边缘计算架构及特征研究白皮书

边缘计算架构及特征研究白皮书 [编号ODCC-2020-04001] 开放数据中心委员会 1 OpenDataCenterCommittee 目录 边缘计算架构及特征研究白皮书1 1.术语定义1 1.1边缘计算定义1 1.2与云计算的对比1 1.3边缘计算核心概念对比2 2.边缘计算发展历程5 3.应用场景7 3.15G7 3.2工业互联网8 3.3车联网9 3.3.1特点与场景9 3.3.2总体架构12 3.4物联网13 3.4.1顶层架构设计13 3.4.2系统架构14 3.4.3云计算智能引擎15 3.5智慧城市17 3.5.1整体体系架构17 3.5.2架构及特征18 3.5.3边缘计算承载介绍19 3.6CDN20 4.潜在市场空间21 4.1总体市场情况21 4.25G22 4.3车联网23 5.基础架构24 I 5.1整体架构概述24 5.2边缘计算架构需求25 5.2.1时延要求25 5.2.2计算要求26 5.2.3存储要求27 5.2.4安全和监管要求27 5.2.5部署环境的要求27 5.3边缘计算整体架构27 5.4边缘数据中心架构28 5.5端-边-云接口30 5.5.1UserApplication生命周期管理接口30 5.5.2边缘节点与中心云间管理接口32 5.5.3边缘节点间接口32 5.5.4端-边-云系统外部接口33 6.关键特性33 6.1灵活的部署33 6.2灵活的分流34 6.3服务管理35 6.3.1区分性35 6.3.2扩展性35 6.3.3隔离性35 6.4AI算法执行35 6.5安全能力36 6.5.1核心设施安全37 6.5.2边缘服务器安全38 6.5.3边缘网络安全38 6.5.4边缘设备安全39 参考文献40 II ODCC-2020-04001边缘计算架构及特征研究白皮书 前言 《三国演义》第一回开篇道：“话说天下大势，分久必合，合久必分。”这句话应用到IT领域亦是如此，从1946年ENIAC诞生以来，计算范式在不断变迁：从大型主机到客户端服务器，再到后来的云计算，我们已经经历了“合-分-合”的时代，而“边缘计算”即为一个“合久必分”的产物。 本项目为边缘计算的相关基础性研究，聚焦于明确边缘计算领域的专业术语，助力产业界以一种共识的语言进行高效互动；分析边缘计算市场空间，明确边缘计算产业对于社会和产业界的价值；分析边缘计算应用场景，推动相关场景快速落地，带给用户和企业实际收益；指出边缘计算的基础架构，推动产业生态的融合和互动；分析边缘计算关键特性，确保边缘业务可以有效满足应用诉求。 本规范感谢以下起草单位（排名不分先后）：中国信息通信研究院、百度、腾讯、阿里巴巴、中国电信、intel、浪潮 起草人（排名不分先后）：吴美希、李俊山、陈天、邱鑫、子蠡、张骏、张贺纯、肖扬、陈刚、吕航 I ODCC-2020-04001边缘计算架构及特征研究白皮书 边缘计算架构及特征研究白皮书 1.术语定义 1.1边缘计算定义 边缘计算在靠近信源和消费者的位置进行信息处理，侧重于强调远离网络中心的本地化流量和处理，实现了资源和服务向边缘位置的下沉，从而能够降低交互时延、减轻网络负担、丰富业务类型、优化服务处理，提升服务质量和用户体验。 边缘计算主要面向用户面、低时延、高吞吐、高多播、高速移动等业务场景，其资源、时延、带宽等需求不尽相同。面向多样化需求，边缘计算涵盖多种形态，包括各类边缘网关、边缘控制器、边缘传感器、边缘云等，具体部署位置从用户属地，到运营商城域网络边缘，具体位置有高有低。一般而言，业界认为时延在20ms以内的网络位置都可按需部署边缘计算节点。 1.2与云计算的对比 云计算是一种将集群计算能力通过互联网向内外部用户提供服务的互联网新业务，是传统IT领域和CT领域技术进步、需求推动、商业模式变化共同促进的结果，使ICT资源具备可运营能力。