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边缘数据中心规划发展研究

时间:2020-08-07 14:43:26

1 引言

 

5G技术的发展开启了万物互联的时代。根据ITU-R的定义,5G技术具有超高带宽、超低时延、网络能力全连接覆盖等特性,5G在未来将带动增强型移动宽带(eMBB)、大规模机器类通信(mMTC)、高可靠低时延通信(uRLLC)三大场景的发展。这三大场景覆盖了物联网、高清视频、AR/VR、工业制造、可穿戴设备等万物互联应用技术的方方面面。这些新兴技术都对高吞吐量以及低时延有着较高的要求,而原有传统数据中心的时延有时长达100 ms[1],显然已经不能满足需要,于是更靠近用户、满足低时延要求的边缘数据中心应运而生。

 

边缘数据中心在靠近用户的网络边缘提供基础设施资源,支持边缘计算对本地化、实时性的数据进行分析、处理、执行以及反馈,从而对云计算能力进行补充。借助边缘计算,数据可以在边缘数据中心进行处理,从而节省到传统集中式数据中心的通信等待时间[1]。与传统的数据中心相比,边缘数据中心在分类、规划、设计、发展方向将呈现怎样的特点? 本文将着重探讨这部分内容。

 

2 边缘数据中心的分类思路

 

目前,对于边缘数据中心分类方法尚未定论。对于边缘数据中心的分类,不能单纯采用传统数据中心按照机架规模来进行分类的思路,可以通过IT容量规模、场景、下沉位置等维度进行分类。

 

电力的规划和接入是边缘数据中心需要考虑的一个重要方面,所以通过IT容量规模来确定边缘数据中心的分类是一个较为合理的思路。结合国外部署经验来看,边缘数据中心IT设备容量一般不超过2 MW,可以依据其规模对边缘数据中心进行分类:微型边缘数据中心,IT容量在600 kW以下;小型边缘数据中心,IT容量在600 kW~1000 kW之间;中型边缘数据中心,IT容量在1000 kW ~2000 kW之间。考虑到空间等因素,边缘数据中心机架应为高密度机架,单机架负载容量推荐使用范围为6 kW~20 kW。

 

应用场景多样是边缘数据中心的一个特点,从应用场景入手对边缘数据中心进行分类也是一个比较科学的思路。可以按照场景分为生产互联网型边缘数据中心以及消费服务互联网型边缘数据中心。其中,生产互联网型边缘数据中心对应第一、第二产业,场景包括但不局限于工业制造、能源、农业等;消费服务互联网型边缘数据中心对应第三产业,场景包括但不局限于AR/VR、视频、游戏、金融、教育、家居、城市、医疗等。

 

边缘数据中心下沉的位置不尽相同,也可以作为边缘数据中心分类的一个较好的思路。对于边缘数据中心的边界,目前业界所谈论的“边缘数据中心”是一种相对广义的概念。细分来看,边缘数据中心可以分为靠近端的边缘以及靠近云的边缘两种。其中,近端边缘数据中心基本距离用户数米到数千米,可以下沉到5G基站层面,甚至可以下沉到用户“身边”,近端边缘数据中心的形态可以为一体柜设备形态;近云边缘数据中心距离用户十几千米,下沉到接入网层面,近云边缘数据中心在形态上与传统小型的数据中心类似。

 

以上3种分类的角度不同,都可以在各自的维度上为边缘数据中心做好分类的界定,具体参见表1。

 

表1 3种边缘数据中心分类方式


3 边缘数据中心的规划设计分析

 

3.1 边缘数据中心规划

在选址方面,边缘数据中心将呈现靠近用户、物理分散、逻辑统一的特点。边缘数据中心的选址将很大程度上由其所承载的服务网络时延要求来决定,通常边缘数据中心服务的场景时延都在毫秒级,由于更靠近用户,边缘数据中心的选址可能选取的位置有:路边的公用设施附近、5G基站、普通建筑内部、工厂内(以支持工业互联网)、居民社区、废弃锅炉房等,同时这些选址位置仍然需要参考传统数据中心的条件,如气候条件、安全性因素等。边缘数据中心选址时也要站在整体逻辑的高度进行考虑。边缘数据中心由于应用场景多样、靠近用户等原因,属于物理位置高度分散的情况,而多个物理分散的边缘数据中心可以互联集成,在逻辑上统一。例如,美国知名边缘数据中心企业VaporIO在部署边缘数据中心时采用了地理分散而逻辑关联的方式,城市中的边缘数据中心整体以环形排列,间隔约为10 km ~20 km,这些边缘数据中心通过高速光纤网络连接在一起,实现了整体逻辑关联,从而实现了负载平衡、容量弹性和工作负载迁移等功能。

