邊緣計算與算力網絡綜述

雷波 趙倩穎 趙慧玲

摘要：作為5G/B5G時代信息通信技術（ICT）融合的兩項重要技術，邊緣計算與算力網絡是新型業務發展與落地的重要支撐。對邊緣計算和算力網絡的定義、發展、標準化現狀進行綜合性闡述，特別介紹了通信領域邊緣計算及算力網絡的全球標準情況及最新進展。認為邊緣計算和算力網絡將成為驅動各行各業變革的重要解決方案。

關鍵詞：邊緣計算；算力網絡；一體化服務

Abstract： As the two important technologies for the integration of information and communication technology （ICT） in the 5G/B5G era， the edge computing and computing power network are the important support for the development and application of the new business. The definition， development， and standardization of edge computing and computing power network are comprehensively elaborated， and the global standard situation and recent progress of edge computing and computing power network in the communication field are especially given. It is believed that edge computing and computing power network will be important solutions to driving changes in all walks of life.

Keywords： edge computing； computing power network； integration service

在云計算時代，業務通常把數據傳輸至集中的大型或超大型云計算中心來處理。在很長一段時間里，云計算強大的存儲和計算能力滿足了傳統業務的各項需求。但隨著5G與人工智能時代的發展，各類新型應用不斷涌現，數據產生量呈爆發式增長。這些對網絡時延提出了極高要求，同時對數據安全性、可控性也提出了差異化要求。為了應對這些需求，邊緣計算應運而生。

邊緣計算的誕生，一方面滿足了新型業務低時延的需求，解決了骨干網絡中大量數據所造成的擁堵問題；另一方面導致多級計算節點遍布網絡，改變了網絡的流量流向。如何實現多級資源節點的協同調度與應用的靈活部署，從而為用戶提供一致性服務體驗也變得至關重要。因此，算力網絡應運而生。通過無處不在的網絡，算力網絡將大量閑散的資源連接起來并進行統一管理和調度，從而為用戶提供統一的服務。

1 邊緣計算的來源與定義

隨著5G的發展，邊緣計算的熱度變得越來越高。邊緣計算并非是5G時代的產物，其概念的提出已有數十年，并隨著技術和業務的發展不斷擴充。

邊緣計算概念的由來可以追溯至1998年阿卡邁（Akamai）公司提出的內容分發網絡（CDN），但“edge computing”（邊緣計算）這一名詞的首次出現，是在2013年美國太平洋西北國家實驗室的一份由Ryan LAMOTHE撰寫的內部報告中[1]。

經過數十年的發展，邊緣計算已被Gartner評為2020年十大最熱門技術趨勢之一[2]，但因其仍處于發展的階段，各個標準組織對其定義并不完全一致。以下為一些具有代表性的標準組織對邊緣計算的定義：

2015年9月，歐洲電信標準化協會（ETSI）在發布的《Mobile Edge Computing： A Key Technology Towards 5G》中指出[3]：移動邊緣計算在距離用戶移動終端最近的無線接入網（RAN）內提供信息技術（IT）服務環境以及云計算能力，旨在進一步減少延遲/時延，提高網絡運營效率，提高業務分發/傳送能力，優化/改善終端用戶體驗。

2016年11月，邊緣計算產業聯盟發布了《邊緣計算產業聯盟白皮書》，將邊緣計算定義為[4]：邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放平臺，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。

2017年1月，第3代合作伙伴計劃（3GPP ）在技術規范（TS 23.501）中提到[5]：為了降低端到端時延以及回傳帶寬，實現業務應用內容的高效分發，邊緣計算需要為運營商以及第三方業務應用提供更靠近用戶的部署及運營環境。

2020年2月，國際標準化組織（ISO）在ISO/國際電工委員會（IEC）技術報告（TR 23188）中提到[6]：邊緣計算是一種將主要處理和數據存儲放在網絡的邊緣節點的分布式計算形式。

可以看出，目前邊緣計算的概念雖未達成統一，但各方都認同邊緣計算是在更靠近終端的網絡邊緣上提供服務的。

2 邊緣計算產業發展情況

隨著產業的發展，邊緣計算逐步從產業共識走向應用落地。目前，業界一般認為邊緣計算可以分為3種主要的落地形態[7-8]：

云邊緣。云邊緣形態的邊緣計算是云服務在邊緣側的延伸。云邊緣在邏輯上仍屬于云服務，且主要的能力依賴于云服務或與云服務緊密協同。華為云智能邊緣平臺（IEF）解決方案、阿里云的Link Edge解決方案、AWS（亞馬遜公司的云計算服務）的Greengrass解決方案等均屬于云邊緣的形態。

