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适应“云-边-端”模式的5G边缘数据中心建设探讨

归档日期:04-17       文本归类:端对端传送      文章编辑:爱尚语录

  随着云计算的深入应用,5G、物联网、人工智能技术的快速发展,高带宽、低时延、海量连接的新型应用不断涌现,传统的“云-端”业务服务、管理和部署模式,正逐步走向“云-边-端”业务服务、管理和部署模式,在网络侧边缘的云和网的关联性越来越紧密。

  多接入边缘计算(MEC)是5G时代融合业务和网络的关键技术。边缘计算通过将云计算中心的计算、存储等资源和能力平台下沉延伸到运营商网络侧边缘,在靠近移动用户的位置上提供网络能力开放以及IT服务、环境和云计算能力。边缘计算的就近服务特点满足了业务层面实时数据处理的需求以及客户层面数据安全可靠的要求。

  欧洲电信标准化协会(ETSI)定义了7类典型的边缘计算应用场景,涵盖了当前最主流的边缘计算产品内涵和垂直行业应用场景:视频优化加速、监控视频流分析、增强现实AR、车联网、企业专网、IoT/工业互联、辅助敏感计算。

  边缘计算是泛概念,“边缘”也是相对位置。站在最终客户、服务提供商、电信运营商等角度对边缘计算特点和边缘部署的理解并不完全相同,各有侧重,如图1所示。

  “边缘”聚焦在企业分支和广泛“物”的连接,如摄像头、汽车、无人机等,关注现场级的网关设备和解决方案。

  从终端/数据源到云计算中心路径之间任意节点均可定义为“边缘”,边缘可以是纯软件形态,或是集成中间件的硬件网关。例如阿里的物联边缘计算LinkEdge、百度的智能边缘BIE、亚马逊的AWS Greengrass,都是利用自身的公有云服务优势,将具有低时延、大带宽特性的业务,逐步下沉到边缘网关设备上进行数据处理,但数据分析挖掘等业务仍在云端处理。

  “边缘”更多体现在网络侧边缘的无线/有线网络和信息基础设施上,涵盖接入-汇聚-城域等本地网范围,重点解决高带宽、低时延、本地化处理等边缘计算诉求,并且在“终端-边缘-云中心”等方面实现全面协同、开放和合作。

  NB-IoT终端、5G终端等符合3GPP标准的终端为运营商边缘网络开放提供了“终端”基础;融合5G CU、UPF、MEC、边缘云和边缘数据中心等弹性网络资源及宽带固网资源,为运营商开展边缘业务经营和平台经营提供了“边缘”保障;IDC/公有云等是运营商开展“中心云”服务和提供企业服务的优质资源。

  “云-边-端”模式下的5G网络和边缘计算,将推动运营商边缘数据中心的建设布局,最终形成全网统一管理、灵活部署、高度自动化运维的全网性经营性资源。

  5G网络以应用为本,强化固移融合、云网融合,是运营商推进网络重构的最佳机会。“云-边-端”模式的边缘计算网络和能力开放,将加速以DC为中心的新一代分布式基础设施构建。总体上,融合网络架构以光缆/传输网络、IP RAN和IP网络等基础网络为传送承载,以全国/省级DC、地市核心DC、地市边缘DC,及互联网数据中心IDC为布局依托,以接入光缆/接入机房为网络接入延伸,实施5G业务、控制云、转发云、接入云及第三方应用部署,如图2所示。

