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1.2 边缘计算的前世今生

1.2.1 CDN——从缓存到内容分发

CDN(Content Delivery Network),即内容分发网络(如图1-10所示)。CDN是构建在网络之上的内容分发网络,依靠部署在各地的边缘服务器,通过中心平台的负载均衡、内容分发、调度等功能模块,使用户就近获取所需内容,降低网络拥塞,提高用户访问响应速度和命中率。CDN的关键技术主要有 内容存储 内容分发技术

CDN技术的基本原理是 广泛采用各种缓存服务器 ,将这些缓存服务器分布到用户访问相对集中的地区或网络中,在用户访问网站时,利用全局负载技术将用户的访问指向距离最近的、工作正常的缓存服务器上,由缓存服务器直接响应用户请求。

图1-10 CDN——内容分发网络

此外,CDN还有安全方面的好处。内容进行分发后,源服务器的IP被隐藏,其受到攻击的概率会大幅下降。而且,当某个服务器故障时,系统会调用临近的正常的服务器继续提供服务,避免对用户造成影响。正因为CDN的好处很多,所以,目前所有主流的互联网服务提供商都采用了CDN技术,所有的云服务提供商也都提供CDN服务。

CDN从1999年开始起步,发展初期经历了互联网泡沫破裂,服务商数量锐减,发展近乎停滞;2008年兴起的OTT、IPTV等视频应用极大地激发了对流量和带宽的需求,CDN行业开始进入持续的爆发式增长,国内CDN市场增长率常年保持在25%~39%的水平。目前国内持有CDN牌照的企业大约有2050家,包含传统的CDN厂家、公有云服务商、电信运营商、P2P CDN,以及视频企业等。未来CDN发展趋势大致分为五个方面:

1)CDN成为通信网基础设施组成部分:目前CDN承担IP网大量的流量,尤其是视频流量比例高达80%,CDN产品的定位需要从通信网络能力的辅助补充,调整为通信网的基础设施。CDN处于承载网和业务网之间,以重叠网形态存在,设备有存储和内容路由管理两种类型;核心技术是内容路由,与DNS相结合采用路由映射,巧妙地解决了内容分发的问题;未来与算力网络深度融合,直接作为网络基础设施能力整体对外提供。

2)CDN补齐原生可信安全能力:当前在CDN的设计中,并没有考虑可信安全等问题,未来CDN建设应按基础设施标准规划建设,要求CDN具备原生的可信安全能力,并且应随着内容下沉到边缘,这样只有通过CDN原生安全才能保障端到端的安全。

3)CDN与算力网络融合:CDN本质是内容分发,以下行为主。但是所有CDN产品都有上行通道,即回源通道。只要开放数据上行通道,CDN节点就具备计算与存储边缘计算能力,实现数据网一体化能力。

4)CDN与移动网融合:在4G网络建设时就有规划将CDN存储下沉,但没有成功,原因是在4G网络中通信锚点很高,CDN存储下沉用户仍然要经过通信锚点绕行,存储下沉失去了意义。但是在5G网络中,为了实现低时延,通信锚点必须下沉,这样CDN存储就可以与移动网络完全融合。

5)CDN成为基础设施已成现实。2020年以来,基于CDN的远程视频、远程教育、在线办公、在线会展等在线服务,从原来辅助工具的角色,一跃成为社会的基础设施,成功地支持了各个领域的正常运作,CDN未来大有可为。

1.2.2 雾计算——雾是接近地面的云

随着物联网技术的发展,在万物互联的背景下,边缘数据迎来了爆发性增长。为了解决面向数据传输、计算和存储过程中的计算负载与数据传输带宽的问题,研究者们开始探索在靠近数据生产者的边缘增加数据处理的功能,即万物互联服务功能的上行。具有代表性的是雾计算(Fog Computing)、移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)。

2012年,思科公司提出了雾计算概念,将其定义为迁移云计算中心任务到网络边缘设备执行的一种高度虚拟化的计算平台。云计算架构将计算从用户侧集中到数据中心,让计算远离了数据源,但也带来计算延迟、拥塞、低可靠性和易受攻击等问题,于是在2015年,修补云计算架构的“大补丁”——雾计算开始兴起了。

雾计算就是本地化的云计算,是对云计算的补充。云计算更强调计算的方式,雾计算则更强调计算的位置。如果说云计算是WA N计算,那么雾计算就是LAN计算。如果说CDN是弥补TCP/IP本地化缓存的问题,那么雾计算就是弥补云计算本地化计算的问题。

