1 引言
5G技術的發(fā)展開啟了萬物互聯(lián)的時代。根據ITU-R的定義，5G技術具有超高帶寬、超低時延、網絡能力全連接覆蓋等特性，5G在未來將帶動增強型移動寬帶（eMBB）、大規(guī)模機器類通信（mMTC）、高可靠低時延通信（uRLLC）三大場景的發(fā)展。這三大場景覆蓋了物聯(lián)網、高清視頻、AR/VR、工業(yè)制造、可穿戴設備等萬物互聯(lián)應用技術的方方面面。這些新興技術都對高吞吐量以及低時延有著較高的要求，而原有傳統(tǒng)數據中心的時延有時長達100 ms[1]，顯然已經不能滿足需要，于是更靠近用戶、滿足低時延要求的邊緣數據中心應運而生。
邊緣數據中心在靠近用戶的網絡邊緣提供基礎設施資源，支持邊緣計算對本地化、實時性的數據進行分析、處理、執(zhí)行以及反饋，從而對云計算能力進行補充。借助邊緣計算，數據可以在邊緣數據中心進行處理，從而節(jié)省到傳統(tǒng)集中式數據中心的通信等待時間[1]。與傳統(tǒng)的數據中心相比，邊緣數據中心在分類、規(guī)劃、設計、發(fā)展方向將呈現(xiàn)怎樣的特點? 本文將著重探討這部分內容。
2 邊緣數據中心的分類思路
目前，對于邊緣數據中心分類方法尚未定論。對于邊緣數據中心的分類，不能單純采用傳統(tǒng)數據中心按照機架規(guī)模來進行分類的思路，可以通過IT容量規(guī)模、場景、下沉位置等維度進行分類。
電力的規(guī)劃和接入是邊緣數據中心需要考慮的一個重要方面，所以通過IT容量規(guī)模來確定邊緣數據中心的分類是一個較為合理的思路。結合國外部署經驗來看，邊緣數據中心IT設備容量一般不超過2 MW，可以依據其規(guī)模對邊緣數據中心進行分類：微型邊緣數據中心，IT容量在600 kW以下；小型邊緣數據中心，IT容量在600 kW~1000 kW之間；中型邊緣數據中心，IT容量在1000 kW ~2000 kW之間?？紤]到空間等因素，邊緣數據中心機架應為高密度機架，單機架負載容量推薦使用范圍為6 kW~20 kW。
應用場景多樣是邊緣數據中心的一個特點，從應用場景入手對邊緣數據中心進行分類也是一個比較科學的思路?？梢园凑請鼍胺譃樯a互聯(lián)網型邊緣數據中心以及消費服務互聯(lián)網型邊緣數據中心。其中，生產互聯(lián)網型邊緣數據中心對應第一、第二產業(yè)，場景包括但不局限于工業(yè)制造、能源、農業(yè)等；消費服務互聯(lián)網型邊緣數據中心對應第三產業(yè)，場景包括但不局限于AR/VR、視頻、游戲、金融、教育、家居、城市、醫(yī)療等。
邊緣數據中心下沉的位置不盡相同，也可以作為邊緣數據中心分類的一個較好的思路。對于邊緣數據中心的邊界，目前業(yè)界所談論的“邊緣數據中心”是一種相對廣義的概念。細分來看，邊緣數據中心可以分為靠近端的邊緣以及靠近云的邊緣兩種。其中，近端邊緣數據中心基本距離用戶數米到數千米，可以下沉到5G基站層面，甚至可以下沉到用戶“身邊”，近端邊緣數據中心的形態(tài)可以為一體柜設備形態(tài)；近云邊緣數據中心距離用戶十幾千米，下沉到接入網層面，近云邊緣數據中心在形態(tài)上與傳統(tǒng)小型的數據中心類似。
以上3種分類的角度不同，都可以在各自的維度上為邊緣數據中心做好分類的界定，具體參見表1。
表1 3種邊緣數據中心分類方式
3 邊緣數據中心的規(guī)劃設計分析
3.1 邊緣數據中心規(guī)劃
