5G+Cloud
云计算技术发展历程
云计算的起源和发展
“云计算”概念从提出到现在历经了15年的飞跃发展,已经成为全社会信息数字化的首要技术,这大大推动了社会经济的发展。当今社会,对普通用户来说,计算、存储已经可以像水电一样去获取和使用了。然而15年前,云计算是在什么样的背景下产生的呢?
21世纪初,在出版社公司奥莱利和灵动媒介国际公司之间的一场头脑风暴论坛上,Web 2.0(第二代互联网)概念首次被提出。Web 2.0是相对于Web 1.0(第一代互联网)而言的。在Web 1.0时代,网络通常由网站雇员主导,其生成内容供用户浏览,到了Web 2.0时代,越来越多的用户在从互联网获得所需应用和服务的同时,也将自己的数据上载到网络上共享与保存,从而催生出博客(Blog)、内容聚合(RSS)、百科全书(Wiki)和社交网络(SNS)等典型的Web 2.0应用。 [8] 随着Web 2.0的产生和流行,那些网站,尤其是视频和图片共享网站每天都要接收处理海量的数据。同时,为了给用户提供新颖而有吸引力的服务,网站软件的开发周期越来越短,新的功能以每月、每周甚至每天的速度被加入进来。网站的拥有者逐渐意识到只有提升网站的处理能力,加快对新业务的响应速度,才能在激烈的竞争中生存。因此,他们需要一个平台,那里能够提供充足的资源、灵活的处理能力来保证其业务增长。然而,基础设施的扩容成本和维护成本对绝大多数网站来说都是一笔不小的投资,而且随着业务量的快速增长,投资要不断追加,这并不是每个网站都能承受的,于是云计算的内在需求就出现了。
当网站拥有者苦于寻求解决方案的时候,另一边,芯片、磁盘等计算存储硬件产品则正按着摩尔定律周期性地增强处理能力,并变得更加廉价。于是拥有大量服务器和存储设备的数据中心逐渐进入大家的视野,它们被认为可以用来处理大量数据和复杂问题。与此同时,借助网格计算、分布式计算和并行计算技术的快速成熟,同时也借助运营商不断建设的健壮的管道资源,人们可以利用在地理上分散于各处的资源来完成大规模、复杂的计算和数据处理,这就是云计算。
所以说云计算的诞生是用户习惯和需求、技术演进带来的自然演变的过程。现今对云计算的定义有多种说法,最广为接受的是美国国家标准与技术研究院(NIST)给出的定义:云计算是一种按使用量付费的模式,这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问,进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务),这些资源能够被快速提供,用户只需投入很少的管理工作,或与服务供应商进行很少的交互。
十几年来,云计算的发展历程就是云计算技术本身不断变革和服务模式不断创新的历程。
• 2006年,亚马逊第一次把云计算服务进行了商用,发布了两款产品,即S3(简单存储服务)和EC2(弹性计算云),这使得企业可以通过“租赁”计算容量和处理能力来运行其企业应用程序。但是,当时外界对于这种商业模式外界并不看好,大家普遍认为云计算投入高、利润薄,并且其存在很大的技术不确定性。直到AWS(亚马逊云服务)独立发展一年多之后,IBM、甲骨文、惠普等传统软硬件厂商才开始逐渐意识到云计算是新技术浪潮的信号。
• 2007年,谷歌相继推出了免费网络邮件服务Gmail、谷歌地球、谷歌地图等产品。在这一年的发布会上,谷歌的首席执行官施密特表示,随着互联网网速的提高和互联网软件的改进,云计算能够完成的任务越来越多,90%的计算任务都可以通过云计算的方式完成。
• 同年,IBM推出了“蓝云”计算平台,为客户带来即买即用的云计算平台。它包括一系列的自动化、自我管理和自我修复的虚拟化与云计算软件,这让来自全球的应用可以访问分布式的大型数据中心,从而使得数据中心在类似于互联网的环境下运行计算。
• 2008年10月,微软推出了基于云计算的操作系统Windows Azure,接着在次年推出Azure云服务,Azure被认为是微软继Windows(视窗操作系统)取代DOS(磁盘操作系统)后的又一次颠覆转型——通过在互联网架构上打造新的云计算平台,让Windows由个人电脑延伸到云上。