云计算具备三大服务模式（IaaS、PaaS、SaaS）和四大部署模式（公有云、私有云、社区云、混合云）。 边缘计算是云计算向边缘的延伸，与经典的云计算可互为补充、协同工作。与云计算类似，边缘计算同样是涵盖IaaS、PaaS、SaaS的 1 ODCC-2020-04001边缘计算架构及特征研究白皮书 层次化平台，支持多样化的部署模式。云计算作为通用信息基础设施，主要面向低实时、长周期、高价值密度型数据的存储、计算和分析任务。相对于云计算带来的“云端”的海量计算能力，边缘计算则主要面向时间敏感、短周期、低价值密度型数据的存储和处理分析，旨在满足海量设备的数据和流量处理对时延、QoS、QoE、安全、能耗等的要求。同时，边缘计算可协助云计算，实现计算能力的进一步细化分工，将部分资源和服务下沉到边缘位置，丰富业务类型，优化服务处理，提升服务质量和用户体验；云计算也可依赖边缘计算作为数据采集单元，更好的支撑云端应用。 1.3边缘计算核心概念对比 在整个行业数字化转型的大背景下，在IoT、5G、VR、AI等业务云化需求驱动和技术发展推动下，边缘计算概念应运而生并迅速得到了行业的广泛关注，雾计算、MEC、Cloudlet、边缘计算、分布式云等概念迭出。 1）雾计算：雾计算（FogComputing）是2011年cisco提出的概念，将云计算扩展到网络边缘，特别是面向IoT的无线网络。OpenFog联盟是雾计算的主推组织，将其定义为一种系统级的水平架构，将计算、存储、网络、控制和决策等资源和服务分布到从云到物的任何位置，旨在解决IoT、AI、VR、5G等业务场景需求。其中，（a）水平架构：支持多个行业垂直应用领域，将智能和服务分发到用户和业务； （b）云到物的服务连续：使服务和应用分布在云和物之间、更接近 2 ODCC-2020-04001边缘计算架构及特征研究白皮书 物的位置；（c）系统级：是物和云之间的整个系统，从物到网络边缘再到云，覆盖多个协议层次，而非特定的协议或端到端系统的一部分。雾计算和云计算相互依赖，互为补充；部分功能适合于由雾计算节点执行，部分功能则适合于在云上运行；具体边界依据具体的应用、场景和网络环境等有所不同。 2）Cloudlet：Cloudlet是2013年CarnegieMellonUniversity（卡内基梅隆大学）提出的概念，源于移动计算、IoT与云计算的融合，代表“移动设备/IoT设备-cloudlet-云”三层体系架构的中间层，可看作是一个“datacenterinabox”，将云能力拓展到用户侧。OEC（OpenEdgeComputingInitiative）是主推Cloudlet的国际组织，致力于推动基于Cloudlet的边缘计算发展，核心任务是提供openedgeAPI和基于Cloudlet的边缘计算参考架构和参考平台，其对边缘计算的定义是：在接近用户侧提供小型数据中心（边缘节点），提升用户对计算和存储资源的使用体验。 3）MEC：是ETSI2014年提出并成立MECISG主推的概念，经历了从移动边缘计算（MobileEdgeComputing）到多接入边缘计算 （Multi-accessEdgeComputing）的演变。其中，移动边缘计算是指在移动网络边缘提供IT服务环境和云计算能力，将网络业务下沉到更接近移动用户的无线接入网侧，旨在降低延时，实现高效网络管控和业务分发，改善用户体验；2016年延伸出多接入边缘计算的概念，是指在网络边缘为应用研发商和内容提供商提供IT服务环境和云计算 3 ODCC-2020-04001边缘计算架构及特征研究白皮书 能力，该环境为应用提供超低延时、高带宽、实时接入等特性能力。 4）边缘计算：有多种定义。