中國聯(lián)通研究院陳杲，龐冉，何濤，曹暢

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）是一種分布式服務(wù)器的系統(tǒng)，它可以根據(jù)用戶的地理位置、內(nèi)容傳遞服務(wù)器的狀態(tài)和IP網(wǎng)絡(luò)連接等預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)，向用戶傳遞內(nèi)容（如網(wǎng)頁、文件、視頻、音頻）^[1]。5G時代，互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)更加扁平化，而且隨著終端設(shè)備指數(shù)級增長和AV/VR、云游戲、沉浸式通信和AIGC等對帶寬、時延和計算要求極高的新視頻業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，傳統(tǒng)CDN已無法支撐這些業(yè)務(wù)所需要的數(shù)據(jù)處理需求^[2]：首先傳統(tǒng)CDN的PoP（Pointof Present）節(jié)點大部分仍然部署在核心路由器（Core Router，CR）、業(yè)務(wù)路由器（Service Router，SR）附近，即CDN PoP節(jié)點的部署位置在網(wǎng)絡(luò)上屬于偏上位置，直接導(dǎo)致用戶請求的內(nèi)容傳輸時延較大，一般適用于站點加速、直播、點播等實時性要求不高的傳統(tǒng)視頻應(yīng)用。其次傳統(tǒng)CDN系統(tǒng)由于存在存儲、計算及網(wǎng)絡(luò)資源的業(yè)務(wù)隔離要求，在實際部署應(yīng)用時一般只為一種業(yè)務(wù)對象（例如網(wǎng)頁、流媒體視頻等）提供加速分發(fā)服務(wù)，而不是同時提供混合業(yè)務(wù)服務(wù)。為滿足互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)多元化業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，實際上需要配置多個平行的CDN為不同業(yè)務(wù)對象提供服務(wù)，顯然這種模式導(dǎo)致CDN系統(tǒng)建設(shè)成本增加，而且節(jié)點的服務(wù)效率和資源利用率低下。5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商用已經(jīng)促使CDN架構(gòu)發(fā)生改變，例如CDN節(jié)點將會從CR、SR向網(wǎng)絡(luò)邊緣下沉遷移。新視頻業(yè)務(wù)也催化技術(shù)融合，例如CDN通過融合云計算、邊緣計算、5G/5G-A、算力網(wǎng)絡(luò)和AI等新技術(shù)，顯著提高了CDN的服務(wù)效率和服務(wù)能力，傳統(tǒng)CDN網(wǎng)絡(luò)向CDN算力網(wǎng)絡(luò)快速演進(jìn)^[3]。

邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）是實現(xiàn)CDN節(jié)點進(jìn)一步下沉的關(guān)鍵，例如CDN節(jié)點作為第三方應(yīng)用部署到MEC平臺，利用MEC平臺為高帶寬、低時延類視頻業(yè)務(wù)提供高質(zhì)量的內(nèi)容分發(fā)服務(wù)、內(nèi)容存儲和緩存、局部負(fù)載均衡與調(diào)度等^[4]。MEC CDN節(jié)點與傳統(tǒng)CDN PoP節(jié)點的區(qū)別在于，MEC CDN可以解決傳統(tǒng)CDN網(wǎng)絡(luò)中PoP節(jié)點無法下沉到移動網(wǎng)絡(luò)中的痛點，并在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣提供強(qiáng)大的計算能力，為CDN業(yè)務(wù)及相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展注入新的活力，例如目前中國移動已經(jīng)將CDN作為移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，有效推動了5G網(wǎng)絡(luò)高質(zhì)量發(fā)展^[3]。MEC CDN的關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)是虛擬內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Virtual Content Delivery Network，vCDN），同時基于MEC平臺來部署vCDN，不僅能實現(xiàn)vCDN PoP節(jié)點的下沉部署，而且能實現(xiàn)CDN的虛擬化資源在MEC平臺進(jìn)行統(tǒng)一管控和靈活調(diào)度，實現(xiàn)計算和網(wǎng)絡(luò)資源的最大化利用，提升CDN服務(wù)容量與服務(wù)質(zhì)量。下面本文將對vCDN和MEC vCDN進(jìn)行詳細(xì)分析和說明。