• 2009年,阿里云成立,至此中国国内才真正开启追赶美国云计算的步伐。两年之后,腾讯云、百度云及三大运营商纷纷开始对外提供云服务。
• 2010年,美国国家航空航天局和云计算中心Rackspace共同发起了云计算管理平台项目OpenStack。得益于行业众多技术专家的贡献,OpenStack目前已经成为云平台的首选,在部署NFV网络时,为实现对自己的系统和网络的自主掌控,大多数公司(包括运营商在内)选择了OpenStack平台。
• 2014年,在虚拟化的技术发展了几年后,崇尚技术为先的谷歌开始另辟蹊径,为了解决虚拟机资源使用效率低、难以快速启停和调度的问题,其把自研的基于容器的调度管理系统Borg开源,并将其命名为Kubernetes。后来Kubernetes和应用容器引擎Docker结合,逐渐在PaaS(平台即服务)领域建立起不可动摇的地位。目前5G的网元大多基于容器开发。
• 2015年开始,各大运营商逐渐预见到了未来业务和网络的发展趋势,同时也看到了传统网络在满足高带宽、大流量业务方面的缺陷和不足,于是大家纷纷引入虚拟化、云计算和SDN等信息技术界的技术,探索运营商网络的转型之路。
2017年,3GPP发布5GSA架构设计,引入SBA和云原生等概念,对传统的电信设备进行了根本性的改造,采用容器技术来构造电信网元。
至此,5G和云计算的结合更加紧密。
云计算的类别
云计算有多种不同的分类。主流的分类方法包括按照服务类型分类和按照部署模型分类。
按照服务类型划分,云计算常见的服务类型有三种,从下往上分别是IaaS(基础设施即服务)、PaaS和SaaS(软件即服务)。
• IaaS是三种服务模式中最接近底层资源的,这种模式下云服务商给客户提供信息技术设施服务,其中包括服务器、网络、存储以及数据中心空间的出租。这是目前最广泛的云计算服务的提供模式。
• PaaS可以理解为云服务商提供了基于云的运行环境,将应用所需的管理基础软件、数据库服务和网络等资源提供给客户,客户可以专注于应用的开发和部署。
• SaaS则指的是客户通过互联网和浏览器使用云服务商提供的软件,最常见的SaaS是基于Web的电子邮件。客户在使用SaaS服务时,服务的维护和底层基础设施的管理都不需要操心,统一由云服务提供商来负责。
按照部署方式划分,云计算常见的部署模型有公有云、私有云和混合云三种。
• 公有云:指的是由一些公司运营和拥有,部署在互联网上,通过网络为其他组织或个人提供价格合理的计算、存储和网络资源的快速访问。公有云的优势显而易见,企业可以在不投入新的硬件和软件的情况下,获得最新和最可靠的服务。底层资源和能力的维护由云服务提供商负责。这也是云计算起源的初衷。近年来,公有云受到攻击或因为故障导致服务中断的新闻时有报道,所以在考虑是否适用公有云服务时,企业在安全保障和持续服务提供方面会特别关注。
• 私有云:私有云是由公司自己拥有和运营的云基础设施,出于对资源的专用和安全考虑,私有云通常部署在公司内部,其上部署的应用一般是企业内部的核心应用程序和业务数据。基于威睿(VMware)的私有云服务和软件因其产品的可靠性和稳定性曾是最受企业欢迎的私有云部署选择,但考虑到持续的高成本支出,目前大部分企业开始尝试基于开源的OpenStack构建自己的私有云系统。
• 混合云:顾名思义是私有云和公有云的混合,同时具有“公共云”和“私有云”的特征及功能。一般企业考虑安全性的需求会构建私有的云计算基础设施,但同时也希望可以突破私有云的硬件限制,使用公有云丰富的资源。因此,混合云正逐渐成为近年来云计算的发展方向,这既节省了成本,又获得了一定的扩展性。
5G与云计算的结合
5G诞生于互联网和信息技术高度发展的时代,云计算这一在互联网和信息技术领域生根发芽的理念已经写入了5G的基因。同时,5G作为拥有大宽带、低延时和海量数据处理等特征的基础通信技术,也使得对通信能力十分依赖的云计算本身得到了更加多样化的发展空间。