在選址方面，邊緣數據中心將呈現(xiàn)靠近用戶、物理分散、邏輯統(tǒng)一的特點。邊緣數據中心的選址將很大程度上由其所承載的服務網絡時延要求來決定，通常邊緣數據中心服務的場景時延都在毫秒級，由于更靠近用戶，邊緣數據中心的選址可能選取的位置有：路邊的公用設施附近、5G基站、普通建筑內部、工廠內（以支持工業(yè)互聯(lián)網）、居民社區(qū)、廢棄鍋爐房等，同時這些選址位置仍然需要參考傳統(tǒng)數據中心的條件，如氣候條件、安全性因素等。邊緣數據中心選址時也要站在整體邏輯的高度進行考慮。邊緣數據中心由于應用場景多樣、靠近用戶等原因，屬于物理位置高度分散的情況，而多個物理分散的邊緣數據中心可以互聯(lián)集成，在邏輯上統(tǒng)一。例如，美國知名邊緣數據中心企業(yè)VaporIO在部署邊緣數據中心時采用了地理分散而邏輯關聯(lián)的方式，城市中的邊緣數據中心整體以環(huán)形排列，間隔約為10 km ~20 km，這些邊緣數據中心通過高速光纖網絡連接在一起，實現(xiàn)了整體邏輯關聯(lián)，從而實現(xiàn)了負載平衡、容量彈性和工作負載遷移等功能。
在建筑類型方面，邊緣數據中心將呈現(xiàn)機房形態(tài)和設備形態(tài)。機房形態(tài)的邊緣數據中心類似于小型的傳統(tǒng)數據中心，具有供配電、暖通等系統(tǒng)。設備形態(tài)的邊緣數據中心主要指一體柜等，一般是預制化、標準化的即插即用一體柜，這種一體柜可以放置在普通建筑物內，或者放置在路邊公用設施附近。另外，也有國外學者研究提出了“ 游牧數據中心（Nomadic Data Centers）”的概念[2]，即一種可移動的小型、便攜式邊緣數據中心，也屬于設備形態(tài)的一種。
在建設方式及周期方面，邊緣數據中心將以改造為主，建設周期較短。由于未來更多新興業(yè)務的快速上線，邊緣數據中心應基于現(xiàn)有基礎設施改造，如利用廢舊工廠、鍋爐房、地下室等進行改造，同時標準化和產品化等使得微模塊產品等將成為邊緣數據中心快速上線的法寶，建設周期可以縮短到數月，甚至數周。而對比傳統(tǒng)數據中心的建設方式，一般包含了選址、土地水電資源對接、評審立項、土建、配套設施安裝、項目驗收等步驟，一般建設周期較長，通常需要1~2年，邊緣數據中心建設周期更短，上線更快。
在規(guī)模方面，邊緣數據中心規(guī)模較小，基本規(guī)模將以百為單位。結合國內外邊緣數據中心部署的實際情況，考慮到空間等因素，邊緣數據中心一般規(guī)模不大，同時采用高密度機架，單個邊緣數據中心的機架規(guī)模一般在以百為單位。而傳統(tǒng)數據中心一般都具有一定的規(guī)模性，根據工業(yè)和信息化部等國家五部委于2013年發(fā)布的《關于數據中心建設布局的指導意見》，國內傳統(tǒng)數據中心根據規(guī)模分為超大型數據中心、大型數據中心、中小型數據中心3種類型，其中超大型數據中心是指以功率2.5 kW為一個標準機架，規(guī)模在1萬個標準機架以上的數據中心，大型數據中心為規(guī)模大于等于3000個標準機架小于1萬個標準機架的數據中心，其余的規(guī)模為中小型數據中心。
3.2 邊緣數據中心設計
邊緣數據中心在供配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)的設計思路基本的原則為簡化和去冗余。在供配電系統(tǒng)方面，對于邊緣數據中心，由于規(guī)模較小且部署靈活，電力接入可能會考慮利用現(xiàn)有的電力基礎設施，直接380 V/220 V接入，同時為了達到保障實際可用性的要求，機架式鋰電池等備用電源可能將發(fā)揮較大作用，為之可用性提供保障[3]。由于部署位置靠近用戶，受到空間、噪音或污染的限制，備用柴油發(fā)電機可能不再配備。
