缘服务器.6 1.1.5 浸没式液冷边缘服务器系统.7 1.2 边缘网络架构.9 1.2.1 移动网的边缘计算网络架构.9 1.2.2 固定网的边缘计算网络架构.12 1.2.3 固移融合的边缘计算网络架构.13 1.2.4 园区/厂区网的边缘计算网络架构.15 1.3 边缘数据中心.16 1.3.1 边缘数据中心定义.16 1.3.2 边缘数据中心形态.18 1.3.3 边缘站点关键问题.20 2 2 边缘计算服务边缘计算服务.23 2.1 云计算服务.23 2.2 基于边云协同的边缘计算服务.23 2.3 AI 中台化服务.24 2.4 视频中台化服务.25 2.5 5G 边缘计算服务.26 3 3 边缘计算系统边缘计算系统.28 3.1 边缘计算系统架构.28 3.2 边缘计算资源层.29 3.2.1 边缘算力能力.29 3.2.2 边缘网络能力.29 3.2.3 边缘存储能力.30 3.3 边缘计算调度层.31 3.3.1 云边/边边协同能力.31 3.3.2 边缘自治能力.34 3.3.3 边缘网络调度能力.35 3.3.4 多级集群能力.35 3.4 边缘运维管理层.38 3.4.1 监控管理能力.38 3.4.2 告警管理能力.38 3.4.3 日志管理能力.39 3.4.4 监控信息获取能力.40 4 4 边缘计算安全边缘计算安全.42 4.1 边缘基础设施安全.42 4.2 边缘计算平台安全.42 4.3 边缘计算服务安全.42 4.4 边缘计算应用安全.42 5 5 边缘计算应用和场景边缘计算应用和场景.44 5.1 视频类场景.44 5.1.1 AR/VR/XR.44 5.1.2 云游戏.44 5.1.3 高清视频直播.44 5.2 行业服务场景.45 5.2.1 智能制造.45 5.2.2 智慧园区.46 5.2.3 智慧安防.47 5.2.4 智慧交通.47 5.2.5 城市配送.48 6 6 边缘计算标准研制方向建议边缘计算标准研制方向建议.50 7 7 工作展望工作展望.52 前言 在新基建浪潮的带动下，AI、5G、物联网等技术应用潜力迸发，产业化市场服务向纵深发展，带来了信息流量和计算要求的巨大的变化。根据预测，5G 将进一步刺激视频类富媒体流量的发展，移动视频流量每年增长 45%，到2023 年占总体移动数据流量的 73%。全球互联网数据量逐年提升，其中 40%流量都将由物联网产生，进而带来了对数据分析和处理的极大需求。边缘计算能够在靠近用户或数据源的位置提供网络、计算、存储服务，不仅能够实现流量的本地化处理，以降低对远端数据中心的流量冲击，而且能够提供低时延和高稳定的应用运行环境，有利于计算框架在终端和数据中心间的延展，有助于实现场景需求、算力分布和部署成本的最佳匹配。白皮书从边缘计算的完整技术栈出发，从边缘计算新基础设施、服务特征、系统架构和应用场景几个方面分别对边缘计算的基础设施发展、新的服务能力、弹性技术架构进行描述，提供对边缘计算技术和服务的全视角剖析。本文件感谢以下起草单位（排名不分先后）：百度、中国电信、中国信通院、腾讯、阿里巴巴、中国移动、京东、美团、英特尔、浪潮、富士康 起草人（排名不分先后）：陈刚、吴秋材、孔德超、吕航、李佳聪、丁圣勇、吴美希、许可欣、陈炜、冯佳新、陈共龙、李显才、韩天、李锴、陈国峰、李永伟、唐广明、李岩、张骏、陈羿函、孙波、付长昭、郭利文、吴佳鸿 1 边缘计算技术白皮书边缘计算技术白皮书 1 1 边缘计算新基础设施边缘计算新基础设施 1.11.1 边缘新算力边缘新算力 根据 Omdia 的调研数据，在 2019 年全球发货的 1190 万台 DC 服务器中，有 240 万台部署在边缘，比 2018 年增长了 8，总收入达 147 亿美元。随着物联网连接设备数量的增长，低延迟、多链接、高带宽的新兴业务以及数据本地化安全处理需求，将驱动边缘部署服务器的市场持续快速增长。预计到 2024年，边缘服务器的市场份额将达到 28%。部署在边缘环境的服务器形态百花齐放，目前部署在边缘环境的服务器形态主要包括塔式、机架式、刀片式、HCI和开放式计算服务器等，部署在边缘环境的服务器形态发展趋势如图 1-1 所示。图 1-1 部署在边缘环境的服务器形态发展趋势 根据 IDC 数据显示，2020 年上半年，中国边缘计算服务器的整体市场规模为 11.13 亿美元（约合人民币 72.78 亿元），同比增长 20.6%，预计近 5 年中国边缘计算服务器市场年复合增长率将达到 18.8%。