5G基于云计算构建,催生高效敏捷的软件化网络在5G之前,运营商在打造通信网络时已经开始考虑采用SDX(软件定义)的设计理念,结合云计算的实现方式,突破传统通信网络架构不够灵活和敏捷的限制,然而改造现有网络面临着大量的改造和投资利旧等问题,进展缓慢。从设计时运营商就考虑了5G与云计算的天然共生问题,5G既能够作为一个应用构建在云上,又进一步能采用云原生的理念重构自身,并且能够充分发挥云网联动的优势。可以说,从诞生之初,5G身体里就流淌着云计算的血液。
5G网络在云上构建
运营商的网络由大量的通信设备组成,传统上这些通信设备的功能软件和硬件设备是紧密绑定的,这就导致通信设备根据其功能需求的不同而表现为形态各异的硬件。当需要部署新的业务功能时,就需要新的网络设备逐步替换旧设备,新增一个功能软件一般意味着新增一个硬件设备。硬件设备的不断替换一方面带来了较高的成本投入,另一方面导致运营商对新业务的响应迟缓,因为专有的硬件设备开发周期较软件长。传统的软硬一体的通信设备已经不能满足运营商的需求。
随着通信网络改造需求的增大以及业务创新迭代速度的加快,运营商所面临的成本压力越来越大,业务创新需求也越来越多。云计算技术的成功引起了通信技术产业的重视。云计算、虚拟化技术所提供的低成本、高灵活性的信息技术基础设施(包括虚拟资源池)成为运营商解决其传统网络痛点的希望。于是2012年开始,云计算首次走进电信领域,全球包括美国电话电报公司、中国移动在内的12个主流运营商在欧洲电信标准协会提出的NFV概念,其核心理念是运用虚拟化和云计算技术将传统电信设备软硬件解耦,采用通用服务器代替原有的ATCA(先进电信运算架构)专用硬件,将VNF以软件的形式运行在通用信息技术云环境中,以降低网络成本,同时实现敏捷运营,缩短业务上线时间,以应对来自互联网巨头的竞争。NFV的引入使得各大运营商开始大规模构建数据中心来承载电信网元,从核心网设备到接入设备,从电信网元到管理支撑系统,各大运营商纷纷迈出了“上云”的步伐。
NFV的逻辑架构可简单划分为以下几个部分:用于整体编排、控制管理的MANO(虚拟网元管理编排组件),网元赖以部署的NFVI(虚拟网元基础设施),VNF和OSS/BSS(运营支持系统/业务支持系统)。
NFVI包括NFV的硬件设施和虚拟设施,其中NFV硬件设施指NFV软件赖以运行的通用硬件,包括服务器、存储设备和网络设备;
NFV虚拟设施指运行在这些通用硬件之上的宿主操作系统、虚机或容器等。NFVI正是借鉴了云计算的核心技术要素形成的。
5G在定义之初,业界就达成了一种共识,5G必须是基于NFV构建的,也就是说从一开始5G就必须是基于NFV技术的软件化网络。此外,NFV技术也是构建5G切片的关键使能技术。基于NFV构建的5G网络、5G切片网络,使得运营商在增加5G业务功能、动态生成新的5G切片的时候,不需要涉及通信硬件的升级替换,这避免了网络设备的无限制膨胀,有利于实现敏捷化的网络部署。此外,基于NFV构建的5G软件化网络,使得通信业务的创新和上线速度大大加快,由传统的硬件开发集成变成软件开发,开发人员的门槛大大降低,开发集成和部署的速度明显加快,提高了创新能力。
5G网元按照云原生设计
经过多年的发展,云计算开始从应用外部环境的云化转向关注应用内部架构的云化,云原生的概念正是在这样的背景下被提出来的。云原生的概念最初由来自大数据公司Pivotal的马特·西内于2013年首次提出。
这个概念是马特·西内根据其多年的架构与咨询经验总结出来的一个技术体系和方法论,包含的内容非常多,其中包括持续交付、微服务、敏捷基础设施和12要素等几大主题,甚至还包含根据业务能力对公司进行文化、组织架构的重组与建设,方法论与原则以及具体的操作工具。近年来,云原生已经成为云计算的重点发展方向。