邊緣云。邊緣云形態的邊緣計算是在邊緣側構建中小規模云服務能力。邊緣服務能力主要由邊緣云提供；邊緣云管理調度能力主要由集中式數據中心（DC）側的云服務提供。移動邊緣計算（MEC）、CDN、車聯網等均屬于邊緣云形態。

邊緣網關。邊緣網關形態的邊緣計算是以云化技術與能力重構原有嵌入式網關系統的。邊緣網關在邊緣側提供通信聯接、協議/接口轉換、邊緣計算等能力，在云側的控制器提供邊緣節點的資源調度、應用管理與業務編排等能力。軟件定義廣域網（SD-WAN）、新一代家庭網關、新一代工業網關等均屬于邊緣網關形態。

不同類型的邊緣計算形態，代表著產業界不同方的觀點和利益。但總體上，各方都非常看好邊緣計算產業發展態勢。國際數據公司（IDC）發布的《中國半年度邊緣計算服務器市場（2020上半年）跟蹤報告》顯示：2020年上半年，中國邊緣計算服務器的整體市場規模為11.13億美元（約合人民幣72.78億元），預計全年將達到27.82億美元（約合人民幣181.93億元），同比增長20.6%；而2019—2024年，中國邊緣計算服務器市場年復合增長率將達到18.8%，遠高于核心數據中心的平均增速。美國通信產業研究機構（CIR）預測：到2025年，邊緣計算基礎設施收入將達到179億美元，用于支持邊緣數據傳輸的光模塊和網絡投資將增加10億美元。

目前，中國主流企業已在邊緣計算領域開展了全方位的工作，并取得了不錯的成績。其中，具有代表性成果為：

2020年，中國電信研究院聯合中國電信多家省級公司，先后完成了自研MEC系統與5G核心網（5GC）商用版本的對接與實驗，成功驗證了5G網絡面向MEC多種商用場景的能力，對后續5G MEC系統規模商用具有重要意義。

2020年8月，中國信息通信研究院、中國移動、中國聯通、華為、騰訊、紫金山實驗室、九州云和安恒信息聯合發布業界首個5G邊緣計算開源平臺——EdgeGallery。該平臺打造了一個以“聯接+計算”為特點的5G MEC公共平臺，力圖實現網絡能力（尤其是5G網絡）開放的標準化和MEC應用開發、測試、遷移和運行等生命周期流程的通用化。

2020年10月，騰訊云首個5G邊緣計算中心對外開放。該邊緣計算中心融合騰訊云在5G、邊緣計算、物聯網、安全等領域的多項前沿科技，成為獨具創新性的一站式邊緣計算產品[9]。

3 邊緣計算標準發展情況

目前，全球有多個標準組織正在進行邊緣計算的標準化工作：

2014年12月，ETSI與24家公司成立了MEC行業規范組（ISG），率先開展了邊緣計算的標準化研究工作。ETSI關于邊緣計算的標準化工作主要分為兩個階段：移動邊緣計算階段和多接入邊緣計算階段。在第1階段，ETSI以移動邊緣計算為名開展研究工作；在第2階段，ETSI則以多接入邊緣計算為名開展研究工作。2017年3月，ETSI將移動邊緣計算行業規范工作組更名為多接入邊緣計算工作組，將邊緣計算從電信蜂窩網絡進一步延伸至其他無線接入網絡（如WiFi）[10]。目前，ETSI已經發布了關于邊緣計算平臺架構、邊緣計算技術需求、邊緣計算應用程序編程接口（API）準則、邊緣計算應用程序（APP）使能、邊緣云平臺管理、基于網絡功能虛擬化（NFV）的邊緣云部署等標準27項，維護、更新標準共41版次。

2016年4月，3GPP SA2也正式接受MEC，并將之列為5G架構的關鍵技術。從R14版本開始，3GPP就開始定義邊緣計算的網絡基礎能力。3GPP關于邊緣計算的研究主要針對如何將MEC融入5G架構。3GPP在TS 23.501中將MEC納入5G網絡標準化中，并基于3GPP TS 23.501（clause 5.13）定義的功能使能器，在《MEC in 5G Networks》白皮書中明確了如何部署MEC并將其無縫集成至5G[11]。

