• 數字化新基建時代,大型多元化企業需要什么樣的邊緣計算?

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    2020-07-15 來源:首席數字官




    云計算發展至今,往前繼續,無非如此:走向混合多云,邁向智能邊緣。本文中,我們將聚焦討論邊緣計算。事實上,在全行業數字化轉型過程中,邊緣計算已成為一個熱詞,但是不同行業似乎都有自己獨特的“邊緣計算”,而且相同行業中每個人對邊緣計算的理解似乎也不太一樣。似乎“一千個哈姆雷特,就有一千個邊緣計算”,那到底什么是邊緣計算,為什么會出現這種現象,我們為什么需要邊緣計算,又需要什么樣的邊緣計算,本文中,我們將嘗試來探討和理解這些問題。
    1什么是邊緣計算
    邊緣計算產業聯盟對邊緣計算的定義是:“在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側,融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺,就近提供邊緣智能服務,滿足行業數字化在敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求”。在電信領域,邊緣計算最初也被稱為移動邊緣計算(MEC),歐洲電信標準協會(ETSI)對MEC的定義是:“移動邊緣計算在移動網絡的邊緣、無線接入網(RAN)的內部以及移動用戶的近處提供了一個IT服務環境以及云計算能力”。邊緣計算在IT和CT領域的定義雖各有側重,但是本質相同。簡而言之,邊緣計算是基于云計算核心技術,構筑在邊緣基礎設施之上的新型計算形式,在邊緣位置提供計算、網絡、存儲、安全等彈性能力,是一種靠近數據源的現場云計算。

     


    1 動物界中的“邊緣計算”——章魚 

    相比于集中式的云計算服務,邊緣計算解決了時延過長、匯聚流量過大以及數據傳輸安全性等問題,進而為實時性、帶寬密集型和數據高安全等業務場景提供了更好的支持。從行業發展的需求側和供給側來看,邊緣計算產業也主要圍繞著時延、帶寬和安全三個領域在持續演進,伴隨AI智能的普及,邊緣智能也成為了邊緣計算領域的重要分支。

     
    2計算力在集中式和分散式之間的交替


    相對于傳統的數據中心云計算模式,邊緣計算將存儲、計算、分析和網絡安全等云功能安置到網絡邊緣或接近數據源頭的場所。在邊緣計算的實際場景中,“邊緣”或“接近”本身是一個相對的概念,可以是網絡中的某個相對位置(如無線接入機房),也可以是地域上的某個位置(如客戶現場機房或終端設備附近)。也正因如此,關于邊緣計算的定義,業內很難有統一的標準答案,不確定的邊緣位置帶來了對邊緣計算不一樣的理解。事實上,邊緣位置的確定取決于多種現實因素,例如特定場景邊緣應用的具體要求(時延、帶寬、實時分析能力、傳輸數據量、安全性等)、技術實現(邊緣配置、云和設備之間的距離等)以及業務需求與實現成本的綜合考慮(實際需求、經濟性)等。正如開篇所提,不同行業中的技術人員對邊緣計算有不同的定義和理解,事實上,行業和需求的不同,正是造成這種不同理解的根因。
    從本質上來看,邊緣計算的發展意味著部分業務模式正從以網絡為中心轉變為以現場工作負載為中心,本地化將成為重要原則。但是,這并不代表邊緣計算將成為云計算的取代者,邊緣計算和中心云計算之間并非此消彼長的情況,集中式數據中心云計算將會繼續存在,而邊緣計算僅是集中式云計算的補充,而且在云邊協同推動下中心云的整體容量仍將繼續擴大,但新的需求以及5G時代超低時延業務的興起正在將算力拉近用戶、貼近現場。算力無界,泛在邊緣智能時代也終將到來。

     

     2為什么需要邊緣計算

     