1  虛擬化CDN（vCDN）

傳統(tǒng)CDN受限于各種物理資源的隔離導(dǎo)致無法滿足多元化業(yè)務(wù)的加速需求，而且無法按需對資源實現(xiàn)彈性擴(kuò)縮容，而vCDN技術(shù)很好地解決了上述問題。

1.1　vCDN實現(xiàn)模式

vCDN是一種使用虛擬化技術(shù)的內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò)，能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需求以動態(tài)和可擴(kuò)展的方式分配虛擬存儲、虛擬機(jī)和網(wǎng)絡(luò)資源，可作為第三方虛擬應(yīng)用程序部署在任何數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器或任何支持網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）或軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）功能的設(shè)備上。在CDN節(jié)點上應(yīng)用虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)資源虛擬化，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)地分配計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源^[5]。vCDN可以采用虛擬機(jī)或容器兩種實現(xiàn)模式，如圖1所示。

圖1 虛擬機(jī)和容器部署方式對比

（1）虛擬機(jī)模式：CDN服務(wù)應(yīng)用是在虛擬服務(wù)器上運行，虛擬機(jī)為CDN服務(wù)應(yīng)用提供完整的類似于物理服務(wù)器的運行環(huán)境。基于虛擬機(jī)的虛擬化方式，每臺虛擬機(jī)擁有獨立的操作系統(tǒng)，相對應(yīng)地就有獨立的內(nèi)核，會占用物理主機(jī)的大量系統(tǒng)資源，且遷移運行在虛擬機(jī)上的應(yīng)用程序時，還需要遷移操作系統(tǒng)。相對容器模式，虛擬機(jī)隔離性更好，但是創(chuàng)建或啟動等操作更加消耗資源^[6]。由于本地公共主機(jī)提供的軟硬件資源無法被不同的vCDN應(yīng)用程序共享，所以vCDN的性能也會受到一定的限制。

（2）容器模式：CDN應(yīng)用程序被封裝到容器（如Docker），而不是虛擬機(jī)中運行。基于容器的虛擬化方式是指一臺物理服務(wù)機(jī)上的多個容器共享物理機(jī)的系統(tǒng)資源和操作系統(tǒng)。由于不是運行在獨立的操作系統(tǒng)上，所以基于容器，可以更快速、有效地部署應(yīng)用程序。相比于虛擬機(jī)模式，容器模式下的vCDN應(yīng)用可以共享本地主機(jī)的硬件和軟件資源，具有快速啟動、輕量級部署、動態(tài)伸縮等優(yōu)點。

一般來說，虛擬機(jī)和容器模式各有優(yōu)劣及特點，所以在實際的vCDN部署場景中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景合理選擇部署方案。隨著云計算技術(shù)的發(fā)展，尤其是云原生技術(shù)的逐漸成熟，容器模式目前成為vCDN的主要部署模式，本文搭建的MEC CDN原型系統(tǒng)也是采用容器模式。

1.2　基于MEC的vCDN

為了滿足新視頻業(yè)務(wù)發(fā)展需求，CDN需要基于MEC平臺進(jìn)行部署，不僅可以實現(xiàn)CDN PoP節(jié)點的進(jìn)一步下沉，而且可以依托MEC實現(xiàn)vCDN PoP節(jié)點的編排與調(diào)度，形成vCDN PoP節(jié)點資源池，對資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和靈活分配，如圖2所示。

圖2 基于MEC平臺部署vCDN

業(yè)界對于MEC和CDN的節(jié)點融合實現(xiàn)方案主要分為兩大類：

一類是電信運營商方案，特點是為了充分利用電信運營商網(wǎng)絡(luò)能力，將vCDN作為一項應(yīng)用程序部署在MEC平臺上。電信運營商的MEC平臺可作為邊緣網(wǎng)絡(luò)出口，也可部署在無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，具備移動通信網(wǎng)絡(luò)能力開放能力，所以將CDN虛擬化部署在MEC平臺，可以更好地利用網(wǎng)絡(luò)能力，內(nèi)容更加靠近用戶，能夠更快速地響應(yīng)用戶業(yè)務(wù)請求。如圖3所示，中國聯(lián)通在深圳進(jìn)行了基于MEC的vCDN邊緣加速試點驗證，通過MEC邊緣云與部署在云端的DNS、CDN及移動客戶端聯(lián)動，借助MEC平臺將移動vCDN下沉到運營商的邊緣數(shù)據(jù)中心^[7]。