作為中國重要的標準化組織，中國通信標準化協會（CCSA）也將邊緣計算作為重要的工作內容，分別在互聯網與應用技術工作委員會（TC1）、網絡與業務能力技術工作委員會（TC3）、無線通信技術委員會（TC5）、工業互聯網特設任務組（ST8）設立了邊緣計算相關項目，從不同角度對邊緣計算技術進行標準化。其中，CCSA TC1重點研究面向互聯網的邊緣云、邊緣數據中心的標準化；CCSA TC3重點研究面向邊緣計算的IP承載網絡、邊緣計算網絡、算力網絡等；CCSA TC5中的三大運營商分別在邊緣計算領域立項，涉及邊緣計算平臺架構、場景需求、關鍵技術研究和總體技術要求；CCSA ST8重點討論面向工業互聯網的邊緣計算和邊緣云的標準化內容[12]。

4 算力網絡及其標準化進展

作為解決多級算力資源（云計算、邊緣計算以及端計算）并存情況下資源統一供給問題的一種新型網絡技術方案，算力網絡通過網絡控制面（如集中式控制器、分布式路由協議等）分發服務節點的算力、存儲、算法等資源信息，并結合網絡信息和用戶需求，提供計算、存儲、網絡等資源的分發、關聯、交易與調配，從而實現整網資源的最優化配置和使用[13]。

算力網絡的產生與邊緣計算息息相關，它可以重點解決資源節點泛在化后的兩個重要問題：用戶體驗一致性和服務靈活動態部署[14]。首先，算力網絡可以解決用戶體驗一致性的問題：用戶無須關心各類基礎資源（算力、存儲等）的位置和部署狀態，通過網絡即可協同調度各類資源，保證用戶的一致體驗；其次，算力網絡可以解決服務靈活動態部署的問題：基于用戶的服務等級協議（SLA）需求，綜合考慮實時的網絡、算力、存儲等多維資源狀況，通過網絡靈活匹配與動態調度，將業務流量動態調度至最優資源節點。

從2019年初至今，業界對算力網絡的研究僅有兩年的時間。算力網絡巨大的潛在需求卻掀起了業界的波瀾。目前，三大運營商、各廠商以及學術機構紛紛開始研究算力網絡。

2020年6月，CCSA TC614成立了算力網絡特別工作組，依托聯盟的平臺和資源，聯合多方力量，共推、共創算力網絡產業影響力，構建算力網絡生態圈。2020年11月，中國聯通成立了中國聯通算力網絡產業技術聯盟，將在“聯接+計算”領域和全產業鏈合作伙伴攜手并進，共建算力網絡生態，推動商業落地，共享轉型成果。

中國主流運營商還先后發布了《中國聯通算力網絡白皮書》《算力感知網絡技術白皮書》《算力網絡架構與技術體系白皮書》等。

在各方的不懈努力下，算力網絡的標準化工作取得了進展：在ITU-T、互聯網工程任務組（IETF）、寬帶論壇（BBF）、ETSI、CCSA等全球標準組織中，已立項相關的國際標準9項、中國標準4項。

在ITU-T SG13組，中國電信、中國移動、中國聯通、華為等單位分別從算力網絡架構、算力感知網絡相關技術等方面推進了Y.CPN-arch標準、Y.CAN系列標準的制定。

ITU-T SG11組啟動了Q.CPN標準（算力網絡的信令需求）與Q.BNGINC標準（算力網絡邊界網關的信令要求）的制定等工作。

在IETF，華為等撰寫了Computing First Network系列文稿，研究算力路由協議；

BBF啟動了“Metro Computing Network（SD-466）”，專門研究算力網絡在城域網中的應用。

ETSI提出了“NFV support for network function connectivity extensions（NFV-EVE020）”。該方案以內容轉發網絡（CFN）為基礎，研究NFV的計算和網絡集成相結合的網絡功能連接擴展方案。

CCSA TC3目前已經完成《算力網絡需求與架構》的研究報告和面向全網的算力感知網絡關鍵技術研究。2021年4月TC3全會形成了算力網絡系列行業標準的立項，包括算力網絡總體技術要求、算力網絡標識解析技術要求、算力網絡路由協議要求、算力網絡控制器技術要求、算力網絡交易平臺技術要求和算力網絡開放能力研究等工作。

