边缘节点的需求分析和核心技术研究

本文分析了来自5G、IoT 和CDN的边缘计算需求，对边缘计算的总体架构进行了研究。边缘节点作为数据中心网络中的一个重要组成部分，边缘硬件、边云协同和边边协同的技术发展将会非常重要。未来，需要解决好技术碎片化和布局等问题，促进边缘节点的更快发展。

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。边缘计算依赖边缘节点来完成。边缘节点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。边缘节点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

01、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，数据量暴增。在这个过程中，全国各地开始了热火朝天的大型和超大型数据中心的规划和建设。为了规范数据中心的发展，2013 年，工信部发布了《关于数据中心建设布局的指导意见》；2018 年和2019 年，工信部相继发布了《全国数据中心应用发展指引》的两个版本。北京、上海、浙江、内蒙古和贵州等地相继出台了数据中心相关的政策和发展指导意见。

2019年6 月6 日，工信部正式发布5G 商用牌照。意味着我国进入5G 时代。根据IMT-2020(5G)推进组的介绍，5G 需要具备比4G 更高的性能，支持0.1~1Gbps 的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数Tbps 的流量密度，每小时500KM 以上的移动性和数十Gbps 的峰值速率。据实际测试显示，5G 的速度能达到4G 的100 倍左右。由于5G 采用了超高频来实现高速无线传输，导致5G 需要更大的基站密度来支撑更好的用户体验。

02、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Intel CEO Brian Krzanich 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。此外，由这些无数设备生成的数据将显著增加安全管理问题。因此，物联网将为不同行业的许多组织带来新的安全挑战。

03、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 提供商一般没有自己的数据中心，他们将越来越依赖边缘节点来提供不断增加的空间和电力需求，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，边缘节点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。

04、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，边缘节点将会被推上风口。

3、总体架构分析

下图左侧是美国的现代互联网骨干，右边是美国无线运营商的无线覆盖图。这两个基础设施展现了一种良好合作的假象。毕竟，我们几乎可以在任何地方打开手机，阅读电子邮件、浏览网页或观看电影。

图1 美国有线和无线网络示意图

但实际上，有线和无线基础设施是物理上和逻辑上分开的系统。目前，我们使用的大多数应用程序都可以容忍以秒而不是毫秒为单位的延迟。并且由于互联网Best Effort 的特性，绝大多数应用对少量的丢包也并不敏感。

在未来的应用场景中，譬如自动驾驶和远程手术，对丢包和秒级延迟是无法接受的。5G 出现后解决了网络传输层面的性能问题，那就需要边缘节点来解决应用层的数据处理问题。更多类似的低时延大带宽需求的新的边缘应用将大量的计算和存储推到边缘，这个挑战是巨大的。

01、组网架构

边缘计算的部署和实现是和网络架构紧密相关的，原来数据需要传回云数据中心进行处理。在边缘节点的架构中，数据将在合适的边缘做分流，由本地的边缘节点来进行处理。所以对于边缘的网络架构来说，有两个方面比较重要。