中国联通CUBE-NET2.0+：边缘网络演进白皮书.pdf

中国联通 CUBE-NET 2.0+： 边缘网络演进白皮书 中国 联通 2019 年 6 月 中国联通 CUBE-NET 2.0 + ： 边缘网络 演进 I 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2019 目 录 1 概述 .1 2 边缘业务场景 .3 3 边缘网络特征 .4 3.1 泛在大规模复杂连接 . 4 3.2 确定性高精度网络 . 5 3.3 高通量接入与交换 . 6 3.4 网络与算力融合 . 7 4 边缘网络面临的挑战 .7 4.1 服务质量 . 7 4.2 极简运维 . 8 4.3 成本压力 . 8 4.4 安全风险 . 9 5 边缘网络架构 .9 6 边缘网络新技术与方向 .11 6.1 固移融合 . 11 6.2 驻地网络与 TSN . 12 6.3 切片 . 13 中国联通 CUBE-NET 2.0 + 边缘网络 演进 II 6.4 云原生 . 13 6.5 IP技术演进 . 14 6.6 5G向 6G 演进 . 15 6.7 网络智能化 . 16 6.8 能力开放 . 16 7 边缘网络生态商业模式 .17 8 总结和展望 .18 缩略语 .20 白皮书 联合编写单位 .23 中国联通 CUBE-NET 2.0 +： 边缘网络 演进 1 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2019 中国联通 CUBE-NET 2.0+：边缘网络演进白皮书 1 概述 随着边缘计算、 5G、 IOT、工业互联等新兴业务的开展，传统的“接入 -汇聚 -核心”网络架构（如图 1）存在如下制约： 图 1： 传统网络架构 1. 端到端的业务流量必须经过核心层处理（如红色线），增大了网络开销和业务时延； 2. 无法支撑算力在端侧、网络侧和云侧按需分配和部署； 3. 无法满足高精度网络以及确定性网络的要求； 另一方面，随着 SDN、 NFV、云原生、网络自动化等新技术的不断演进和落地实践，业界对 DC、边缘云、 Fabric 架构都开展了充分研究并积累了较多经验。但对于在新兴场景下网络往边缘延伸需要面对哪些问题、具备哪些技术和能力以及整体网络架构如何变革等方面的研究，在深度和广度上都不足以应对即将到来的挑战。 以此为契机，中国联通秉承“新网络，新服务，新生态”的理念，不断推进 CUBE-NET 2.0+ 新一代智能网络架构的研究与实践，基于对新兴业务场景、网络技术发展趋势、网络体系构架等方面的分析与探索，深入诠释边缘网络，分析边缘网络的特征与挑战，提出发展边缘网络的构想。 接入汇聚核心中国联通 CUBE-NET 2.0 +： 边缘网络 演进 2 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2019 边缘网络的位置及不同业务流程示意如图 2： 图 2：边缘网络示意图 边缘网络涵盖的范围包括： 云化 /非云化的综合业务接入点 云化 /非云化的汇聚节点 边缘数据中心 用于特定场景的现场部署节点（如应急车、场馆机房等） 将上述通信节点与端侧通信节点（或端侧网络）连接起来的网络 可以看出，边缘网络包含云化的综合业务接入点、 云化的汇聚节点以及边缘数据中心，涵盖了边缘云。 边缘网络对于核心网络而言，具有一定的独立性，两者的协作关系根据业务流程的不同，可以分为以下三类： 1. 传统纵向业务：如图 2 中绿色线所示，端侧、边缘网络、核心网络相互配合，完成业务流程； 2. 单个边缘网络独立提供的业务：如图 2 中红色线所示，单个边缘网络就可以完成端侧设备的终结业务或交换业务，该场景下边缘网络相对独立，业务流程不需要核心网络参与； 3. 多个边缘网络间的业务：如图 2 中蓝色线所示，该业务流程需要端侧、边缘网络、核心网络相互配合完成业务流程。 边缘网络的发展与演进， 可以应对新兴业务场景所提出的各类新需求，促进网络架构的优化演进，由此运营商可以进一步挖掘和经营网络价值，引领数边缘网络 1核心网络 一个边缘网络内终结的业务两个边缘网络间终结的业务跨核心网络终结的业务边缘网络 2 边缘网络 n中国联通 CUBE-NET 2.0 +： 边缘网络 演进 3 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2019 字化转型。另一方面，边缘网络面向千行百业，互联万物，网络的参与者、建设者、使用者和维护者所构成的生态空间远超传统网络，边缘网络使得 NaaS真正成为可能，并为网络生态参与者提供广阔的技术创新空间和商业模式创新空间。 2 边缘业务场景 互联网作为信息时代的基础设施，主要通过采用云计算，以集约化的方式实现业务部署。