边缘数据中心关键技术及发展趋势

边缘数据中心关键技术及发展趋势



 导语



5G无疑是近年来最热门的话题之一,它不仅将会催生新型业态,也会为工业互联网的发展带来更大的动力。从国家到地方,对工业互联网均给予了极高的关注度,其发展可谓如火如荼。任何通信新技术的发展,均无法离开基础设施的支持。人工智能、云计算、大数据的发展离不开网络和数据中心,5G和工业互联网的发展也离不开数据中心,甚至对数据中心的依赖程度会更高。一般而言,业界对数据中心的认识只是一个信息基础设施,且仅为通信和互联网公司所用。工业领域的数据中心主要用来满足日常的生产需求,规模小、等级低且能效差,几乎不会有冗余的配置,通常只能称之为机房,急需规范和改造。随着边缘数据中心概念的出现,此领域逐渐引起人们更大的关注。



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   概念和需求分析

由于位置和需求的不同,边缘数据中心有几种不同的概念。


1.1    边缘云数据中心

相对于云数据中心,二三线城市的几百个机架的数据中心可以称之为边缘,主要满足当地的业务需求。为了帮助缓解当前网络对内容分发网络(CDN)利用率的限制,很多内容公司越来越需要将流行的内容和Web应用程序数据缓存在离传统互联网中心较近的服务器上,二三线小城市对数据中心空间的需求不断增加。也可以理解为云数据中心的下沉和扩展,它们远离传统的云数据中心,更接近最终用户,被称之为边缘云数据中心。


1.2    边缘数据中心

在同一个区域内,边缘数据中心作为云数据中心的有益补充。云数据中心提供的云服务覆盖范围很广,一个核心城市的云数据中心会覆盖到周边的若干个省份,但很难顾及到某个城市的具体应用。由于5G的部署,需要有适量的边缘数据中心的支撑,它们通常部署在小区、高速路、飞机场和工厂等靠近最终用户的区域。


有专家指出,“每行驶1h,平均一辆汽车将产生大约4TB的数据”,而普通人“视频、聊天和其他互联网应用大约为每天650MB”。如此大规模的数据量如果都上传至云数据中心,将会给网络带来巨大的冲击,因此对这些数据的就近处理显得尤为重要。承担此类任务的边缘数据中心的规模只有几十架,它们将通过更好的网络提供更低时延的本地化服务。


1.3    工业边缘数据中心

在某个工厂的生产环境内,边缘数据中心用来处理延迟敏感、数据密集型的应用场景。此类应用不太适合传统的云环境,例如大型移动机械和工厂装配线、自动驾驶车辆和飞机维修、灾难恢复系统或向技术人员发送警报以进行预防性维修等。这种边缘数据中心只有几台服务器或者几个机架,显然这应该属于工业数据中心的范畴。这种边缘数据中心更多的是为生产服务,部署环境和运维条件比较恶劣,与常规数据中心有较大差异,因此需要有针对性的进行建设和运维的引导。


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   关键技术


2.1    基础设施技术

对于云数据中心来说,基础设施的技术和产品都已经相对成熟。从供配电到散热,再到服务器,不管是传统的部署还是模块化部署,都已经优化到了很高的程度。对于边缘数据中心而言,是否采用与云数据中心同样的技术路线还有待商榷。例如,很多边缘数据中心直接市电接入,机房可能是工厂或者建筑的一部分,难以保证稳定的环境温度;受限于空间和噪音等因素,无法配置柴油发电机等。边缘数据中心和云数据中心的底层建筑有着很大的区别,当一个不是很封闭、并且临近用户的建筑空间来部署边缘数据中心,就需要在基础设施层有更多的考虑,包括安全性、可靠性和绿色节能等。


(1)安全性方面。云数据中心属于重点设防的单位,安全级别很高。而边缘数据中心则不然,由于其位置的特点,很难做到如此严密的物理安全。因此,IT设备的物理安全、信息安全和网络安全面临很大的挑战,需要更精细的手段进行预防。区块链发展成为防篡改的关键技术,通过区块链技术来进行边缘数据中心组网和信息传输,可以防止任何一个服务器节点或者硬盘等部件被恶意替换、攻击和控制,并带来的信息泄露和安全风险。