  服务于全国/大区或全省范围,提供5G业务(VoLTE/物联网等)、控制面网元、资源编排和能力开放等。

  服务于本地网范围,提供融合业务(CDN/VAS)、控制面网元、和部分用户面网元(UPF/GW-U)等。

  面向城域边缘的业务接入和本地数据处理,典型如UPF/MEC、vBRAS-U、vCPE、第三方应用等部署。

  按接入-汇聚逻辑可再划分接入点机房、综合业务局站,满足基站、专线、家庭宽带等各类业务接入需求,及更靠近用户侧的业务布放。

  以DC为中心的分层架构布局,可有效适应未来的固移融合网络架构演进,如融合网络的控制面统一集中、用户面分布部署,并且固移用户面(宽带BRAS-U、移动UPF/GW-U)在网络边缘融合;同时也能适应业务云和网络云的融合要求,如业务云侧重于中心DC,网络云侧重于边缘DC;业务云和网络云在边缘融合和统一部署,承接网络能力下沉和边缘计算业务要求。

  应该说,地市核心DC、地市边缘DC、接入局所等都属于业界所提的广义“边缘数据中心”所指范围。

  业务应用多样化是5G时代的最大特点:既有话音、上网、专线G基础业务,也有视频、游戏、无人机/车联网等5G通用业务,还有包括面向电力、交通、医疗、工业制造等场景的5G垂直行业应用。5G通用业务、5G垂直行业应用的开展路径和规模驱动是影响边缘数据中心建设进度和规模的主要原因。

  业务优先,首先应明确5G业务规划,特别是省级/本地范围的5G业务路径和实施计划。典型的边缘计算类业务,应从时延、带宽、可靠性等指标要求、客户需求和行业市场成熟度、建设部署成本和最终收益等,综合评估确定实施路径。结合实际需求和技术实现看,视频/游戏CDN、视频监控、企业专网、IoT/工业互联网等应用,在近阶段试点商用和小范围推广的可行性更大些。新型业务的边缘化部署分析如图3所示。

  通用类业务和垂直行业应用,决定着5G网络能力下沉范围及边缘计算平台部署的量化要求,决定着边缘数据中心的布局规模。在业务路径规划基础上,应综合考量最终用户和企业客户规模、OTT合作伙伴诉求等,为后续网络资源量化建设提供决策评估依据。

  产业合作方面,特别是OTT服务提供商在视频/游戏的CDN下沉、IoT/工业互联网关设备的布放,对运营商网络侧边缘Iass/Pass资源甚至DC机房/IDC机架资源租用需求潜力更大,运营商应对各类开放合作方式提前做好策略和计划。

  边缘计算解决方案涉及到边缘网络、MEC管理平台及MEC应用等组成部分。随着U面的下沉,应结合业务本地化部署、缓存加速、网络能力开放等能力,实现云网融合。

  完整的MEC解决方案包括边缘网络、MEC管理平台和MEC APP应用三大部分。

  边缘网络中MEC应支持移动、固网、WLAN等多种接入,灵活路由是部署MEC的前提。其中5G核心网络实现用户面UPF下沉,主要解决分流、计费、QoS、移动性管理等问题,5G接入网络实现CU集中,实现灵活的扩展能力;固网重点是与宽带接入BRAS/vBRAS设备对接分流固网接入流量。面向固移融合的多接入边缘计算MEC如图4所示。

  MEC管理平台提供APP生命周期管理、用户及流程等运维管理,以及网络能力开放,如终端认证、位置能力等。

  MEC APP应用提供具体业务服务,如mCDN、AR/VR、车联网服务等,初期可能是MEC集成类业务,及CDN/视频类为主,后续将逐步纳入第三方应用。

  与运营商传送网络和机房设施架构对应,5G CU、UPF/MEC的部署位置本身是灵活的,无论是地市核心DC、地市边缘DC、综合业务局站,甚至客户机房(现场级解决方案)都可以部署,这取决于具体边缘业务和体验要求、部署成本和机房条件。

  5G建设初期,MEC可先集中在部分地市核心DC,或少量业务需求集中地市边缘DC,重点满足该区域范围的5G业务开展覆盖要求,以小规模边缘云部署为主;对于面向企业集中的开发区/科技园区等,可在综合业务局所部署小型化的UPF/MEC设备,甚至在企业客户单独部署,采用专用定制化设备。