云计算的快速发展促使网络技术的演进 以 从边缘向云资源中心汇聚流量为主，兼顾骨干层云互联。而随着 5G，人工智能，工业互联网、物联网、 AR/VR 等技术的发展，业务对带宽、时延、安全性等方面的需求越来苛刻，集约化部署方案已经无法满足业务需求。泛在计算逐渐成为热点技术，边缘业务将大量涌现，一些典型的新业务场景如下： 图 3：边缘业务场景 新媒体类： 以 4K/8K 视频、云游戏等消费型业务为代表的大视频类业务逐渐开始向边缘下沉，以 VR/AR 为代表的新应用在边缘兴起，以全息图为代表的未来新媒体业务正在扑面而来。在网络大信息传送条件成熟时，这些新的业务将会迅速爆发。 骨干网络 I n t e r n e t边缘网络智慧交通 自动驾驶 智慧农业沉浸式体验 智能制造中国联通 CUBE-NET 2.0 +： 边缘网络 演进 4 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2019 工业互联网： 随着中国制造 2025 和工业 4.0 进程推进，在全世界有数百万种机器设备，从简单的电动摩托到高尖端的 MRI（核磁共振成像）机器，有数万种复杂机械的集群，将依靠网络实现协同作业。制造业将依托边缘网络将产业链拉长，形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通，从而提高效率，推动整个制造服务体系 智能化。 车联网： 车联网的目标是实现“人车路云” 高度协同，对社会发展有深刻的意义，因此车联网成为近年来的热点研究领域。各大汽车制造商、互联网巨头、电子制造商纷纷入局车联网。车联网系统需要透彻的感知能力，除了感知道路状况，如周围车辆情况、道路周边潜在危险情况等，还要感知各种各样的要素，如污染指数、紫外线强度、天气状况、附近加油站，未来这一切将在边缘网络支持下得以实现。 更多业务如电力、医疗、工业控制、农业生产等领域的应用也普遍在网络边缘发生，这些业务需要新的基础设施支撑。随着边缘业务发展，泛在计算需求 促使资源和算力的分布发生流动效应。运营商在完成端到端的网络连接能力构建的同时，需要逐渐地构建自带算力的分布式边缘网络。在新兴业务驱动下，网络流量模型将继续向去中心化方向发展，泛在的网络和计算将深度融合。网络边缘的业务场景将趋向繁杂，边缘网络成为支撑这种繁杂场景的关键基础设施。 3 边缘网络特征 3.1 泛在大规模复杂连接 边缘网络需要在接入技术、接入终端和差异化连接三个方面为泛在计算带来的大规模泛在连接需求提供技术保障。 接入技术趋向多样化 ： 传统的宽带接入技术、 OTN 接入技术和无线接入技术满足了当前消费互联网和企业专线 的接入需求。未来面向行业，需要支持5G、 NB-IoT、卫星接入、 PLC 载波通信以及 6G 等不同的接入技术，以实现泛在连接覆盖，满足产业链上不同接入场景和产业生态发展的需求。 接入终端类型趋向丰富 ：一方面接入技术的多样化驱动了接入终端多样化，另一方面，千差万别的行业对接入终端的要求不一样。丰富的终端类型和中国联通 CUBE-NET 2.0 +： 边缘网络 演进 5 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2019 多样化的接入技术结合是泛在连接覆盖的基础。边缘网络需要为行业终端提供尽可能方便和低成本的接入支持，同时支持一定的管理功能，比如大量的物联网设备需要一直在线，运营商需要具备对设备位置、在线状态等进行监控和管理的能 力。 连接趋向复杂 ：多样化的应用带来的网络连接需求对网络要求千差万别：对于工业控制场景，业务中断会造成财产损失。因此，网络需要提供 1ms 的延时和高可靠的保障，同时也要有较高的网络连接隔离要求；车联网中自动驾驶防碰撞的需求涉及人身安全，需要极低延时以及 99.999%可靠性的网络支撑；智能工厂、远程医疗、智能电网等业务也都对网络提出了十分苛刻的需求。未来连接的数量将爆发式增长，连接的服务质量要求差异化，连接去向由单纯集中式的云计算中心节点转向泛在的边缘节点与集中式云计算中心节点并存，连接整体趋向复杂。 3.2 确定性高 精度网络 为了支持工业控制与工业互联网、远程医疗、触觉网络等对时延和抖动有严格要求的业务，边缘网络需要提供确定性和高精度服务。 在当前工业现场驻地网络中，工业以太网协议一定程度上已经可以满足现场的确定性和高精度服务需求。但是现场技术都不具备大规模可扩展性，难以在三层网络中大规模应用。未来网络需要以边缘网络为起点，通过支持以下网络特性提供更大规模的 确定性 和高精度服务 ： 时钟同步 ：边缘网络设备和终端设备 使用 IEEE 1588 精确时间协议将其内部时钟同步到 1s-10 ns 的精度。 零拥塞 ： 拥塞丢失是网络节点 缓冲 区已满时导致的报文 溢出 丢弃 ，是尽力而为 机制下 网络丢包的主要原因。