国内边缘服务器形态也 2 呈现多样性发展，包括盒子、机架、刀片、户外一体机以及浸液一体机等。随着互联网提供商、电信网络提供商及企业等在典型新型业务领域的垂直布局发展趋同，边缘新算力将驱动业务定义系统构架融合，进一步孵化新形态的算力系统，实现一套系统构架满足多业务和跨领域的客户需求。同时，在云边协同日趋主流的大背景下，边缘新算力形态将推动解决边缘中心混合云构架TCO（Total Cost Ownership）优化，以应对跨互联网提供商、电信网络提供商及企业部署环境等新型算力需求挑战。1.1.11.1.1 边缘服务器边缘服务器 边缘服务器是部署在边缘环境的具有数据中心等同算力的服务器。边缘服务器具有体积较小、环境适应性更优、支持多种安装方式、快速前维护和统一管理接口等技术特点，对于推动未来边缘计算业务快速发展、减少边缘设备部署及运维成本等具有重要意义。在边缘服务器规模化部署过程中，规格标准的统一与规范至关重要。2017年，开放数据中心委员会（ODCC）发起了面向电信应用的开放电信 IT 基础设施项目（OTII），形成运营商行业面向电信及边缘计算应用的深度定制、开放标准、统一规范的服务器技术方案，边缘服务器的应用场景和技术特性都有明显特征。边缘服务器应用场景的主要特征如下：1)1)环境条件复杂：环境条件复杂：边缘场景的环境条件相比标准机房更为恶劣，且不同边缘场景间的差异同样较大，标准难以统一。部署空间较小，通信机房机架深度主要为 600mm、少部分达到 800mm，整体较标准机架浅，在办公室、工厂场景甚至没有机架环境。环境温度不稳定，边缘机房的制冷系统不稳定，机房温度可高达 45以上、也可低至 0以下。机房承重有限，边缘机房称重能力普遍低于数据中心承重标准。人机共存，边缘计算设备部署更贴近用户，保安室、配电室等场景中设备会与人员部署在同一区域，人机共存对设备有更高要求。3 此外，部署于边缘机房的服务器还可能面临抗震、电磁兼容和防噪等要求较高以及机房空气质量欠佳等限制。2)2)性能需求多变：性能需求多变：不同类型的边缘计算对服务器的性能提出不同的要求，需要服务器支持在较大范围内可变的计算和存储能力。例如：边缘 AI 推理对多种扩展加速卡/GPU 的需求，ICT 融合场景中对多网口大流量转发的需求，边缘数据中心中对数据存储容灾的需求等。3)3)运维管理难度大：运维管理难度大：针对同一业务，边缘服务器可能分散部署在全国各地不同区域，需要有强大的管理运维能力，部分场景运维人员甚至难以到达现场，对设备的运维难度与运维成本提出了较高的要求。边缘服务器的主要技术特性如下：1)1)物理形态及环境适应性：物理形态及环境适应性：为满足边缘计算的环境要求，服务器做出服务器深度450mm 等针对性的设计方案；开关、指示灯、硬盘、线缆等采用前维护；风扇能够支持热插拔，保证在线清理或更换；散热优、功耗少、噪音低；可能需要支持在更宽温度范围，并可能需要满足 B 级 EMC、抗震等需求。2)2)灵活的可扩展性：灵活的可扩展性：硬盘需支持 HDD/SSD/NVME SSD 等存储形式，灵活应对不同数据容量及类型；兼容支持多种内存，将内存的容量，温度适应性，掉电保护等功能做到可根据场景选配；处理器性能及功耗可根据功能需求选配；异构计算方面通过配置基于 Asic、FPGA、智能网卡或其它硬件加速方案卸载部分 CPU 功能，以节约 CPU 资源并提高处理效率。3)3)运维管理统一便捷性：运维管理统一便捷性：边缘服务器需要有统一完善的管理接口要求以减少带外管理系统带来大量适配工作，以更加有效的管理服务器；边缘服务器应尽量降低对运维人员水平的要求，使运维操作尽量简单，以提高运维效率；边缘服务器 BMC 具备基本故障诊断及上报能力，并提供硬件平台自愈方案。1.1.21.1.2 边缘一体机边缘一体机 边缘一体机是集成边缘服务器节点、交换机、存储、PDU、配电、机架空 4 调等多种设备的整机柜产品，以整机柜形式为最小产品颗粒度，在工厂集成业务所需机柜内设备，并预装客户应用软件，可实现 IT 设备快速边缘部署及业务快速上线，并能在无机房场景部署边缘应用。边缘一体机主要组成部分包括服务器、交换机、配电箱、PDU、UPS、电池包、机架式空调、应急风扇、监控显示屏、监控主机、动环侦测网关、烟感侦测器、温湿度侦测器、水浸侦测器、照明、前后门开关侦测器等。