  边缘电信云既要满足新型边缘计算业务的高计算、高转发要求,又要满足不同MEC APP(特别是合作第三方的产品解决方案)部署的硬件/软件环境要求,同时还要有效适应本地网不同层级机房物理条件(建筑/配电/制冷)的差异。相比于传统IT云和核心电信云,边缘电信云应兼容业务和技术双驱动原则,动态迭代演进,并在物理硬件、资源异构、远程运维管理上做好特别考虑。

  服务器应优先采用适用于NFV的服务器,以主机集群为建设单位,边缘存储设备优选采用FC/IP-SAN。服务器还需要从硬件和软件层面提供加速能力,如高速网卡配置、转发性能调优,满足电信云和IT云融合承载及OTT厂商边缘网关设备部署。边缘电信云还需要支持虚机、容器和裸金属等资源部署。

  边缘云/边缘数据中心部署采用层级方式,机房分散且位置偏远,特别是综合业务局站/接入点机房的现场运维条件有限,需尽可能实现远程运营运维和无人值守。在区域DC集中部署云管平台VIM、编排器、NFVM,统一管理全网资源,提供分权分域管理门户,并通过分别部署在地市核心、地市边缘云资源池的OpenStack适配层,接入多厂家计算/存储/网络虚拟化产品。配合NFVO和VNFM,实现上层业务和NFVI资源间的映射和关联,实现自动部署和运维业务流程。分层边缘云的统一云管思路如图5所示。

  DC内部组网,在服务器规模较大时可采用Spine-leaf交换架构,并按照业务类型划分多个POD区域,不同区域间通过防火墙安全隔离。DC之间互联应采用SDN架构,DC外部互联、地市核心DC和城市边缘DC主要通过城域网承载互联,结合流量流向特征采用Hub或环型组网。

  边缘数据中心与机房的地理位置是相对的,国内运营商传统通信机房的位置并非一一对应关系。各类机房基础设施的布局选址、资源规模,及基础设施DC化改造要求,会随着5G业务开展和网络建设的阶段特点而不断提升。

  5G建设初期,机房需求主要来自地市核心机楼,满足部分UPF/MEC部署,以及5G无线接入机房和综合业务局站,承接5G DU/CU和相应接入传输设备的需求。从中长期演进看,应做好现有通信机房的优质退网资源储备计划。

  基于核心机楼的DC机房设置以本地网为单位进行规划,按用户规模可选择2~4个所在机楼作为目标DC,实现负载均衡和部分业务备份,预计2020-2022年将逐步大范围启用。

  基于一般机楼的DC机房设置需综合考虑本地网的区县行政划分、城区和农村的用户/基站密集分布、现有机房位置和物理条件、光缆汇接资源(2个以上中继路由),优选现BRAS/MSE所在机楼作为目标DC机房。预计该机房2021年后初期按需小范围,2022-2025年进入规模启用。

  新建数据中心采用新标准,而现有通信机房演进则要兼顾现实条件。机房基础设施DC化重构是一个系统性工程,应通过合理分析、统筹,适当改造、优化,可实现整体效益最大化。

  实际改造中宜统筹平衡机房现有限制条件(承重、净高、面积、电力、空调等),综合考虑改造需求承接(机柜数量和单机功耗)和性价比等因素,选择最适合的机架规格、供电和制冷技术实施方案,如图6所示。

  以应用为驱动,适应“云-边-端”业务模式特点,推进5G边缘网络下沉和边缘计算部署,逐步构建以UPF/MEC网络功能、边缘电信云资源、边缘数据中心机房等为基础,形成全网统一管理、灵活部署、高度自动化运维的边缘网络经营性资源,是5G网络规划建设的关键之一。

  同时,运营商5G网络连接能力和边缘计算资源,叠加互联网/工业领域各方服务提供商的产品服务能力,将有助于共同拓展信息化服务范围,推动“云-边-端”模式的新型业务、客户服务创新,推动垂直行业的数字化转型,构筑更加健康的5G生态圈。

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