    計算架構的革命
    在傳統云和端兩層網絡架構中,計算要么發生是在云上(服務器端),要么在手機、PC、網關設備等終端上(客戶端),即行業熟知的C/S架構。隨著IoT萬物智聯的普及,工業互聯網、車聯網、智慧城市、自動駕駛、智能制造、AR/VR等新型產業應用的出現,全部計算發生在云端服務器可能已無法滿足時延要求和大容量帶寬的成本,而全部發生在端側,對端的軟硬件配置又有極高要求,另外,端側的復雜性也會極大降低行業創新的步伐。因此,計算需要由原本的云、端(C/S)兩層架構,在引入邊緣端(Edge)的基礎之上,逐漸遷移到端和云中間的位置,通過算力位置的安放實現距離與效率的平衡,演變成端、邊、云(CES)三層架構,而這也將成為萬物智聯時代的主流計算架構。
    邊緣計算在本質上是CS架構到CES架構的進化,引入Edge端可以解決CS架構在重載業務場景下捉襟見肘的難題。對于服務器端而言,Edge端會把請求在本地進行分析和預處理,能夠承擔大流量訪問和分散計算壓力;對于客戶端而言,Edge端的運行環境可控,計算模型可實時更新,算力強大電量無限,可與云端實現一體化協同管理。另外,Edge端計算也可獨立于云端服務存在,不受網絡連通性的影響。由端、云兩層計算架構到端、邊、云三層計算架構的轉變,是數字經濟時代新型基礎設施演變的要求,也是計算架構伴隨行業應用發展自我進化的必然。
    5G時代的到來
    4G時代,面對移動互聯網的壓力,傳統CS架構已捉襟見肘,幸而有CDN的救場,才讓傳統計算架構在大負載面前保持優雅身姿。5G時代,大帶寬、高密度和低時延的5G物理特性,必然會引入海量設備和流量的接入,這個數值可能是4G時代的十倍百倍甚至更多,對于傳統架構而言,已是兵臨城下、四面楚歌。為迎接5G時代的到來,行業急需解放云端在計算、時延和流量上的壓力,同時也需簡化端側復雜度的解決方案出現,邊緣計算臨危受命,成為5G時代新晉擔當。
    5G是一種自帶光環的技術。因為已預測到自身各種優勢所帶來的業務場景可能引起的各種問題,因此5G自帶解決方案,這個解決方案就是5G MEC,即5G邊緣計算能力。5G原生支持在通信管道內流量按需做本地分流卸載,可以理解為流量可以在通信管道中的任意位置剝離原通信管道,分流到處于任意位置上的計算平臺,因此5G在技術上提供了計算下沉到任意位置的網絡可能性,這是5G對邊緣計算最大的紅利,甚至可以認為5G為邊緣計算賦予了真正的生命。在4G時代之前,通信網絡中一頭是端,一頭是云,這便是CS架構的網絡基礎。而在5G時代,通信網絡中一頭仍是端,一頭還是云,但是中間有無數可自定義的網絡站點,用戶可以在這些站點上按需放置具有不同算力的計算平臺,而這也正是5G時代邊緣計算爆發的網絡基礎。如果把通信網絡比作一條高速公路,4G時代之前,它是沒有服務區的,所有的信息流都從這條高速公路上從起點到終點流轉,5G有一個非常好的特性,就是允許在高速公路上修建服務區,流量可以按需分流到這些服務區,而在這些服務區上的計算,就是行業長期以來所期盼的邊緣計算。

     
    3 5G新特性


    低時延場景的需要
    超低時延場景在消費互聯網中并不常見,但在產業互聯網中卻是一種剛需,并且已極大制約了新型業務場景的開拓,如無人駕駛、遠程醫療、智能制造和智慧碼頭等場景。如果低時延問題得不到解決,則控制信號的傳輸將得不到保障,很多行業的創新應用也將永遠停留在實驗階段。

     
    4 典型低時延應用場景


    邊緣計算具有很多優勢,但是低時延仍然是邊緣計算最核心的價值點。在當代數據傳輸網絡中,影響時延的主要因素并非網絡傳輸速率和網絡轉發設備,而是傳輸網絡中核心網網關的位置,或者說是核心網關與終端設備之間的距離。以手機終端收發數據為例,流量進入基站后,便進入運營商承載網,通過接入、匯聚、城域網再進入遠離終端的核心網,進行計量計費后再傳送給對端,這個過程中,數據傳輸的時延由光纖傳輸時延和設備轉發時延組成。如果按終端設備距核心網地域距離500KM,且網絡非堵塞來計算,則光纖傳輸時延占比85%,設備時延僅占比8%,計算結果充分說明對超低時延業務而言,降低時延最關鍵的解決方案,就是核心網網關下沉以降低光纖傳輸距離造成的時延,比如核心網關由運營商省會數據中心下沉至客戶現場機房,以實現客戶數據最短距離的傳輸(事實上,這正是5G邊緣計算所做的事情)。就局域網有線傳輸場景而言,便是將計算力由遠離現場的中心機房遷移至設備現場或靠近設備的現場機房。
    靠近現場進行計算,最大程度降低傳輸時延,這是邊緣計算存在的核心理論。

     
    5 網絡傳輸時延分析

     