如图1-11所示,是思科公司对雾计算的定义。在思科公司的定义中,雾主要是由边缘网络中的设备构成,这些设备可以是传统网络设备(早已部署在网络中的路由器、交换机、网关等),也可以是专门部署的本地服务器。一般来说,专门部署的设备会有更多资源,而使用有宽裕资源的传统网络设备则可以大幅度降低成本。这两种设备的资源能力都远小于一个数据中心,但是它们庞大的数量可以弥补单一设备资源的不足。雾平台由数量庞大的雾节点构成。这些雾节点可以各自散布在不同的地理位置,与资源集中的数据中心形成鲜明对比。

图1-11 雾计算就是本地化的云计算

2015年11月,思科、ARM、戴尔、英特尔、微软及普林斯顿大学边缘(Edge)实验室等,联合成立了开放雾联盟(OpenFog)。

雾计算将处理能力放在包括IoT设备的LAN上面。这个网络内的IoT网关,或者说是雾节点用于数据收集、处理、存储。多种来源的信息收集到IoT网关里,处理后的数据发送回需要该数据的设备。雾计算的特点是处理能力强的单个设备接收多个端点来的信息,处理后的信息发回需要的地方。和云计算相比,其延迟更短。

边缘计算进一步推进了雾计算的“LAN内的处理能力”的理念,处理能力更靠近数据源。不是在中央服务器里整理后实施处理,而是在网络内的各设备实施处理。这样,通过把传感器连接到可编程自动控制器(PAC)上,使处理和通信的同时进行成为可能。和雾计算相比,边缘计算优点是,故障点比较少,各自的设备独立动作,可以判断什么数据保存在本地,什么数据发到云端。

以智能吸尘器为例,了解一下边缘计算和雾计算的差别(如图1-12所示)。雾计算方案是集中化的雾节点(或者IoT网关)不断从家中的传感器收集信息,检测到垃圾的话就启动吸尘器。边缘计算的解决方案里是传感器自己判断有没有垃圾来发送启动吸尘器的信号。

图1-12 智能吸尘器

1.2.3 MEC——从“移动”到“多接入”

MEC(移动边缘计算)并不是一个新概念,它于2013年出现,源于IBM与Nokia Siemens网络当时共同推出的一款计算平台,可在无线基站内部运行应用程序,向移动用户提供业务。

2014年,欧洲电信标准协会(ETSI)成立了移动边缘计算规范工作组,正式宣布推动移动边缘计算标准化。其中ETSI给出的MEC的定义是:MEC通过在无线接入侧部署通用服务器,从而为无线接入网提供IT和云计算的能力。由于移动边缘计算位于无线接入网内,接近移动用户,因此可以实现超低时延、高带宽来提高服务质量和用户体验。随着深入研究,ETSI将MEC中“M”的定义也做了进一步扩展,使其不仅局限于移动接入,也涵盖Wi-Fi接入、固定接入等其他非3GPP接入方式,将移动边缘计算从电信蜂窝网络延伸至其他无线接入网络。2017年3月,ETSI把MEC中的“M”重新定义为“Multi-Access”,“移动边缘计算”的概念也变为“多接入边缘计算”。

如图1-13所示,MEC系统通常位于无线接入点及有线网络之间。在电信蜂窝网络中,MEC系统可部署于无线接入网与移动核心网之间。MEC系统的核心设备是基于IT通用硬件平台构建的MEC服务器。MEC系统通过部署于无线基站内部或无线接入网边缘的边缘云,可提供本地化的云服务,并可连接其他网络(如企业网)内部的私有云实现混合云服务。MEC系统提供基于云平台的虚拟化环境,支持第三方应用在边缘云内的虚拟机(VM)上运行。相关的无线网络能力可通过MEC服务器上的平台中间件向第三方应用开放。

图1-13 MEC系统架构

移动边缘计算模型强调在云计算中心与边缘设备之间建立边缘服务器,在边缘服务器上完成终端数据的计算任务,因此移动边缘计算也算作边缘计算模型的一部分。CDN、MEC这些边缘计算相关概念虽然是不同组织不同研究标准在不同背景情况下提出来的,但大家有一个共同目标,就是把云计算能力扩展到网络边缘,使得终端用户更快速高效地使用云计算服务,提升用户体验。

当前,MEC已经成为5G应用关键使能技术,以边缘连接为基础和切入点,通过“云-边-网”产品组合,为业务提供本地云网协同的服务。未来MEC架构演进趋势是 异构计算基础设施支持,以及云原生技术架构规模使用等 dHUx9Npt/yi9by7BlzJfWiG9PQofhRBSiRYQ74GuCA4wsaGWeXFCRExryeNmW4fg

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