5 邊緣計算和算力網絡的主要技術挑戰及展望

邊緣計算發展至今已取得巨大進步，但仍面臨諸多技術挑戰，目前仍有三大問題亟待解決。首先是安全性的問題。邊緣計算的分布式架構增加了攻擊向量的維度，客戶端越智能就越容易受到惡意軟件感染和安全漏洞攻擊。由于網絡邊緣設備的資源有限，現有數據安全的保護方法并不完全適用于邊緣計算架構，因此需要尋求新的解決路徑。其次是云邊與邊邊協同的問題。單個節點能力是有限的，不同場景需要多資源節點能力的整和與聯動。最后是網絡問題。邊緣計算所呈現的優勢與底層的網絡連接密不可分，例如，邊緣計算所帶來的低時延特性，如果沒有網絡的支持，是無法實現的。也就是說，邊緣計算并不是簡單地將服務器、存儲設備放到邊緣機房，而是需要對底層網絡基礎設施進行梳理，讓用戶能夠享受到更短的接入距離所帶來的優勢，避免出現物理位置接近但邏輯距離繞行的尷尬場景。

從整個信息基礎設施的角度來看，邊緣計算的出現與部署，推動了網絡、計算、存儲等多類信息基礎資源的融合與演進。也就是說，隨著技術與業務的發展，各類網絡資源需要與計算、存儲等能力進行深度融合，并借助數據資源和算力資源等形式對外輸出，以實現多類資源的統一供給，實現信息網絡基礎設施能力的聚合和開放，為構架在網絡基礎之上的多行業、全產業創新提供便捷的條件。

為了進一步分析邊緣計算對網絡的影響，CCSA TC3在2021年1月完成了《邊緣計算IP承載網技術架構研究報告》，提出了以邊緣計算為視角，將網絡劃分為邊緣計算接入網（ECA）、邊緣計算內部網絡（ECN）和邊緣計算互聯網絡（ECI），并以此重新梳理了各項新型網絡技術的發展趨勢。在這些新型網絡技術中，有一項是被稱為邊緣計算原生的網絡技術，即算力網絡技術。

目前，算力網絡的研究工作主要圍繞4個方面展開：

（1）算力度量。目前計算資源的衡量缺少一個統一且簡單的度量單位，因此如何評估不同類型算力資源的大小成為一個亟需解決的難題。

（2）信息分發。信息分發即如何將算力等資源信息通過網絡控制面廣而告之。

（3）資源視圖。如何給每個用戶生成以其為中心的資源視圖，讓其可以智能選擇最佳資源組合也是需要關注的內容。

（4）可信交易。由于算力網絡中的各類資源歸屬不同所有者，算力網絡作為一個中間平臺，需要考慮如何確保資源交易真實有效且可溯源。

6 結束語

邊緣計算與算力網絡的相關研究和標準化制定工作正在如火如荼地展開，并已取得初步成效。可以預期，未來邊緣計算和算力網絡將成為驅動各行各業變革的重要解決方案。

參考文獻

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[11] KEKKI S， REANKIK A. 3GPP enables MEC over a 5G core [EB/OL]. （2018-07-04）[2021-04-22]. https：//www.3gpp.org/news-events/ partners-news/1969-mec

[12] 呂華章， 陳丹.邊緣計算標準化進展與案例分析[J]. 計算機研究與發展， 2018， 55（3）：487-511

[13] 雷波， 陳運清. 邊緣計算與算力網絡——5G+AI時代的新型算力平臺與網絡連接 [M]. 北京： 電子工業出版社， 2020

[14] 中國移動. 算力感知網絡技術白皮書 [R]. 2019

作者簡介

雷波，中國電信股份有限公司研究院高級工程師、邊緣計算產業聯盟ECNI工作組聯席主席、CCSA“網絡 5.0技術標準推進委員會”管理與運營組組長；主要研究方向為未來網絡架構、新型IP網絡技術等；發表論文10余篇，出版《邊緣計算與算力網絡》《邊緣計算2.0：網絡架構與技術體系》等書籍。

趙倩穎，中國電信股份有限公司研究院工程師；研究方向為未來網絡、算力網絡等；發表論文3篇，參與出版《邊緣計算與算力網絡》《邊緣計算2.0：網絡架構與技術體系》等書籍。

趙慧玲，工信部通信科技委專職常委、信息通信網絡專家組組長，中國通信學會理事、信息通信網絡技術專業委員會主任委員，中國通信標準協會網絡與業務能力技術工作委員會主席，中國電信科技委常委，SDN、NFV、AI產業聯盟技術委員會副主任，網絡5.0產業聯盟技術委員會副主任；長期從事電信網絡領域技術和標準工作；曾獲多個國家及省部級科技進步獎項；發表論文100余篇，出版專著12部。