傳統(tǒng)數據中心的配電基本由10 kV外電輸入后經過中壓配電、變壓器、低壓配電以及HVDC/UPS接入精密列頭柜為IT設備提供電力，供配電系統(tǒng)一般設置N+1、2N等冗余，同時也配備柴油發(fā)電機組確保數據中心的設備得到不間斷的供電，這些在邊緣數據中心中都將被簡化。在制冷系統(tǒng)方面，對于邊緣數據中心，制冷設備可能會因數據中心的規(guī)?；蛘呶恢檬芟拗疲圆糠謾C械制冷+自然冷卻相結合、液冷技術、耐高溫服務器等將是未來邊緣數據中心考慮的方向。在傳統(tǒng)數據中心中，IT設備持續(xù)運行產生熱量，需要大型制冷系統(tǒng)來保證環(huán)境的穩(wěn)定，如風冷、水冷等系統(tǒng)，同時基于穩(wěn)定性的考慮一般也會設置冗余。
邊緣數據中心在安防系統(tǒng)中的設計思路基本的原則為：無人化安防和更耐極端環(huán)境考驗。在安防系統(tǒng)方面，邊緣數據中心將多采用無人值守以及自動化遠程管理的方式，所以對于邊緣數據中心安全的保護難度加大，安防系統(tǒng)的等級要求也會更高。同時，邊緣數據中心地處位置比較復雜、良莠不齊，對于風沙、高溫或者化學工廠高酸堿性腐蝕等極端特殊環(huán)境，需要配備相應的物理防御保護裝置。綜上，邊緣數據中心對比傳統(tǒng)數據中心在規(guī)劃、設計方面都呈現(xiàn)不同的特點，具體參見表2。
表2 邊緣數據中心與傳統(tǒng)數據中心在規(guī)劃與設計方面的對比
4 邊緣數據中心的發(fā)展方向
未來應用的迅速發(fā)展，要求邊緣數據中心可以快速部署，模塊化、預制產品化、標準化將可能成為邊緣數據中心的重要產業(yè)發(fā)展方向。
4.1 模塊化
模塊化部署是邊緣數據中心發(fā)展的重要方向。目前，國外的一些邊緣數據中心企業(yè)如Vapor IO、EdgeMicro、BaseLayer等都采用了模塊化部署數據中心的方式。Vapor IO的邊緣數據中心大多采取集裝箱式容器的形式，在內部部署了高密度IT機架，可以支持高達150 kW的電力容量；EdgeMicro公司在塔樓等地點部署數百個模塊化數據中心，靈活提供邊緣算力所需的機架規(guī)模；BaseLayer公司的邊緣數據中心通過模塊化的方式僅需120天左右就可以在任何地域實現(xiàn)快速部署。模塊化部署的思路不止適用于機架，更可以衍生到供配電、制冷等子系統(tǒng)上。特別是模塊化配電，開放數據中心委員會（ODCC）在2020年年初發(fā)布了巴拿馬電源的成果，正是對于供配電系統(tǒng)走向收容集成的標準化模塊部署的一項突破。
4.2 預制產品化
預制產品化將是邊緣數據中心發(fā)展的另一個重要方向。針對近端和近云的位置分別對應不同類型的預制產品。近端的邊緣數據中心通常可以采用一體柜產品的形式進行部署。這種一體柜可采用24U或42U的規(guī)格，可容納多臺服務器，占地面積很小。一體柜產品預制完成后，客戶根據需要進行采購以及部署，可以快速交付，現(xiàn)場插電即可使用，適合應用于靠近用戶的應用場景，如車聯(lián)網、智慧城市、視頻監(jiān)控等。目前的邊緣數據中心通常都是靜態(tài)的，隨著技術的發(fā)展，近端的邊緣數據中心未來可能會衍生出動態(tài)形態(tài)。