圖3 中國聯(lián)通基于MEC的CDN邊緣加速方案

中國電信北京研究院在杭州開展了基于MEC+CDN邊緣加速性能技術(shù)驗證工作，設(shè)計了MEC+CDN邊緣加速方案，并與互聯(lián)網(wǎng)方案進(jìn)行對比：MEC邊緣云平臺部署在基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）端，包括了流量卸載（Traffic Offload，TOF）模塊和vCDN邊緣服務(wù)。與互聯(lián)網(wǎng)方案中將流量傳輸?shù)紺DN二級節(jié)點進(jìn)行內(nèi)容獲取或處理的相比較，本方案是通過MEC TOF模塊分流至vCDN，然后再由vCDN提供UHD-VR直播/點播業(yè)務(wù)的邊緣服務(wù)^[8]。

另一類是互聯(lián)網(wǎng)廠商方案，包括兩個主要的方向：一是自建MEC邊緣節(jié)點或者利用電信運營商對外提供服務(wù)的MEC邊緣節(jié)點，在MEC平臺上提供包括vCDN服務(wù)。二是對現(xiàn)有CDN PoP節(jié)點進(jìn)行邊緣計算改造，以開放CDN PoP節(jié)點的緩存和網(wǎng)絡(luò)能力。例如網(wǎng)宿科技CDNPro為用戶提供可編程式CDN交互服務(wù)，將業(yè)務(wù)應(yīng)用下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，不僅集成了媒體處理服務(wù)，還提供邊緣計算能力，同時也包含內(nèi)容管理、安全交付等功能^[9]。如圖4所示，阿里云邊緣節(jié)點服務(wù)（EdgeNodeService，ENS）基于電信運營商邊緣節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，一站式提供“融合、開放、聯(lián)動、彈性”的分布式算力資源，幫助用戶將CDN在內(nèi)的各項業(yè)務(wù)下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣^[10]。

圖4 阿里云CDN邊緣節(jié)點升級架構(gòu)

總之，對于將CDN容器化并部署在MEC平臺上，電信運營商和互聯(lián)網(wǎng)廠商各有優(yōu)勢：對于電信運營商，CDN可以進(jìn)一步下沉，例如MEC平臺部署到5G基站之后。如何基于通信網(wǎng)絡(luò)資源（如利用網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障能力、提供邊緣組網(wǎng)能力等），提供并管理CDN服務(wù)和邊緣計算服務(wù)，是電信運營商在CDN系統(tǒng)發(fā)展上的一個重要關(guān)注點；互聯(lián)網(wǎng)廠商的CDN的節(jié)點分布是全球化的，可以支持跨國業(yè)務(wù)，同時CDN服務(wù)和業(yè)務(wù)管理本身更加成熟。由于受限于CDN節(jié)點部署位置無法深入網(wǎng)絡(luò)，所以互聯(lián)網(wǎng)廠商更加關(guān)注如何利用現(xiàn)有CDN資源，為用戶提供更加個性化的CDN服務(wù)，例如可編程CDN服務(wù)。

2　MEC vCDN的部署模式

如果MEC vCDN與傳統(tǒng)CDN的部署模式一樣，即不需要與已有的CDN系統(tǒng)對接，而是獨立地為某個特定對象提供服務(wù)，那么MEC vCDN只是作為一套獨立的CDN系統(tǒng)進(jìn)行部署，不需要與已有的CDN交互和對接。反之，如果MEC vCDN部署后需要與已有的CDN系統(tǒng)進(jìn)行對接，那么需要提前對MEC vCDN節(jié)點的角色和功能進(jìn)行定義，包括與原有的CDN節(jié)點的邏輯關(guān)系需要明確。