边缘一体机应用场景的主要特征如下：1)1)适应非机房环境：适应非机房环境：部分客户可能没有标准机房，没有适合放置边缘服务器的机架。港口、社区、门店等需要将算力下沉到较小室内的节点，也不便部署标准机架。2)2)算力需求大：算力需求大：边缘场景对算力的需求随着应用的发展和数据的爆发会持续快速上升，未来在一些空间较小的边缘场景也会产生相对较大的算力要求，需要以较高的密度部署边缘计算节点。3)3)独立部署需求：独立部署需求：为了数据安全和关键业务不掉线，部分边缘设备需要独立部署独立运维。4)4)现场部署难度大：现场部署难度大：矿区、油井等部分行业客户的部署场景较为复杂，无法现场交付部署。边缘一体机的主要技术特性如下：1)1)体积小：体积小：为满足边缘业务场景的灵活部署需求，边缘一体机的体积需较小，推荐柜体深度600mm、柜体高度24U，且方便在不同物理空间移动，支持整机柜运输，并配备提手和滚轮。需集成制冷系统、供备电系统、智能监控系统及 IT 设备等形成移动数据中心，可快速部署及交付，也可搭配云产品形成软硬一体化产品，满足客户全场景部署及应用需求。2)2)高可靠：高可靠：针对环境恶劣的边缘场景，边缘一体机需要高度密闭，利用机架空调进行内循环，屏蔽外界的灰尘与水雾等不利条件。边缘一体机的材质 5 需采用高强度钢板，配合结构件，提供足够的结构可靠性。4)4)模块化：模块化：针对不同的性能需求，边缘一体机内部设备需要模块化选配，需支持 1U/2U 边缘服务器、千兆/万兆交换机、部分通信设备、机架空调、配电模块等。4)4)远程运维：远程运维：边缘一体机内部的设备需支持远程管理运维，机柜本身需配备动环监控系统，对机柜物理信息实时监控，提供第一时间的故障报警与运维提示。边缘一体机各组成部分具有如下技术特性：1)1)计算存储：计算存储：边缘一体机支持标准 1U/2U/4U 服务器产品，支持滑轨或 L型托架安装方式。2)2)网络：网络：边缘一体机应支持通用 1U/2U 等主流交换机产品安装，预留理线托盘及理线架，便于整机柜内部网络线缆部署。3)3)动环：动环：具备动环侦测能力，配备动环侦测网关、烟感侦测器、温湿度侦测器、水浸侦测器、照明、前后门开关侦测器，配置备监控平台，支持现场，网页，邮件或其他终端设备读取。4)4)散热：散热：整机柜中可安装空调，供风量需满足满配散热需要，压缩机及风机均为变频模式调节，平均 EER3.0，适应 220V15%、503Hz 供电条件，寿命需十年以上。机柜前后门封闭，形成机柜内独立循环，可部署在复杂环境。5)5)备电：备电：一体机配备高可用性 UPS，结合高容量电池包，保证服务器电力连续不间断。通过配电箱隔离电气设备，保护 UPS、空调、服务器 PDU 以及机柜监控主机。1.1.31.1.3 边缘网关边缘网关 边缘网关又称便携式服务器，是部署在行业近场端的接入设备，主要提供数据采集、数据处理、网络交互和协议转换等功能，具有体型小巧、灵活性高、环境适应性强的特点，搭载轻量级技术支持，为边端提供算力，实现敏捷、智 6 能和可靠的万物互联。边缘网关的主要技术特性如下：1)1)灵活的环境适配能力。灵活的环境适配能力。边缘网关具有体型小、环境适应性强的特点。设备可以通过放置、壁挂、堆叠、导轨等方式部署在近端场景，占据空间极小。为应对恶劣天气环境，边缘网关设备需要具有较强的防水、防尘、支持宽温的能力，保证严苛环境下的稳定运行。2)2)开放的计算生态平台。开放的计算生态平台。支持不同的计算平台，根据应用场景和 IT 平台选择适配的计算芯片，实现垂直行业信息化平滑过渡。为支持智能分析应用，边缘网关可具备一定的 AI 能力，根据场景和网络模型配置不同的异构计算能力，可支持 PaddlePaddle、Tensorflow、Caffee、Mxnet 等主流神经网络开源框架。在服务器或者 PC 上已实现的推理网络可快速部署至边缘网关平台，无需单独适配开发，通过统一的工具链，实现全生态无障碍互通。3)3)多样的通信接入方式。多样的通信接入方式。面对边缘端多变的网络布局，边缘网关需支持以太网、PON 接口、4G、5G、WiFi、LoRa、ZigBee 等多种网络接入方式，以接入感知终端和云数中心。边缘网关还需支持 CAN、RS482、DO10 等接口，全方位覆盖城市、工业、专网、能源等多种应用场景。4)4)丰富的适配应用场景。丰富的适配应用场景。基于以上能力，边缘网关有丰富的计算能力和强大的场景适配性。