云原生最大的特点就是可以迅速部署新业务,运营商也正是看中了其这一特点,在5G标准制定时明确引入云原生概念,云原生的引入进一步提升了5G快速响应个人用户和垂直行业客户提出的新需求的速度。3GPP在5G标准中引入了服务化架构和云原生概念,结合电信网络的现状、特点和发展趋势,对5G网元进行了大量的优化设计,同时,将5G网络功能进行抽象,形成高内聚、低耦合、可独立管理的原子化功能单元,即服务。由于服务内部功能小且明确、对外接口固定且协议一致,因此运营商对特定服务的升级不会影响到其他服务,云原生成就了5G服务快速部署和弹性扩缩容能力。
5G网络基于云网联动
5G网元可以构建在云上,但要将网元组成网络会涉及网元、云资源、网络资源的协同和联动,传统采用手工部署的方式时间长、效率低而且容易出错,5G的云化优势会大打折扣。以在数据中心内部部署一套“IMS+EPC”的系统为例,系统中共有21个VNF,传统部署方式共耗时约一个多月。引入编排器与SDN控制器,实现云网联动,实现网络的自动化配置和部署,将大幅提高业务部署上线效率,原先以月为单位的部署周期将缩短到天甚至小时。
除了数据中心内部的云网联动,在统一编排下,依托NFV和SDN技术实现的跨数据中心云网联动,使网络具备了NaaS能力,从而使5G网络切片成为可能。
5G网络能力和特性催生云计算更为丰富的应用场景云计算作为一种按需使用、按量计费的服务模式,对于可用的、便捷的、按需的网络访问具有严重的依赖。事实上,在20世纪70年代就有了云计算的雏形,云计算经历了期望高峰和泡沫幻灭,直到2000年之后互联网开始普及才逐渐产生了实际的应用场景,并随着4G这一真正意义上的移动宽带的实现开始兴盛。5G的到来,不但使得通信带宽产生了数量级的跃升,而且带来了低时延、本地分流、网络切片等新的特性,云计算所依赖的网络能力大为增强,网络特性大为丰富,这直接催生了云计算本身产生出更为丰富多彩的应用场景。
5G的超高带宽促使更多应用、更多企业上云对普通用户而言,5G带来的最直观的改变还是快,想象一下如果一部高清电影几秒钟就下载完了,想象一下在手机上浏览本地照片视频和浏览云盘中的体验是一样的,想象一下不需要本地安装就可以顺畅地玩《王者荣耀》甚至是VR/AR游戏,那么在资费合理设置的情况下,本地存储甚至是计算都将被云端取代,手机终端将成为云的入口,5G将直接催生云端生态的极大丰富以及终端形态的一次新的变迁。
对企业而言,云计算已经作为一种重要的生产工具在影响着经济的运行和企业的发展。管理学大师彼得·德鲁克有句名言:重要的不是趋势,而是趋势的转变。把握趋势的转变才是一个企业成败的关键。对于当前的数字化转型趋势,“上云”是一个重要的转变。当前越来越多的企业通过采用第三方云服务商提供的云平台和服务,受益于上云的业务敏捷性和成本节约,而阿里巴巴、华为、腾讯、百度、亚马逊等都已在这一趋势中成长为云计算领域的大玩家。从政策上看,工信部印发的《推动企业上云实施指南(2018―2020年)》指出,云计算是信息技术发展和服务模式创新的集中体现,是信息化发展的重大变革和必然趋势。支持企业上云,有利于推动企业加快数字化、网络化、智能化转型。到2019年,中国云计算产业规模将达到4 300亿元。预计到2020年,中国将新增上云企业100万家,形成典型标杆应用案例100个以上,形成一批有影响力的云平台和企业上云体验中心。5G的超宽管道给云计算插上了飞翔的翅膀,将直接拉动企业上云的速度和规模,从而推动数字化经济转型。
5G的低时延、本地分流与控制面和用户面的功能分离特性促使云计算向网络边缘延伸
传统的云计算架构下,数据处理都需要传给远端集中部署的数据中心,然而随着自动驾驶、智能工厂、物联网等业务的兴起,数据量以及数据处理实时性要求显著提升,传统集中式云数据中心的模式将面临挑战。为了解决这个问题,数据的处理必须下移,将云计算向靠近用户的网络边缘延伸。