 

在建筑类型方面,边缘数据中心将呈现机房形态和设备形态。机房形态的边缘数据中心类似于小型的传统数据中心,具有供配电、暖通等系统。设备形态的边缘数据中心主要指一体柜等,一般是预制化、标准化的即插即用一体柜,这种一体柜可以放置在普通建筑物内,或者放置在路边公用设施附近。另外,也有国外学者研究提出了“ 游牧数据中心(Nomadic Data Centers)”的概念[2],即一种可移动的小型、便携式边缘数据中心,也属于设备形态的一种。

 

在建设方式及周期方面,边缘数据中心将以改造为主,建设周期较短。由于未来更多新兴业务的快速上线,边缘数据中心应基于现有基础设施改造,如利用废旧工厂、锅炉房、地下室等进行改造,同时标准化和产品化等使得微模块产品等将成为边缘数据中心快速上线的法宝,建设周期可以缩短到数月,甚至数周。而对比传统数据中心的建设方式,一般包含了选址、土地水电资源对接、评审立项、土建、配套设施安装、项目验收等步骤,一般建设周期较长,通常需要1~2年,边缘数据中心建设周期更短,上线更快。

 

在规模方面,边缘数据中心规模较小,基本规模将以百为单位。结合国内外边缘数据中心部署的实际情况,考虑到空间等因素,边缘数据中心一般规模不大,同时采用高密度机架,单个边缘数据中心的机架规模一般在以百为单位。而传统数据中心一般都具有一定的规模性,根据工业和信息化部等国家五部委于2013年发布的《关于数据中心建设布局的指导意见》,国内传统数据中心根据规模分为超大型数据中心、大型数据中心、中小型数据中心3种类型,其中超大型数据中心是指以功率2.5 kW为一个标准机架,规模在1万个标准机架以上的数据中心,大型数据中心为规模大于等于3000个标准机架小于1万个标准机架的数据中心,其余的规模为中小型数据中心。

 

3.2 边缘数据中心设计

边缘数据中心在供配电系统、制冷系统的设计思路基本的原则为简化和去冗余。在供配电系统方面,对于边缘数据中心,由于规模较小且部署灵活,电力接入可能会考虑利用现有的电力基础设施,直接380 V/220 V接入,同时为了达到保障实际可用性的要求,机架式锂电池等备用电源可能将发挥较大作用,为之可用性提供保障[3]。由于部署位置靠近用户,受到空间、噪音或污染的限制,备用柴油发电机可能不再配备。

 

传统数据中心的配电基本由10 kV外电输入后经过中压配电、变压器、低压配电以及HVDC/UPS接入精密列头柜为IT设备提供电力,供配电系统一般设置N+1、2N等冗余,同时也配备柴油发电机组确保数据中心的设备得到不间断的供电,这些在边缘数据中心中都将被简化。在制冷系统方面,对于边缘数据中心,制冷设备可能会因数据中心的规模或者位置受限制,所以部分机械制冷+自然冷却相结合、液冷技术、耐高温服务器等将是未来边缘数据中心考虑的方向。在传统数据中心中,IT设备持续运行产生热量,需要大型制冷系统来保证环境的稳定,如风冷、水冷等系统,同时基于稳定性的考虑一般也会设置冗余。

 

边缘数据中心在安防系统中的设计思路基本的原则为:无人化安防和更耐极端环境考验。在安防系统方面,边缘数据中心将多采用无人值守以及自动化远程管理的方式,所以对于边缘数据中心安全的保护难度加大,安防系统的等级要求也会更高。同时,边缘数据中心地处位置比较复杂、良莠不齐,对于风沙、高温或者化学工厂高酸碱性腐蚀等极端特殊环境,需要配备相应的物理防御保护装置。综上,边缘数据中心对比传统数据中心在规划、设计方面都呈现不同的特点,具体参见表2。