针对不同场景的特性，可选择不同的计算平台、算力和接口，赋能 5G 通信、智能制造、网联汽车、城市治理、物联网等市场，为高清直播、智慧社区、智能交通等人多的场景提供强大的数据传输和决策响应能力，帮助智能油井、AI 质检、低速载货、无人驾驶等人少的场景降本增效。5)5)支持多种供电方式。支持多种供电方式。工业级应用场景支持输入直流电源 9V-36V（DC-in），商业应用场景支持 DC12V AC 电源适配器接头（DC Jack for AC-DC adapter），符合各种工商业供电需求。1.1.41.1.4 模块化边缘服务器模块化边缘服务器 7 模块化边缘服务器架构设计核心是解耦服务器各个功能模块，通过模块化的设计和模块复用，以期降低成本、缩短开发周期等。模块化设计可以在以下方面展开：1)1)需求拆分：需求拆分：不同客户对于系统的性能、配置有着不同的需求，需求和配置的不同就意味的不同的设计架构，即使其中大部分的设计是相同的，如果不进行模块化，任何设计的变更都需要重新进行，模块化可以把重复的功能拆分开来，再根据不同的需求进行重新组合，这样既加快了开发进度，又减少了不必要的重复设计。例如：可以把单个 CPU 进行拆分，对于 1S 的需求，设计一个 CPU 模块结合 Carrier 模块即可，对于 2S 的需求，设计二个 CPU 模块结合 Carrier 模块即可，此时 CPU 模块就可以复用减少重新设计。2)2)成本控制：成本控制：整板设计复杂性取决于功能模块的数量以及单板的工艺复杂度。单板的工艺复杂度影响因素包括高速信号速率、信号密度，特殊工艺要求等，主要由单板上的 CPU 模块等单一模块所决定，对于不需要同样复杂的其他功能模块部分，是一种极大的浪费。如果进行模块化设计，就可以避免这种不必要的浪费。将单板中工艺复杂的部分和相对简单的部分进行剥离，根据各自功能模块的要求进行设计，最大限度地优化了成本，同时模块可以复用，进而减少了重复设计，进一步降低了成本。例如将最复杂的 CPU 模块单独设计，CPU 模块的面积可能只占总体面积的 40%，其他 60%的部分使用低成本的工艺方案，成本降低是很可观的。3)3)灵活布局：灵活布局：各个部分模块化以后，每个模块的面积会减小，可以根据实际的机箱结构和尺寸灵活地进行布局，以适应不同尺寸、不同厚度、不同结构的机箱。灵活布局满足小型化、高密度的应用需求，在空间敏感的应用场景具有很大的优势。1.1.51.1.5 浸没式液冷边缘服务器系统浸没式液冷边缘服务器系统 浸没式液冷边缘服务器系统是将边缘服务器放置在密闭的腔体再利用浸 8 没冷却的方式将热导到腔体表面的鳍片进行整机散热，可大幅缩小部署空间并提升能源效率，系统具备 IP65 防尘防水能力、更强的恒温控制能力、更低的维护需求，此外采用环保介电液体还可减少环境污染。5G 带动智慧城市、自动驾驶和智能制造等行业发展，边缘服务器的应用场景变得更加多元与苛刻，浸没式液冷边缘服务器系统需具有更强的场景适应力。为满足自动驾驶、GPS 和WiFi 等不同类型技术应用的需求以及边缘 AI 推理应用对异构计算的需求，边缘服务器须满足多元化的性能需求。浸没式液冷边缘服务器系统应用场景的主要特征如下：1)1)更严峻的应用场景。更严峻的应用场景。空间需求小，浸没式液冷边缘服务器系统可独立部署于非机房环境下，并且能减少风扇的使用，从而大幅降低部署空间的需求；防尘防水要求高，由于浸没式液冷边缘服务器系统部署位置不局限于室内，甚至可与基地台搭配建设在电线杆上、高楼壁等复杂多变的户外环境，需满足严苛的防尘防水要求；温度波动范围宽，浸没式液冷边缘服务器系统应用场景复杂多变，在部分应用场景中高温达 55 oC、低温至-15 oC，需具备更宽的温度适应性；恒温控制要求高，户外环境中的阳光直射与风雨吹拂将引起强烈的温度震荡，浸没式液冷边缘服务器系统需要更强的恒温控制能力，使系统保持在稳定的温度；人机共处，为了加快边缘数据的处理与传输速度，边缘节点的部署将更接近使用者，设备将从机房走进办公室、便利店或监控室等日常生活场所，部署日常生活场所的节点在噪音、安规、电磁兼容等方面有更高要求。2)2)多元化的性能需求。多元化的性能需求。为了满足自动驾驶技术应用对 GPS 和 WiFi 模块的需求、边缘 AI 推理应用对异构技术的需求等不同类型的需求，浸没式液冷边缘服务器系统须具备可调节的计算能力、储存能力和扩充模块。