    商業模式的轉型
    就目前而言,邊緣計算最主要的參與者,仍然還是運營商和公有云廠商,雖然部分設備制造商也在參與其中,但是主流依然還是前面兩者。傳統運營商希望借助邊緣計算實現運營商從“管道運營”向“平臺運營”的歷史演進,目前三大運營商對邊緣計算都在積極布局,尤以混改后的聯通最為活躍。毫無疑問,在互聯網和云計算大潮中,運營商并未擺脫“管道商”的宿命,而邊緣計算卻是運營商的歷史機遇,也是拉動5G賦能產業的關鍵技術。某種程度上,可以認為邊緣計算是運營商借助5G,由紅海C端進入B端的唯一途徑,東隅如逝,桑榆必丟。
    運營商的天然優勢,在邊緣計算領域得到最大化的體現。一是遍布全國縣市的邊緣機房,二是觸達每個角落的無線及有線傳輸網絡。利用移動和固網的本地分流能力,根據業務場景和用戶對時延的不同需求,將現場終端數據分流卸載到不同位置的邊緣機房,再通過運營商提供的邊緣計算平臺實現對原始數據的分析和處理,將流量或專線、計算資源和軟件服務費用收歸囊中,是運營商在邊緣計算規劃方案中,用以擺脫管道宿命的核心設計理念。以5G網絡為契機,借助運營商特有的本地分流優勢,充分利用既有邊緣基礎設施,寄希望通過管道+邊緣云服務方式全量占領邊緣市場,是運營商商業模式轉型的主要布局之一。

     
    6 運營商邊緣計算整體規劃


    如出一撤,公有云廠商也不甘心于盤踞云端。一直以來,云廠商的商業模式都是以逸待勞的向用戶提供按需付費的云服務,隨著產業互聯網的到來,云廠商需要結合邊緣計算,主動將云服務進一步延伸和拓展到產業端,大型、集中的計算仍然交由傳統云中心來完成,對于時延、成本、本地化計算有強需求的客戶,則提供邊緣計算來滿足客戶需求。以中心云能力為核心,以邊緣節點為依托,將數據中心云服務能力無界拓展至客戶現場,通過云邊協同實現邊緣智能,持云端優勢,借邊緣開道,撬動傳統產業端入口,正是云廠商布局和推動邊緣計算的初心。公有云廠商邊緣計算市場的開拓,產品層面基本呈現為云端IoT Hub和邊緣端IoT Edge兩大類產品,并以IoT Edge嵌入客戶現場,以IoT Hub管理散落客戶現場的邊緣節點設備為主線進行產品打造。如微軟的Azure IoT Hub和Azure IoT Edge,亞馬遜的AWS IoT和AWS Greengrass,阿里云IOT平臺和Link IoT Edge,騰訊云IoT 平臺和IECP邊緣計算平臺,青云的IoT平臺和EdgeWize邊緣計算平臺。

