2.2　ECN

边缘计算系统和云计算系统内部具有一定的相似性，都拥有一定数量的服务器，以及连接这些服务器的网络设备。边缘计算系统内部用来保证系统内部服务器之间通信连接的网络被称为边缘计算内部网络，其性能会直接影响边缘计算的性能。

2.2.1　数据中心网络

由于边缘计算系统与云计算系统在功能上具有一定程度的相似性，因此在了解边缘计算内部网络之前，先介绍一下数据中心网络（Data Center Network，DCN）的特性与架构。

数据中心网络是应用于数据中心（云计算系统）内的网络，一个数据中心通常拥有大量的服务器和网络设备，其内部的网络架构也相对复杂。由于在数据中心内部存在大量的南北向流量以及东西向流量，并且流量呈现出典型的交换数据集中的特征，因此对数据中心网络提出了大规模、高扩展性、高健壮性、低配置开销、服务器间的高带宽、高效的网络协议、灵活的拓扑和链路容量控制、绿色节能、服务间的流量隔离和低成本等需求。

随着数据中心的不断变化，数据中心网络的发展也经历了传统的三层网络架构、Spine-Leaf网络架构等多个阶段（相关架构将在后续章节进行介绍）。

传统的数据中心分为接入（Access）、汇聚（Aggregation）和核心（Core）三层。这种传统的网络架构设计通常采用冗余链路方法来提高网络的健壮性与稳定性，但由于冗余链路极易带来广播风暴，同时产生多帧复制以及MAC地址表不稳定等问题，于是，在传统的三层架构中引入了STP协议，实现链路动态管理的策略。然而，STP协议的引入又给网络带来了收敛慢、链路利用率低、规模受限、难以定位故障等新的难题。

为了解决传统架构存在的问题，以及随着数据中心的规模越来越大，数据中心网络架构也亟须调整，传统的三层架构需要向扁平化、大带宽的架构转变。因此，业内人士提出了Spine-Leaf网络架构。Spine-Leaf网络架构由Leaf和Spine两层组成，Leaf交换机负责所有的接入，Spine交换机负责在Leaf交换机之间进行高速传输，两层设备之间采用FULL-MESH的方式进行连接，因此，数据中心网络中任意两个服务器都能实现三跳可达。相比于传统三层网络架构，Spine-Leaf网络架构拿掉了核心层，实现了扁平化结构，且具有高带宽利用率、网络延迟可预测、可扩展性好等诸多优点。但Spine-Leaf网络架构并不完美，随着服务器数量的增加，需要大量的Leaf交换机连接到Spine交换机上，在设计Spine-Leaf网络时要特别注意带宽的比例关系，而且Spine-Leaf网络对布线也有明确的要求。

伴随着数据中心的发展，数据中心网络也需要做相应的改变。未来大量的内容与计算需求将会被推向网络边缘。边缘化、小型化的数据中心会逐渐涌现并在其中承担重要的角色。

2.2.2　ECN的典型特征

与云计算相比，边缘计算的系统规模较小，且发展方向也截然不同：云计算系统强调规模效应，通过集中部署大量计算资源、存储资源来降低单位成本；边缘计算系统则强调用户感知的提升，通过拉近与客户的物理距离，来实现低时延、大带宽、大连接、高安全等业务指标。因此ECN与DCN具有完全不一样的特征，具体说明如下。

1. 架构简化

由于ECN涉及的设备数量、连接数量远小于DCN，因此可根据规模大小选择不同类型的网络架构，比如当扩展性要求高的时候可以采用Spine-leaf网络架构；当服务器规模在20～100台时可以采用简单的三层网络架构（接入—汇聚—出口）；当少于20台时可以采用扁平架构（即用一套网络设备同时完成接入、汇聚和出口的功能）。

2. 功能完备

边缘计算系统作为独立存在的用户业务承载系统，需要满足相应的运营和监管要求，比如仍需要提供DPI、流量探针、综合管理等功能。简而言之，就是“麻雀虽小，五脏俱全”，因此ECN要根据系统规模尽量采用简化架构，以增加设备能力，从而减少网络设备所占用的空间和降低电力等资源的消耗。

3. 无损性能

高性能计算业务，如AI类业务，需要网络具有超低时延、零丢包等能力，避免网络成为瓶颈，因此当此类业务部署在边缘计算系统中时，需要ECN具备无损网络性能。

4. 边云协同，集中管控

由于边缘计算系统具有的天然分布式属性，即单个系统规模不大但数量众多，若采用单点管理模式不但难以满足运营的需求，还会占用宝贵的机房资源，进而降低收益。另外，边缘计算业务更强调端到端低时延、大带宽以及高安全性等优点，因此，边云、边边之间的协同也是非常重要的问题。理想的方案是在云计算系统中引入智能化的跨域管理编排系统，统一管控一定范围内所有的边缘计算系统中的网络基础设施，即ECN必须支持基于边云协同的集中管控模式，以保证网络与计算资源能自动化进行高效配置。

2.2.3　ECN的典型解决方案

1. 扁平架构

传统DCN采用三级架构，通常分为“出口—核心—接入”三层或称为“出口—汇聚—接入”，常见以出口层为界限，其上为三层网络，其下为二层网络。此架构简单高效，能够有效地应对中小型规模的组网，且维护便利，但扩展性会受到一定的限制。近年来，在很多大型数据中心和云计算系统中，底层架构正在逐步向Spine-Leaf网络架构演进，以解决扩展性不足的问题。但受限于边缘计算的系统规模，三级架构或Spine-Leaf网络架构在ECN中应用的相对较少，扁平架构应用的更多一些。

扁平架构是指用一套设备完成所有的二层和三层网络功能，如服务器接入、与外网互通、路由寻址等。此方案更适用于小微型ECN，简单高效，不需要太多的扩展性能，即扩展性严重受限。

2. 融合架构

融合架构是融合网络设备，如一台设备集成所有的网络应用，实现路由交换、网络安全、流量监管等功能的技术。目前其主要有两种思路：一种是扩充服务器设备能力，利用集成AI、NP、FPGA、ASIC等芯片的智能网卡，增加二层交换、三层路由，甚至是边界网关等网络功能；另一种是在传统网络设备上，增加集成鲲鹏、ARM、X86处理器的计算板卡，提供更为丰富的计算能力，以实现智能图像识别、DPI、FW等功能。