浸没式液冷边缘服务器系统的主要技术特性如下：1)1)物理形态及环境适应性：物理形态及环境适应性：较小的物理尺寸，为了满足多元化系统部署场景需求，浸没式液冷边缘服务器系统具备较小的物理尺寸，全系统深度建议 9 小于 700 mm；全天候适应力，浸没式液冷边缘服务器系统的密闭腔体设计屏蔽了环境因素对服务器和介电液体的影响，全系统防尘防水等级达到 IP65 要求，适应多变气候形态与剧烈的温度波动(-25 oC 55 oC)；恒温控制能力，当浸没式液冷边缘服务器系统处于户外无风或太阳直射等导致液体温度过高的环境时，启动系统强制对流系统对系统进行散热，当系统处于零下低温环境时，启动系统升温机制进行加热，以达到恒温控制的目的，推荐采用自然对流散热机制为主、强制对流散热为辅的对流系统，以减小户外系统能耗和噪声，灵活的场景适应力，浸没式液冷边缘服务器系统支持宽温、低噪声、小尺寸、抗震、A 级 EMC 等需求，因此在应用场景的选择上更加多元。2)2)灵活的可扩展性：灵活的可扩展性：支持英特尔志强可扩展处理器单 CPU 平台，支持多种内存型态与配置，支持 HDD/SSD/NVME/M.2 等多形式的存储，支持RS485/RS232 等多种工业标准，配备 Wifi、4/5G 和 GPS 模块等。3)3)较低的维护需求：较低的维护需求：边缘服务器常被放置于高耸的电线杆、高楼壁等难以维护的场所，产品设计过程中重点考虑如何大幅提升电子组件寿命，浸没式液冷边缘服务器系统中服务器浸没于密闭腔体内的不导电液体，能完全隔绝组件与水气、灰尘等外界污染源的接触，此外服务器中无活动电子组件的设计排除了电子组件震动损害，大幅降低系统维护需求。4)4)节能高效：节能高效：传统气冷服务器系统使用风扇散热，约 1/4 的全系统功耗用于驱动风扇，浸没式液冷边缘服务器系统的散热模式是通过外机箱鳍片的构造与自然对流对系统进行散热，大幅减少风扇使用，达到节能高效散热目的。1.21.2 边缘网络架构边缘网络架构 边缘网络架构完成了边缘计算站点在网络拓扑上的定义，进而为用户提供就近的接入服务，主要包括移动网、固定网、固移融合及园区/厂区网等场景。1.2.11.2.1 移动网的边缘计算网络架构移动网的边缘计算网络架构 移动网是主要为移动业务提供的网络接入服务。将移动网接入边缘计算节 10 点后，可在距离用户最近的位置提供业务本地化以及业务移动性能力，进一步缩短业务时延，提高业务分发并改善终端用户体验。随着 AI 应用的发展以及5G 网络的部署，远程手术、车路协同等需要接入边缘计算来缩减等待时间的智能应用正在逐渐兴起，其接入方式如图 1-2 所示。图 1-2 移动网接入边缘计算节点的网络架构 移动边缘计算（MEC）将 IT 服务环境和云计算在网络边缘相结合，提高边缘网络的计算和存储能力，减少网络操作和服务交付时延，提升用户服务质量体验，目前 MEC 已经作为关键技术被纳入 5G 标准。MEC 把无线网络和互联网有效融合，同时在无线网络侧增加计算、存储、处理等功能，构建开放式平台以植入应用，并通过无线 API 开放无线网络与业务服务器之间的信息交互，进一步进行业务融合，将传统的无线基站升级为智能化基站，从而具备减小业务传输时延、控制网络拥塞、提升用户体验等优点。在 4G EPC 架构中，MEC 服务器有两种部署方式：一种部署在无线接入网侧，即部署在 eNode 节点后，可方便监听和获取基站侧的无线信息，但需要解决合法监听和安全问题；另一种方式部署在核心网测，靠近 PGW。4G EPC 网络架构下的 MEC 部署方式如图 1-3 所示。11 图 1-3 4G EPC 网络架构下的 MEC 部署方式 在 5G 架构下，MEC 服务器有两种部署方式：一种方式可以部署在一个或多个 eNode B 后，使数据更靠近用户侧，用户设备发起的数据业务经过 eNode B、MEC 服务器可到达互联网，该部署方式需要进一步解决计费和合法监听问题；另一种方式可以部署在用户平面网关后，用户设备发起的数据业务经过Node B、网关、MEC 服务器后到达互联网，该部署方式的时延比前者略高。5G网络架构下的 MEC 部署方式如图 1-4 所示。图 1-4 5G 网络架构下的 MEC 部署方式 MEC 在移动网络边缘提供计算、存储和网络资源，可以极大地降低处理时 12 延，实现绿色通信，提升用户服务质量体验。