 

表2 边缘数据中心与传统数据中心在规划与设计方面的对比


4 边缘数据中心的发展方向

 

未来应用的迅速发展,要求边缘数据中心可以快速部署,模块化、预制产品化、标准化将可能成为边缘数据中心的重要产业发展方向。

 

4.1 模块化

模块化部署是边缘数据中心发展的重要方向。目前,国外的一些边缘数据中心企业如Vapor IO、EdgeMicro、BaseLayer等都采用了模块化部署数据中心的方式。Vapor IO的边缘数据中心大多采取集装箱式容器的形式,在内部部署了高密度IT机架,可以支持高达150 kW的电力容量;EdgeMicro公司在塔楼等地点部署数百个模块化数据中心,灵活提供边缘算力所需的机架规模;BaseLayer公司的边缘数据中心通过模块化的方式仅需120天左右就可以在任何地域实现快速部署。模块化部署的思路不止适用于机架,更可以衍生到供配电、制冷等子系统上。特别是模块化配电,开放数据中心委员会(ODCC)在2020年年初发布了巴拿马电源的成果,正是对于供配电系统走向收容集成的标准化模块部署的一项突破。

 

4.2 预制产品化

预制产品化将是边缘数据中心发展的另一个重要方向。针对近端和近云的位置分别对应不同类型的预制产品。近端的边缘数据中心通常可以采用一体柜产品的形式进行部署。这种一体柜可采用24U或42U的规格,可容纳多台服务器,占地面积很小。一体柜产品预制完成后,客户根据需要进行采购以及部署,可以快速交付,现场插电即可使用,适合应用于靠近用户的应用场景,如车联网、智慧城市、视频监控等。目前的边缘数据中心通常都是静态的,随着技术的发展,近端的边缘数据中心未来可能会衍生出动态形态。Nawab F、Agrawal D、El Abbadi A提出了“ 游牧数据中心(Nomadic Data Centers)”的概念[2],这是一种可移动的小型、便携式边缘数据中心,内置供配电、制冷、灭火系统以及一定的冗余,这种边缘数据中心产品可以随时移动以适应业务的实时需求。近云的边缘数据中心可以采用微模块产品的形式进行部署。微模块产品是由一排或两排机架通过封闭通道形成的小型机架集群。机架集群由UPS(或配电柜)、近端制冷设备、监控、IT设备等组成,可具有独立的供配电、制冷、监控、布线、安防等系统。通过封闭机架集群的冷或热通道,形成与大机房或其他集群相对隔离的物理环境。微模块产品的规模灵活、预制化以及快速上线等特性,非常适用于边缘数据中心的部署以及使用。

 

4.3 标准化

预制产品化势必带来标准化,边缘数据中心将走上标准规格、标准配电制冷、标准测试评估等标准化发展之路。以测试评估为例,传统数据中心的验收测试都在建设、安装各项子系统完成之后,对于PUE、安全性、可用性等测试和评估也在数据中心稳定运行一段时间之后进行。而标准化的思路在于,把这些评估测试项目对应为边缘数据中心产品的出厂指标或者参数,相当于把边缘数据中心产品的验收、PUE、安全性、可用性等测试评估放在安装和运行之前。用户可以根据业务需求,对应不同标准进行边缘数据中心产品的选型,然后快速上线,这既保证了效率又保证了服务的质量。

 

5 结束语

 

边缘数据中心还处于发展初期阶段,目前有关边缘数据中心的部署方式、基础设施的建设要求、运维方式等业界尚未形成统一意见。同时,边缘数据中心大多与工业、生活等联系紧密,对应场景众多,加之需要考虑端—边—云三者的协同问题,边缘数据中心的规划、设计、建设需要考虑的因素非常复杂。

 

对于边缘数据中心的研究,业界做了很多努力:开放数据中心标准推进委员会成立边缘计算工作组,致力于边缘计算以及边缘数据中心的研究,推动产业的发展;工业互联网产业联盟(AII)设立工业数据中心特设组,致力于工业应用场景下边缘数据中心的研究。希望通过业界的共同努力,加快推进边缘数据中心的标准制定进程,为边缘数据中心的规划、设计和建设提供依据,助力产业有序发展。

 

参考文献

 

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



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