(2)可靠性方面。云数据中心的配电可以有2N等冗余配置,用电来自不同的变电站。虽然现在的电网可靠性已经大幅提升,但是为了避免0.001%的故障概率,仍需要配备冗余的电力措施。由于空间和噪音等问题,边缘数据中心部署柴油发电机的可能性比较低,如何提高边缘数据中心的用电可靠性?UPS会是一个很好的解决方案,备用电源的边缘化也是一个发展方向,机架锂电池以及服务器后备电源都会有用武之地。


(3)绿色节能方面。云数据中心可以利用各种节能技术,实现绿色节能。而对于规模只有几个或者几十个机架的边缘数据中心来说,很难实现能耗和性能的平衡。市电直供会在一定程度上有利于PUE的降低;由于电力供应的瓶颈造成的散热问题会使边缘数据中心的温度范围相对变大,需要有更加宽温运行的网络和服务器设备来适配,这将有利于PUE的优化。边缘数据中心的实际条件,也在绿色节能方面提供了很大的创新空间。


2.2    分布式处理技术

学术界对分布式系统的定义是“一组计算机一起工作,以最终用户身份显示为一台计算机”。分布式系统通过网络将一组计算机连接起来,使其面向用户时为一台计算机,所有的工作通过分布式的方式进行。


从数据中心的视角来看,云数据中心显然是一个集中的典型,各个边缘数据中心可以视为各个独立的IT资源,分布式系统即为将各个独立的边缘数据中心通过分布式系统集成为一个逻辑上的整体,进行统一的资源管理和调配,为各类用户提供计算和存储资源。


在10M、100M接入的时代,想要实现这个目标很难。当边缘数据中心的数据量达到一定规模之后,网络会成为一个很大的瓶颈。如果时延过大,分布式显然也就失去了意义和价值。随着相关国家战略的实施和无线技术的发展,边缘数据中心的网络接入迎来了巨大的突破。根据相关数据,5G的“无线接入密度能达到10Tbit/s/km2,用户体验速率能达到1Gbit/s,时延仅为1ms”。


3G催生了文字社交APP的流行;4G引发了短视频APP的流行;5G时代,边缘数据中心的无线网络接入将得到更好的保障,5G会促进各类边缘计算应用成为流行。分布式处理技术将在网络接入的保障之下实现其更大的应用价值。


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   发展趋势


3.1    技术:无线和有线趋于融合

在传统的云数据中心建设方案中,网络是一个重要的考量因素。在极高的建设要求和受限的成本预算情况下,一线城市的周边地区势必成为数据中心的优选地址,而对周边地区考核的重点质疑即为“网络直连”。据媒体报道,“张家口城域网实现了一跳直连北京,传输带宽提升一倍,达到800G,网络时延缩短38%”。网络直连骨干对各大云数据中心的布局至关重要。


在边缘数据中心,时延比带宽更具重要性。此外,电力冗余、网络冗余对于边缘数据中心也至关重要。在现有网络的情况下,边缘数据中心难以实现一般云数据中心的二三线网络接入方案。但随着5G的发展,网络冗余问题可迎刃而解。通过“有线+5G”的方式一方面实现了两条路由,另一方面也将催化各类5G业务。


融合的实现一直以来是一个较为艰难的历程,需要各取所长。在边缘数据中心领域,将创新性地实现有线和无线的融合,这两种接入方式将互为备份,不仅大幅提高边缘数据中心的网络可靠性,也将更好地支撑各种上层业务的开展。


3.2    应用:从互联网向工业扩张

云数据中心的体量巨大。据2019年10月Synergy Research的数据显示,截至2019年第三季度末,超大规模提供商(Hyperscale Providers)运营的大型数据中心数量增加到504个,是2013年初以来的3倍。据中国信息通信研究院的数据显示,截止2017年年底,大型以上数据中心机架数超过 82万,比2016年增长68%。如此大规模的数据中心主要实现各类公有云和私有云等的应用,并需要有相应规模的应用服务商提供业务支撑。