但是，在实现大规模应用之前，MEC 及各种基于 MEC 的解决方案还存在以下问题和挑战：1)1)移动性问题：移动性问题：当用户从一个MEC服务器切换到另一个MEC服务器上时，如何保持移动终端与应用间的业务连接。在特定场景下，MEC 还需要支持用户设备在移动边缘系统与外部云之间的迁移。2)2)安全及计费问题：安全及计费问题：在当前网络架构下，计费功能由核心网负责。移动边缘计算平台将网络服务功能“下沉”到网络边缘，在网络边缘就可以进行计算卸载，导致计费功能难以实现。3)3)隐私保护问题：隐私保护问题：在基于 MEC 的通信中，针对内容共享和计算协作等问题，必须考虑用户的隐私保护。另外，在个人微云等私有网络场景下，也必须考虑隐私保护的问题，因此有必要在 MEC 网络中加入隐私保护实体。1.2.21.2.2 固定网的边缘计算网络架构固定网的边缘计算网络架构 固网主要为固定电话、宽带和 PSTN 等业务提供网络接入服务。通过将业务节点与固网专用设备部署在一起，可实现固网接入边缘计算节点，形成固网边缘计算网络。通过固网接入边缘计算节点的网络架构，计算能力节点可以部署在从端到边的各个环境中，为多个行业赋能，使业务在本地形成闭环，大幅度降低系统响应时延，缩减 IDC 带宽成本的消耗。固网接入边缘计算节点的网络架构如图 1-5 所示。13 图 1-5 固网接入边缘计算节点的网络架构 基于固网的边缘计算主要承载 CDN 等内容计算和服务业务，为固网宽带用户提供视频、游戏等娱乐服务。通过固网的边缘计算节点，将源视频等业务服务器中的内容自动分发到分布式部署的边缘服务节点，通过应用流量调度技术将用户请求自动引导至最优服务节点，从而有效提升用户的业务访问质量。同时固网的边缘计算节点的资源是云化的，内涵和外延都将超越传统的 CDN 业务，形成云边协同、多业务融合的计算和服务节点。同时在网络服务上，可以将家庭宽带网关的功能上移到边缘服务节点，通过边缘节点的网络服务的承载降低家庭侧设备的复杂度和算力需求，构建更加快捷、高效及低成本的网络服务。1.2.1.2.3 3 固移融合的边缘计算网络架构固移融合的边缘计算网络架构 14 边缘计算应支持移动网和固定网同时接入，多种接入方式可以为垂直行业提供灵活的网络接入以及高带宽、低时延的无缝连接承载网络。通过利用现有固网资源优势，实现固定和移动网络的边缘融合。边缘计算管理平台可以根据服务类型或需求，灵活地将流量分配到不同的网络，从而通过多网络共享边缘 计算资源提升用户体验，实现算力的智能分发。固移融合的边缘计算网络架构如图 1-6 所示。边缘计算固移融合对网络的需求主要集中在移动网和固网共 MEC 节点和平台，使得同一业务通过不同网络接入的流量可在同一节点处理，同时保障时延以及带宽等需求，为满足该场景需求，网络需具备以下能力：1)1)灵活的业务分流能力：灵活的业务分流能力：网络需要能够灵活的基于用户号码、目的 IP、业务 URL 等方式配置分流规则，将目标用户流量分流至边缘计算平台。2)2)精准的业务调度能力：精准的业务调度能力：网络能够结合边缘计算节点分布、网络带宽、资源负载和传输路径等因素选择最优路径，将业务调度至最合适的边缘计算平台。3)3)云边协同能力：云边协同能力：网络能提供中心云和边缘云之间的资源、安全、应用、业务以及不同地域之间等多方面的协同。15 图 1-6 固移融合的边缘计算网络架构 1.2.41.2.4 园区园区/厂区网的边缘计算网络架构厂区网的边缘计算网络架构 园区/厂区网为专有网络，主要为行业客户在园区/厂区内部提供网络连接。在传统的云计算环境中，园区/厂区网因设备数量少、性能低等原因处理业务能力有限，存在如下问题：1)1)业务时延高：业务时延高：在云计算网络环境中，需要将园区/厂区内的数据传送至云端，由云端的计算存储系统对数据进行加工处理，增加了数据处理时延，无法满足园区内低时延的业务需求。2)2)网络负载大：网络负载大：由于计算能力在云端，需要将数据实时传送到云端，因数据量较大，会造成网络负载过大。3)3)数据安全性低：数据安全性低：因园区/厂区用户将数据上传到云端，网络传输时间过长，增加数据泄露和代码被不被信任第三方劫持的风险。为了解决上述问题，可以进入边缘计算与园区/厂区网融合，同时随着 5G的部署以及企业应用的快速发展，可以支持更多的高带宽、低时延的业务，越来越多的园区/厂区需要部署边缘计算节点来支撑办公或生产业务的运行，如 16 园区/厂区的人脸识别、生产场地监控、智能门禁、视频监控、数据采集分析等业务，园区/厂区专网接入边缘计算节点的网络架构如图 1-7 所示。