     
    7 云廠商邊緣計算整體規劃


    毫無疑問,多數云廠商并不具備底層的管道通信能力,在邊緣計算領域顯得心有余而力不足,借殼弄個SD-WAN,基本已經觸到能力邊界。因此,在公有云廠商的邊緣計算方案里面,基本不會提及流量卸載或本地轉發的概念,因為那是運營商統治的禁區。隨著5G時代的到來,如果不具備本地分流的能力,云計算廠商的邊緣計算必然大打折扣,因此公有云廠商與運營商的聯姻合作,必然會成為邊緣計算市場的常態,這或許也是混改后的聯通在邊緣計算領域如此激進的原因,而從目前來看,互聯網云廠商與運營商在邊緣市場的合作,其實早已開始。
    3大型多元化企業需要什么樣的邊緣計算
    萬物智聯時代,5G、IoT和AI都將將成為新基建的核心,5G建立起了高速通道,IoT解決了海量連接的問題,AI賦予了設備智能。但是,唯有邊緣計算才是將5G、IoT和AI合為一體、賦能產業的關鍵。未來的邊緣計算,至少要同時具備三大功能:5G大帶寬高速接入和本地分流,IoT異構多終端數據源匯聚,AI邊緣智能數據推理。從技術角度而言,要同時在邊緣側實現三大功能,邊緣計算必須以邊緣云為載體存在,否則就是功能受限的單點智能邊緣網關。另外,邊緣云必須與中心云實現無縫互通,通過云邊協同機制,形成云端訓練、邊緣推理的泛在邊緣智能模式,同時獨立分散的邊緣云也必須接受中心云的統一管控,實現一云統管多邊的格局,否則就不能稱之為云時代的邊緣計算,最多是個現場孤立的微型私有云或者獨立邊緣網關。基于上述分析,我們認為未來邊緣計算的發展,應當具備如下幾個特性:分層異構多端接入,本地分流實時計算。
    對于集團型企業,尤其大型多元化集團企業,未來算力的分布至少呈現云、邊、端三層架構。云一統,分而邊,細則端。未來邊緣計算一定是云端能力的拓展,并以總分兩層架構為起始,利用IoT平臺解決異構多端數據源接入問題,云端與邊緣端IoT平臺層次分明、各司其職,云端一級IoT平臺覆蓋全域,滿足長連接、時延要求不明顯的通用業務場景;邊緣端二級IoT平臺本地專屬覆蓋,滿足短連接、低時延特定業務場景。以時延需求為依據,無線接入、超低時延場景,配合5G MEC技術,實現數據本地分流,現場實時計算,數據不出廠區;有線接入、超低時延場景,邊緣云端直接計算,高價值數據回傳云端,低價值數據現場過濾。兩級IoT平臺配合協作,解決物理世界多端異構、時延各異等多樣化的數據接入場景。通過5G特有的數據本地分流技術,實現多端異構數據源的快速接入和本地實時計算,降低數據傳輸時延,減輕云端計算壓力和傳輸帶寬成本。
    云邊協同獨立計算,一云多邊總分架構 
    云端管理、邊端計算,云邊協同,互為配合。邊緣云的建設以中心云技術棧為依據,作為中心云能力的拓展,邊緣云基礎設施與中心云異構融合,渾然一體,網絡無縫銜接。云邊總分架構,一云多邊,中心統一管理,多邊獨立計算。南北云邊流量互通,東西互訪流量隔離,即云邊彼此互通,邊端彼此獨立。重載集中云端計算,算法模型云端訓練,邊端分散輕量計算,數據推理邊側執行。邊緣資源云端統一納管,邊緣應用云端統一管控。邊端應用自動構建,亦可三方上架合作,云端邊緣應用市場匯聚生態,邊端場景需求一鍵部署。邊緣應用云端統一監控,邊端獨立運行。
    中心訓練邊緣推理,泛在邊緣智能涌現
    在產業互聯網領域,云端智能遠離場景,邊緣智能嵌入產業。伴隨全行業的數字化,智能終將無處不在,依托邊緣計算的現場深入,泛在智能亦將涌現。邊緣智能的實現需要兩個環節,模型訓練和數據推理。模型訓練需要重復不斷分析大量歷史數據,生成計算模型,因此模型訓練由兩層架構中的云端數據中心承擔,云端負責模型的訓練、發布、更新和推送管理。推理階段,訓練過程產生的算法被用于分析新生數據,數據推理要有實時性,且近源頭端,因此數據推理由邊緣側完成。邊緣端運行推理程序,接受云端下發和更新的模型文件。云邊智能協同,中心訓練,邊緣推理,智能終將無處不在。
    邊緣資源統一管控,邊緣應用統一編排
    云邊一體化的多層架構中,云端可對邊緣端進行配置、管理和運維監測,通過云端混合多云管理平臺,實現對邊緣云的統一納管;通過云端邊緣計算管理平臺和邊緣市場,可自動下發、部署邊緣業務應用至邊緣云上,通過云端統一應用管理平臺,實現邊緣應用運行狀態的統一管理。云端應用市場支持多類型邊緣應用,提供多協議邊緣驅動,提供全棧式應用編排工具和自動化邊緣應用構建能力,邊緣應用市場生態開放,匯聚產業,兼顧傳統與云原生應用。邊緣場景一鍵下發、自動部署,云端統一監控、遠程升級和在線更新邊緣應用。邊緣應用長在云端,用在邊端,中心控制,邊緣運行。

     
    8 邊緣計算應用場景示例

     

    總結


    邊緣計算由來已久,時下熱門早有先見。當云端服務競爭飽和,運營商人口紅利耗盡,消費互聯網難覓新機,而5G通信成熟商用,疫情加速行業數字化,產業互聯網迎風高走時,所有行業都在瞄準產業互聯網,開拓新的商業模式,而邊緣計算無疑是大家走出困境、邁向新大陸的通道。在很大程度上,從云到邊緣的算力遷移,可以視為是云真正賦能產業和泛在智能時代的開始。當無窮的算力和智能依托邊緣計算深入到每一個車間、工廠、港口、碼頭和村落時,就如工業時代的電輸送進入每家每戶,數字化智能經濟時代便能真正到來。
    但是,就目前而言,上游與邊緣計算相關的網絡產品、平臺方案等供給方對邊緣計算的推動力量,明顯大于下游用戶的主動需求拉動力量,甚至邊緣計算的標準和生態,在上游廠商范圍內也沒有形成統一,而圍繞邊緣應用和商業模式的選擇仍然存在一系列開放式的問題,加上5G應用發展過慢,邊緣計算的需求引擎難以發動。整體而言,邊緣計算仍然處于早期階段,但是已具備提前布局嘗試和大膽想象的一切技術條件。

    未來已來,只是尚未流行! 

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