早在2003年,与云计算有密切联系的CDN(内容分发网络)作为一种将集中化内容推送到网络边缘的技术已经为大众所了解,但云计算本身的边缘延伸并未实现,这与当时通信网络的能力有很大关系。4G时代,虽然国际标准也开始支持SAE–GW(核心网的架构演进网关)的本地部署与控制面和用户面的功能分离架构,但由于错过了4G大规模部署的时间窗口以及4G网络本身并非采用NFV而不易进行架构升级,4G时代没有给出解决云计算向边缘延伸问题的方案。从通信能力上,5G显著提升了通信带宽,更为重要的是引入了低时延的特性,使得数据实时处理的需求可以被满足;从网络架构上,5G的用户面和控制面天然分离,与云计算边缘延伸密切相关的用户面网元可以独立部署在网络边缘;从网元功能上,5G用户面网元可基于识别目的IP、源IP及APN实现本地分流,可以区分业务进行不同方向的分流处理;从网元部署上,依靠NFV可实现5G用户面网元在网络边缘的灵活部署,突破了4G时代的部署困境。可以说,依靠5G的能力和特性,云计算可以做到真正意义上的边缘延伸。
同时,我们需要认识到,云计算的集中模式和边缘模式并不是互相替代的关系,在5G业务场景下云计算在边缘侧和集中侧的能力协同尤为重要,让集中侧聚焦于海量数据分析以及处理,对外输出智能化的决策和控制指令;同时让边缘侧成为执行单元,为集中侧提供数据采集和初步处理的支撑,才能形成相互协同、优势互补的发展态势。
5G局域网和切片特性可以更好地满足云的隔离需求在不同企业或者业务上云之后,其存在根据可靠性、安全、SLA、业务属性等差异的隔离需求,云计算本身可以提供按租户进行物理或者逻辑隔离的能力,但是在通往云的管道上也需要解决隔离问题。我们知道可以采用SD–WAN(软件定义广域网)或者专线的方式实现部分场景的隔离,但对于用户不在确定位置访问云的情况,5G给出了5G局域网的方案,即通过5G核心网用户签约与云租户进行映射,让用户不论在哪里访问都能进入确定的SD–WAN或专线隧道,从而访问确定的云租户(专有云)。
另外,5G还具备网络切片的特性,即可以让运营商在一个硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络(逻辑隔离),并通过MANO编排能力,进一步按照业务需求(如高带宽、超高实时性等)、服务提供商、用户等维度对业务进行精细化区分和资源配置,从而在通往云的网络管道中实现对各种不同类型垂直行业的差异化服务。
构建CloudaaS的5G网络,打造一站式的云网融合服务能力
5G时代,云计算将成为服务的主入口,运营商为了提升服务能力和信息化水平,应加快网络设备云化改造步伐,构建以云为核心的新型网络架构,实现网络资源按需供给和网络能力开放共享,打造面向社会生产生活的一站式基础设施服务,为提供云网融合化的服务奠定基础。
此外,5G高带宽、低时延的特性将大大促进公有云和私有云的发展,公有云、私有云、运营商的网络设备云在资源规划、容量部署上需考虑协调发展。
共存的架构以集中和边缘两层架构为主。集中层面包含面向用户提供基础通信服务的电信云,面向企业客户助力产业转型升级的公有云和私有云。边缘层面由于受制于机房条件和资源规模,其更有可能将不同类型的云资源整合在一起,为垂直行业提供差异化服务。
图8–6 未来多云协调共存示意图
为打造一站式云网融合服务能力,运营商应有效协同云计算、SDN技术,构建灵活的基础设施、引入智能调度和编排能力,实现云服务能力和5G网络能力的无缝衔接与深度融合。在基础设施构建方面,根据客户在集中和边缘侧不同的计算需求,打造灵活的基础设施,并实现“云”和“边”的能力、资源协同。在智能调度方面,通过在数据中心内和数据中心间部署SDN技术,并在企业侧和数据中心部署SD–WAN来满足企业用户云网一体化的需求。目前云网一体化有云互联、云专线和云宽带等业务场景,主要是面向大中型企业客户,实现企业混合云部署、跨资源池的容灾备份、数据迁移,以及中小企业的宽带接入互联网等需求。此外,在智能编排方面,在两级组网架构和云网融合的趋势下,云和边、云和网如何无缝对接,如何实现业务随选是实现云化一站式服务的关键。所以运营商需要打造一套懂业务的“云”和“网”,使得云资源和网络资源都能够感知到业务的变化,通过云边协同和智能编排实现整体服务质量的提升,实现业务、资源和网络的协同管理和端到端编排调度,最终实现云网融合的目标。
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