图 1-7 园区/厂区专网接入边缘计算节点的网络架构 园区/厂区网和运营商网络融合为边缘计算请求者提供最近的边缘节点服务，可以帮助园区/厂区提升网络运营效率，智能化升级安防能力，提高园区住户体验，具有如下优势：1)1)业业务时延低：务时延低：园区/厂区内可快速将数据上传至边缘计算节点，并及时收到计算结果，降低园区/厂区内智能业务系统的响应时延。2)2)园区智能化：园区智能化：在边缘计算节点上完成对园区数据智能分析，如分析视频监控数据，实时感知入侵、人流大等异常事件，降低园区人力管理成本。3)3)管理便捷：管理便捷：边缘计算节点上的应用可通过全生命周期管理，能做到无缝升级。1.31.3 边缘数据中心边缘数据中心 1.3.11.3.1 边缘数据中心定义边缘数据中心定义 边缘数据中心是部署在网络边缘侧的新型基础设施，在靠近用户的网络边缘侧构建业务平台，提供存储、计算、网络等资源，将部分关键业务应用下沉到网络边缘，以减少网络传输和多级转发带来的带宽与时延损耗。边缘计算的基础设施包括但不限于分布式 IDC、运营商 MEC、客户自建节点、工业网关、17 家庭网关等边缘设备及对应的基础设施环境。边缘计算架构如图 1-8 所示，基本架构由集中式云数据中心的“云数据中心-用户端”两层结构演变为边缘计算的“云数据中心-边缘数据中心-用户端”三层结构。图 1-8 边缘计算架构 边缘数据中心、边缘计算与边缘云相的互关系如图 1-9 所示，三者相辅相成、相互支撑。基于边缘数据中心的可靠资源，提供网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，利用高效的边缘计算能力，就近提供边缘云服务。边缘数据中心在靠近用户的网络边缘提供基础设施资源，支持边缘计算对本地化、实时性的数据进行分析、处理、执行以及反馈，从而对云计算能力进行补充。借助边缘计算，数据可以在边缘数据中心进行处理，从而节省到传统集中式数据中心的通信等待时间。18 图 1-9 边缘数据中心、边缘计算与边缘云相互关系 1.3.21.3.2 边缘数据中心形态边缘数据中心形态 广义的边缘数据中心可以根据不同的位置进一步划分为云边缘数据中心和端边缘数据中心，相应的下沉边界也不尽相同。5G 技术的发展开启了万物互联时代，端边缘数据中心基本距离用户数百到数千米，可以下沉到 5G 基站，甚至可以下沉到用户“身边”，端边缘数据中心的形态可以为一体柜设备形态。云边缘数据中心距离用户十几公里，可以下沉到接入网，其在形态上与传统小型数据中心类似。两类边缘数据中心具体的下沉边界要根据场景与应用来确定。边缘数据中心的位置分类如图 1-10 所示。图 1-10 边缘数据中心的位置分类 广义的边缘数据中心可以根据不同的外形进一步划分为机房形态和设备 19 形态。机房形态的边缘数据中心类似于小型的传统数据中心，具有供配电、暖通等系统。设备形态的边缘数据中心包括一体柜等，一般是预制化、标准化的即插即用一体柜，可以放置在普通建筑物内，或者放置在路边公用设施附近。此外，Nawab F、Agrawal D、El Abbadi A 提出的“游牧数据中心(Nomadic Data Centers)”，是一种可移动的小型、便携式边缘数据中心，也属于设备形态的一种。未来边缘数据中心的形态发展将呈现如下几方面的特征：1 1）模块化：模块化：模块化部署是边缘数据中心发展的重要方向。目前，Vapor IO、EdgeMicro、BaseLayer 等国外边缘数据中心企业都采用了模块化部署方式。Vapor IO 的边缘数据中心主要采用集装箱式，在内部部署高密度 IT 机架，可以支持高达 150kW 的电力容量；EdgeMicro 在塔楼等地点部署数百个模块化边缘数据中心，灵活提供边缘算力所需的机架规模；BaseLayer 的边缘数据中心通过模块化的方式仅需 120 天左右就可以在任何地域实现快速部署。模块化部署的思路机架、供配电、制冷等子系统。2020 年初 ODCC 发布的巴拿马电源项目成果，对供配电系统走向收容集成的标准化模块部署是一项重要突破。微模块产品示例如图 1-11 所示。图 1-11 微模块产品示例 2)2)预制化：预制化：预制化将是边缘数据中心发展的另一个重要方向，端边缘数据中心通常可以采用一体柜产品的形式进行部署，云边缘数据中心可以采用微 20 模块产品的形式进行部署。