Nawab F、Agrawal D、El Abbadi A提出了“ 游牧數據中心（Nomadic Data Centers）”的概念[2]，這是一種可移動的小型、便攜式邊緣數據中心，內置供配電、制冷、滅火系統(tǒng)以及一定的冗余，這種邊緣數據中心產品可以隨時移動以適應業(yè)務的實時需求。近云的邊緣數據中心可以采用微模塊產品的形式進行部署。微模塊產品是由一排或兩排機架通過封閉通道形成的小型機架集群。機架集群由UPS（或配電柜）、近端制冷設備、監(jiān)控、IT設備等組成，可具有獨立的供配電、制冷、監(jiān)控、布線、安防等系統(tǒng)。通過封閉機架集群的冷或熱通道,形成與大機房或其他集群相對隔離的物理環(huán)境。微模塊產品的規(guī)模靈活、預制化以及快速上線等特性,非常適用于邊緣數據中心的部署以及使用。
4.3 標準化
預制產品化勢必帶來標準化，邊緣數據中心將走上標準規(guī)格、標準配電制冷、標準測試評估等標準化發(fā)展之路。以測試評估為例，傳統(tǒng)數據中心的驗收測試都在建設、安裝各項子系統(tǒng)完成之后，對于PUE、安全性、可用性等測試和評估也在數據中心穩(wěn)定運行一段時間之后進行。而標準化的思路在于，把這些評估測試項目對應為邊緣數據中心產品的出廠指標或者參數，相當于把邊緣數據中心產品的驗收、PUE、安全性、可用性等測試評估放在安裝和運行之前。用戶可以根據業(yè)務需求，對應不同標準進行邊緣數據中心產品的選型，然后快速上線，這既保證了效率又保證了服務的質量。
5 結束語
邊緣數據中心還處于發(fā)展初期階段，目前有關邊緣數據中心的部署方式、基礎設施的建設要求、運維方式等業(yè)界尚未形成統(tǒng)一意見。同時，邊緣數據中心大多與工業(yè)、生活等聯(lián)系緊密，對應場景眾多，加之需要考慮端—邊—云三者的協(xié)同問題，邊緣數據中心的規(guī)劃、設計、建設需要考慮的因素非常復雜。
對于邊緣數據中心的研究，業(yè)界做了很多努力：開放數據中心標準推進委員會成立邊緣計算工作組，致力于邊緣計算以及邊緣數據中心的研究，推動產業(yè)的發(fā)展；工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟（AII）設立工業(yè)數據中心特設組，致力于工業(yè)應用場景下邊緣數據中心的研究。希望通過業(yè)界的共同努力，加快推進邊緣數據中心的標準制定進程，為邊緣數據中心的規(guī)劃、設計和建設提供依據，助力產業(yè)有序發(fā)展。
參考文獻
[1] Satyanarayanan M, Bahl P, Caceres R, et al. The casefor vm-based cloud lets in mobile computing[J]. IEEE Pervasive Computing, 2009, 8(4):14-23.
[2] Nawab F, Agrawal D, El Abbadi A. Nomadic datacenter sat the network edge: Data management challenges for the cloud with mobile infrastructure[C]. EDBT, 2018:497-500.
[3] 郭亮. 邊緣數據中心關鍵技術和發(fā)展趨勢[J]. 信息通信技術與政策, 2019(12):55-58.
作者簡介
吳美希
中國信息通信研究院云計算與大數據研究所數據中心部高級業(yè)務主管，助理工程師，主要從事互聯(lián)網數據中心和邊緣數據中心相關的政策支撐、產業(yè)咨詢、技術研究和標準制定等工作。