2.1　ITU MEC CDN

針對上述情況，ITU SG16對于MEC CDN（MEC enabled CDN）與已有的CDN系統(tǒng)如何對接，從MEC CDN節(jié)點功能、接口、開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和QoS等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析和功能標(biāo)準(zhǔn)化工作^[11-13]，其中ITU對于基于MEC的vCDN節(jié)點與傳統(tǒng)已有的CDN關(guān)系如圖5所示。

圖5 ITU MEC CDN標(biāo)準(zhǔn)定義的聯(lián)合部署方式示意圖

由圖5可以看到MEC CDN系統(tǒng)由上到下可分為以下三個級別^[11]：

（1）服務(wù)管理級

CDN中心節(jié)點與MEC MANO（Management and Orchestration）是互相連接的。MECMANO系統(tǒng)接收來自CDN管理系統(tǒng)的服務(wù)編排請求，以保留創(chuàng)建MEC CDN節(jié)點所需的資源。CDN管理系 統(tǒng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中運行的所有CDN節(jié)點，包括MEC CDN節(jié)點。此外，已有CDN的GSLB（Gloabl Server Load Balance）用于重定向內(nèi)容請求，并為最終用戶選擇最合適的CDN邊緣節(jié)點，包括MEC CDN節(jié)點。

（2）服務(wù)分發(fā)級

CDN聚合節(jié)點可幫助將內(nèi)容從中心節(jié)點分發(fā)到邊緣節(jié)點。在某些實現(xiàn)中，如果CDN服務(wù)覆蓋了有限的小區(qū)域，則沒有聚合節(jié)點。

（3）邊緣服務(wù)級

CDN邊緣節(jié)點接收來自終端用戶的內(nèi)容請求，并將相關(guān)的媒體流傳遞給終端用戶。傳統(tǒng)的CDN邊緣節(jié)點被部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣，但MEC CDN節(jié)點可以部署在更接近最終用戶的地方，如聚合網(wǎng)絡(luò)或接入網(wǎng)絡(luò)。因此，已有傳統(tǒng)的CDN邊緣節(jié)點可以看作是MEC CDN節(jié)點的上級節(jié)點。MEC CDN節(jié)點的生命周期由MEC MANO根據(jù)CDN管理系統(tǒng)的要求進(jìn)行處理。

總之，從MEC CDN與原有CDN系統(tǒng)對接配合而言，ITU SG16認(rèn)為MEC CDN節(jié)點是部署在MEC系統(tǒng)上的vCDN。CDN系統(tǒng)的所有節(jié)點，包括原有的CDN節(jié)點和新增的MEC CDN節(jié)點，都是由CDN平臺統(tǒng)一調(diào)度管理，而MEC平臺只負(fù)責(zé)執(zhí)行CDN節(jié)點的鏡像管理、實例創(chuàng)建、網(wǎng)絡(luò)配置、可視化管理等功能。

2.2　原型系統(tǒng)搭建

根據(jù)上述基于MEC的vCDN概念和架構(gòu)，我們提出了一種5G MEC vCDN系統(tǒng)驗證平臺的設(shè)計實現(xiàn)方案，其中系統(tǒng)模塊包括5G網(wǎng)絡(luò)、邊緣計算和CDN平臺等，相關(guān)模塊的功能描述和計劃采用的開源平臺如表1所示。通過軟件模擬推流和流媒體播放器拉流播放，我們可以基于該系統(tǒng)原型進(jìn)行直播、點播等流媒體業(yè)務(wù)測試，例如通過終端發(fā)起的視頻點播放請求，流媒體服務(wù)端能夠進(jìn)行響應(yīng)，并通過5G模擬網(wǎng)絡(luò)將媒體流傳輸?shù)浇K端。