一体柜产品可采用 24U 或 42U 规格，可容纳多台服务器，占地面积小，产品预制完成后，客户根据需要进行采购及部署，可快速交付、即插即用，适用车联网、智慧城市、视频监控等靠近用户的应用场景。微模块产品是由一排或两排机架通过封闭通道形成的小型机架集群，由配电柜、制冷设备、监控、IT 设备等组成，可配备独立的供配电、制冷、监控、布线、安防等系统，规模灵活、预制化和可快速上线的微模块产品非常适合作为边缘数据中心部署。图 1-12 仓式边缘数据中心示例 3)3)标准化：标准化：预制化势必带来标准化，边缘数据中心将走上标准规格、标准配电、标准制冷、标准测评等标准化发展之路。以测评为例，传统数据中心在完成各项子系统安装之后开展验收测评，在数据中心稳定运行一段时间之后开展 PUE、安全性、可用性等测评。标准化测评是把相关测评项目设置为数据中心产品的出厂参数，在安装和运行之前开展验收、PUE、安全性、可用性等项目测评。用户直接在标准化缘数据中心产品中根据业务需求选型，然后快速上线，同时保障了产品质量和业务效率。1.3.31.3.3 边缘站点关键问题边缘站点关键问题 在云边端三层架构中，位于边和端的数据中心都可以称为边缘数据中心，但两者的部署情况和作用、规模也因部署的层级不同而有所差异。位于边缘的 21 数据中心又称雾计算，一般为二级城市接入节点，或者企业分布式接入站点，这一类数据中心的特点类似汇聚层，规模因需求而议，一般部署于运营商通信机房等区域，或者企业办公大楼内，选址一般受运营商机房或者建筑选址规范限制。另一类边缘数据中心为“端”一级架构，规模一般较小，通常为数台服务器或者 12 个机柜，这类数据中心的特点是更贴近用户端，选址一般受网络条件影响较大。以下将着重探讨分析第一类边缘数据中心对于距离、温度、噪声和空气污染方面的关键要求。1 1）距离距离：由于一些特定设施会给数据中心的运行带来影响，例如机场附近有强电磁干扰、车流会引起震动、工厂会产生粉尘油烟有害气体等，会给数据中心带来很多潜在的危险，因此，传统的云计算数据中心对于与航线、高速和地铁的距离等都有明确的要求。对于边缘节点来讲却是另一种情况。例如对无人驾驶或者高铁覆盖等场景来说，会希望边缘节点与高速公路和铁路的距离更近一些，从而提供更低的网络时延。那么高速和高铁的震动对边缘节点带来的影响就需要进行更多的测试与评估，并使用更多的手段来避免距离因素产生的影响。服务器对震动的耐受度很低，在很大程度上是因为很多主要电子和机械部件怕震动。当机械硬盘以 7200r/m 或者 5400r/m 的速率高速旋转的时候，一旦有震动，在磁盘和磁头接触的地方就会产生坏道，严重的会导致硬盘直接报废。未来，在这种场景下进行部署时，固态硬盘可能将是更优的选择。2 2）温度温度：TIA942 中明确提出数据中心的运行温度是 2025；我国的通信行业标准 YDT 2441-2013互联网数据中心技术及分级分类标准规定，R3 和 R2 级别的主机房温度（工作时）为 2027。这么规定的主要原因是因为服务器的耐热能力有限，更高的温度会带来指数级上升的故障率和指数级 22 下降的性能。在云计算数据中心的运行过程中，由于规模化等因素，对环境温度控制的会比较好，但是对于边缘节点来说情况就比较复杂。特别是对于一些工业领域的边缘节点，运行环境很难控制得如此精确，多数的环温会在行业标准的上限甚至更高。2012 年，英特尔提出的高温数据中心包含了高温节能服务器、功耗和散热感知调度等创新技术，其中高温服务器无需空调制冷可以在3547的环温下稳定运行。2017 年，新加坡的 Infocomm Development Authority（IDA）表示，他们正在与多家业内厂商合作，评估“热带数据中心”的可行性，在这种数据中心内，测试的环境温度将高达 38 摄氏度，环境湿度达到 90%以上。3 3）噪声和空气污染噪声和空气污染：由于边缘节点部署紧邻应用场景，其中一部分会跟居民区和办公区的位置非常靠近。在这种情况下，边缘节点产生的噪声和空气污染就成了需要考量的一个重要方面。随着近代工业的发展，环境污染也随着产生，噪音污染就是环境污染的一种，已经成为对人类的一大危害。噪音污染与水污染、大气污染被看成是世界范围内三个主要环境问题。正常的服务器在全功率高效运行时风扇转速很快，其产生的声音和空气风声加上硬盘声音，将导致服务器噪音很大而且无法避免。数据中心的制冷室外机也会产生一定的噪