零拥塞丢失通过调整数据包的传送并为临界流（ critical flow）分配足够的缓冲区空间， 以 消除 针对特定业务服务的流可能遇到的 拥塞。 超可靠 ：网络节点故障是丢包的另外一个重要原因。支持确定性和高精度业务的网络可以通过多个路径发送序列数据流的多个副本，并消除目的地处或附近的副本。这样每个数据包都被复制并被带到或接近其目的地，不存在故障中国联通 CUBE-NET 2.0 +： 边缘网络 演进 6 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2019 检测和恢复周期，因此单个随机事件或单个设备故障不会导致丢失任何一个数据包。 与尽力而为机制兼容 ：除非确定性和高精度业务流的需求消耗了过多的特定资源（例如特定链路的带宽），否则可以与尽力而为流量一起调度。尽力而为的服务质量实践，例如优先级调度、分层 QoS、加权公平队列等仍然按照其惯常的方式运行，但确定性和高精度业务流降低了尽力而为流量的可用带宽。 自带高精度增值业务 ：未来边缘网络自身将带有一些高精度业务功能，比如拥有一个包含广域覆盖网、超密集组网 (UDN)、专有无线系统、 WLAN 系统等多种定位网络形态的异构定位系统。高精度定位技术是移动互联网和物联网业务的关键技术。室内环境采取 Wi-Fi 融合带内信号、 行人航位推算系统 (PDR)等方式，存在超宽带 (UWB)的环境优先采用 UWB 方式，在室外环境下可以结合多种卫星定位系统提升定位精度。 3.3 高通量接入与交换 随着 VR/AR 技术的发展，视觉感受类业务对网络的要求越来越高，即将到来的全息通信对网络带宽的要求是现在 4K高清视频的数百倍。当前 VR/AR 技术已经部分应用，但是因为传输速率不够，经常出现卡顿、模糊的现象甚至让人晕眩 ,导致体验不佳。只有网络速率提高， 360的画面都能够清晰而稳定地呈现，“远隔万里却身临其境”的体验才能变成现实。为满足此类以大信息量为基础的新型业 务对网络的要求，将来边缘网络接入侧速率将突破 10Gbps，向着 1Tbps 发展。同时为避免骨干网络压力过大，边缘网络需提供大容量的交换能力，终结可以在边缘完成的业务流量。 高速有线接入： 边缘有线接入的 PON 网络技术已经经历了从 EPON 和GPON 到 10G-PON 的发展历程。当前全球宽带接入市场逐步进入千兆时代，10G-PON 入户在国内已经开始建设。下一步 10G-PON 技术也难以满足未来的驻地接入、移动前传和回传的带宽需求，宽带接入需要支持 25G/100G 等更高速率的 PON 技术。 高速无线接入： 无线接入网络 MIMO 技术将进一步升级。同时，使用更高频率如太赫兹、更先进的天线技术如纳米天线，将接入速率从 1G 向 1T 级别推进。并且支持点到点（ P2P）无线通信，提升边缘业务通信质量，缓解骨干网压力。 中国联通 CUBE-NET 2.0 +： 边缘网络 演进 7 版权所有 中国联通网络技术研究院， 2019 大容量边缘交换： 随着边缘接入高通量业务，网络流量会汹涌增长，骨干网络将无法承受流量汇聚压力，同时流量向上绕行也会影响业务体验。边缘网络提供交换通道，使边缘业务可以在边缘网络本地完成交换，这无疑从源头控制了网络数据流量，减轻整个网络的压力。在边缘提供基于低成本大容量交换设备，以及在基站等设备上支持横向通信能力将是边缘网络的发展趋势 。 3.4 网络与算力融合 传统网络采用集中化的云 -端架构，端侧进行采集和简单处理，云侧进行最终业务处理。这样的架构在 5G 场景下无法满足业务大带宽，多连接，低时延的要求，端侧无法处理如此大量的数据，而全部传递到云侧处理则对传输带宽带来了极大的压力，时延也无法保障，影响了业务的发展和用户的体验。 因此边缘网络需要提供本地计算能力，使得业务能够快速就近处理，对于可在本地处理的业务就在边缘网络进行终结，边缘无法处理的业务才进行上送，这样既可以提高用户体验减少传输的压力，又能满足 5G 新兴业务的需求。 边缘网络的计算能力具有 多样化特性，从部署设备来看，既可部署在独立的新增设备上，例如服务器，也可以利旧，在已有设备上增加，例如在网络设备上新增硬件计算模块；从能力形态来看，既可以提供裸设备计算能力，也可以提供云化计算能力。这些多样化的边缘网络的计算能力，和云侧算力，端侧算力一起，构成完整的分布式计算网络，使得业务所需算力在整个计算网络上按需分配，满足业务需求。 4 边缘网络面临的挑战 4.1 服务质量 边缘业务面对的多样化场景，对边缘网络的服务质量提出了更高的要求，具体表现在以下方面： 单业务场景服务质量要求提高 ：自动驾驶、金融证券、 AR/VR、远程医疗、 DC 间数据实时同步等业务场景对网络的带宽、时延、抖动、丢包率等指