（a）Gartner将边缘计算定义为一种分布式计算拓扑，在靠近信源和消费者的位置进行信息处理，侧重于强调远离网络中心的本地化流量和处理，目标在于减少延迟和不必要的流量，并构建一个枢纽，以实现特定对端之间的互连，及复杂媒体类型或计算负载的数据处理；（b）ECC（EdgeComputingConsortium，边缘计算产业联盟）将边缘计算定义为在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。 5）分布式云：有多种定义。（a）一种定义类似于分布式计算，例如Gartner将分布式云定义为基于云计算技术，将分布在多个地理独立位置的数据和应用连接起来，并集成为一个整体运作；（b）一种是对经典云计算概念的拓展，例如ITU-T将分布式云定义为新的云计算架构和部署模式，涵盖核心云、区域云、边缘云等多样化异构云环境，在兼具经典云计算以网络为中心、以服务为提供方式、资源池化和透明化、高扩展高可靠性的特征的同时，能够基于业务/用户需求，灵活、敏捷、按需、智能地提供分布式、低延迟、高性能、安全可靠、绿色节能、能力开放的信息化基础设施，满足全社会各行业数字化转型需要。 整体而言，雾计算、MEC、Cloudlet、边缘计算、分布式云等技 4 ODCC-2020-04001边缘计算架构及特征研究白皮书 术都是在新的业务需求和技术发展驱动下，融合“边缘”理念与云计算技术的一种具体实现，主要区别在于定位不同：（a）雾计算旨在构建一个系统，实现云到物的服务连接，与云协同运作；（b）MEC则被公认为5G网络核心关键技术；（c）Cloudlet是就近部署的微型数据中心；（d）边缘计算旨在构建边缘的开放平台；（e）分布式云则将经典核心云、区域云与边缘云统一为一个整体。 2.边缘计算发展历程 “边缘计算”并非一个新鲜事物。在2003年，AKAMAI与IBM就开始了“边缘计算”的相关合作，提出“边缘计算”的目的和解决的问题，在WebSphere上提供基于“边缘”的服务。 在移动网络领域，边缘计算的雏形为2009年中国移动首次提出的C-RAN（Centralized，Cooperative，CloudandCleanRAN）。C-RAN是集中化、协作化、绿色化、云化的无线接入网架构，主要基于基带单元（BaseBandUnit，BBU）集中化，实现接入网的云化，实现资源的按需调配，通过C-RAN的组网方式使得网络具备灵活性和可拓展性，这与边缘计算的思想不谋而合。 同一年，在互联网边缘部署云的理念也相应出现，“Cloudlet”即为其中的代表。SatyanarayananM等人在PervasiveComputingIEEE上发表的“TheCaseforVM-BasedCloudletsinMobileComputing”第一次提出了“Cloudlet”的概念，“Cloudlet”概念的提出使得端和云联系紧 5 ODCC-2020-04001边缘计算架构及特征研究白皮书 密起来。 2012年在MCC（MobileCloudComputing）会议上，思科正式提出“雾计算”的概念。2014年欧洲电信标准协会（ETSI）首次提出移动边缘计算(MobileCloudComputing,MEC)概念，并成立相应的MEC工作组，推动边缘计算相应标准、规范的研究，后来MEC的概念被扩充，更名为多接入边缘计算(Multi-accessCloudComputing,MEC)。2017年，IEC/ISOJTC1SC41成立边缘计算研究组；IIC成立边缘计算技术工作组；IEEE成立雾计算网络架构工作组。 从2015开始，产业界陆续开始行动起来。2015年11月，思科、ARM、戴尔、英特尔、微软和普林斯顿大学联合发起成立了开放雾计算联盟（OpenFogConsortium）。2016年11月，国内的华为、中科院沈阳自动化研究所、中国信息通信研究院、英特尔、ARM、软通动力信息技术（集团）6家机构联合发起成立边缘计算产业联盟（EdgeComputingConsortium，ECC）。2019年开放数