边缘数据中心的重要价值之一,是作为5G发展的重要基础设施。作为未来一段时期的关键无线技术,5G实现了高密度、广覆盖。但网络仅能支撑数据的传输,对于数据的存储和计算,仍需数据中心的强力支撑,特别是自动驾驶、游戏视频等应用,更需要边缘数据中心的加持。此外,边缘数据中心的特点也使得工业互联网成为其重要的支撑方向。工业和信息化部部长苗圩在2019年9月20日的国务院新闻办新闻发布会上谈及5G未来的应用场景时表示,未来5G应用场景80%会在工业互联网,尤其值得期待的是车联网和远程医疗。


据笔者调研发现,目前工业领域的数据中心,特别是跟生产活动紧密相关的部分,不管是部署方式还是实际应用都仍处于初级阶段,无法支撑工业互联网领域的高质量发展,因此完善的边缘数据中心解决方案将在工业领域大有可为。


3.3    运维:AI将发挥更大的作用

人工智能在各行各业均有不同程度的应用。在数据中心领域,人工智能已被用于故障预测和告警等。据报道,谷歌公司已经实施人工智能来监控数据中心环境,报告表明DeepMind AI助力谷歌公司的数据中心冷却费用减少40%。近日,百度徐水数据中心破土动工,它是互联网领域首个供电、制冷全分布式预制化数据中心,采用基于百度飞桨PaddlePaddle深度学习平台研发的AI控制系统,设计PUE仅为1.15,节能效果显著。


规模化在推动各种新技术的使用方面具有优势。对于零散式分布的边缘数据中心来说,如何将AI运维新技术融会贯通,形成稳定可靠的运行模式是业界需要探讨的问题。由于地理位置等方面的特殊性及专业人员的短缺,在难以实现有人值守的情况下,边缘数据中心的运维更亟需人工智能技术的支撑


3.4    标准:有待业界达成共识

边缘数据中心随着云数据中心的发展而产生,随着5G的发展而变得更加可能,无论需求方、设备商还是运营商,产业链各个角色均在积极地研究探讨,但到目前为止仍没有成熟的案例和标准出现。仅有一些产业平台发布了相关的研究成果,例如开放数据中心委员会(ODCC)于2017年发布了《边缘数据中心白皮书》;工业互联网产业联盟(AII)于2018年发布了《边缘计算与云计算协同白皮书》等,对应用场景和技术发展进行了初步探讨。


 “产业未动,标准先行”。目前,边缘数据中心的需求、特征、运维、测评等各个方面均亟需开展标准化研究工作,均需一套完整的边缘数据中心标准,将对规范和指导产业的发展起到重大引领作用。


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  结束语

边缘数据中心的发展刚刚起步,仍有众多技术和话题需要研究和探讨,也成为我国的产业平台和行业标准组织积极关注的方向。


2019年4月,开放数据中心标准推进委员会(ODCC)成立了“边缘计算工作组”,将围绕边缘计算节点机房环境及网络相关需求、边缘计算平台加速功能相关内容、边缘计算平台与边缘服务间接口标准化相关内容、边缘计算平台与运维管理、应用生命周期管理、应用规则与需求管理间接口标准化工作等方面开展研究工作。


2019年8月,为了更加深入地研究工业数据中心的发展,工业互联网产业联盟(AII)在第十一次全会上正式成立“工业数据中心特设组”,对边缘数据中心的研究是其一项重要的工作内容。相信在产业界各方的共同努力下,边缘数据中心的发展思路将会更加清晰,一方面借鉴各类既有的数据中心先进技术,另一方面与实际需求更加紧密的结合,边缘数据中心将迎来其更大的发展机遇。





论文引用格式:

郭亮. 边缘数据中心关键技术及发展趋势[J]. 信息通信技术与政策, 2019(12):55-58.





作者简介

郭亮: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,高级工程师,工业互联网产业联盟工业数据中心特设组联执主席


本文刊于《信息通信技术与政策》2019年第12期


边缘数据中心关键技术及发展趋势



《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。定位于“信息通信技术前沿的风向标,信息社会政策探究的思想库”,聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、 国家/产业/企业战略,发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等,推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展,引导国家技术战略选择与产业政策制定,搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。



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原文始发于微信公众号(信息通信技术与政策):边缘数据中心关键技术及发展趋势


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