本系統(tǒng)原型需要搭建模擬的5G核心網(wǎng)以及接入網(wǎng)和UE（User Equipment）來模擬5G網(wǎng)絡(luò)的流量轉(zhuǎn)發(fā)，如圖6所示：對于5G核心網(wǎng)，包括AMF、SMF、UPF、NRF、UDM、AUSF、PCF、UDR、NSSF、N3IWF等網(wǎng)元。5G核心網(wǎng)通過UPF實現(xiàn)內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)，UPF可以在MEC-vCDN邊緣側(cè)部署，使終端流量更少地回到核心網(wǎng)繞行，大大降低了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用訪問時延。我們選擇使用開源項目free5GC來部署核心網(wǎng)。free5GC是一個針對第五代（5G）移動的核心網(wǎng)絡(luò)的開源項目，目標(biāo)是實現(xiàn)3GPPRelease15（R15）及以后版本中定義的5G核心網(wǎng)絡(luò)（5G Core）^[14]。接入網(wǎng)以及模擬UE使用openXG進(jìn)行搭建。openXG是由OS-RAN社區(qū)所孵化的面向未來XG通信的開源軟件及硬件項目，旨在形成端到端完全開源的開源無線通信系統(tǒng)。由于openXG自帶rfsimulator，可以實現(xiàn)不使用USRP設(shè)備實現(xiàn)gNB與UE的連接，極大地方便了驗證平臺的調(diào)試^[15]。

表1 5G MEC vCDN系統(tǒng)原型組件和開源項目

圖6 5G網(wǎng)絡(luò)模塊部署示意圖

在MEC的實現(xiàn)上，我們采用華為開源的Kube Edge平臺。Kube Edge是一個開源系統(tǒng)，用于將容器化應(yīng)用程序編排功能擴(kuò)展到Edge的主機(jī)。它基于Kubernetes構(gòu)建，并為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序提供基礎(chǔ)架構(gòu)支持、云和邊緣之間的部署和元數(shù)據(jù)同步^[16]。在vCDN模塊構(gòu)建的選擇上，我們選擇國內(nèi)開源的SRS（Simple RealtimeServer）項目，因為其可以通過適當(dāng)?shù)呐渲脤⒎?wù)器區(qū)分為源站服務(wù)器和邊緣側(cè)服務(wù)器。同時，SRS不僅支持運營級的互聯(lián)網(wǎng)直播服務(wù)器集群，而且支持多種流媒體協(xié)議（RTMP/WebRTC/HLS/HTTP-FLV/SRT）和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能^[17]。SRS支持以容器集群的方式部署，支持Docker鏡像、K8s部署、可觀測性日志和監(jiān)控指標(biāo)等等。基于上述系統(tǒng)組件，我們在中國聯(lián)通研究院主語網(wǎng)絡(luò)實驗室進(jìn)行了實際的系統(tǒng)搭建，MEC vCDN原型系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署如圖7所示。

圖7 MEC vCDN原型系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署示意圖

基于上述系統(tǒng)原型平臺，在5G模擬網(wǎng)絡(luò)的功能測試上，我們驗證了UE-基站-核心網(wǎng)的連接建立以及5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的媒體流傳輸過程。在MEC-vCDN模塊測試上，我們完成MEC邊緣網(wǎng)絡(luò)、MEC vCDN、業(yè)務(wù)日志等相關(guān)功能測試，以及CDN推拉流和拉流多路并發(fā)的流程測試。總之，通過上述實驗，我們驗證了CDN PoP節(jié)點（Edge  Cluster）完成了回源合并：CDN中繼節(jié)點（這里是源站，SRS-Oringin）的資源占用沒有明顯的計算消耗變化。

3　結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，特別是云原生、邊緣計算、人工智能等技術(shù)在游戲、視頻、電子商務(wù)、工業(yè)制造、交通物流等行業(yè)的規(guī)模應(yīng)用，使得CDN已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的重要組成部分。CDN正在從傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容交付服務(wù)，向針對互聯(lián)網(wǎng)資源提供有效管理服務(wù)的方向演進(jìn)，例如實現(xiàn)多媒體算力和分發(fā)能力綜合調(diào)度，支持邊緣渲染和邊緣推理。

從電信運營商的角度，我們需要基于CDN來打造電信運營商網(wǎng)絡(luò)能力的通用綜合使能框架，整合利用廣域確定性網(wǎng)絡(luò)、端到端切片、網(wǎng)絡(luò)組播、多路徑IP、SRv6等網(wǎng)絡(luò)能力，打破現(xiàn)有業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)相互獨立的局面，統(tǒng)一實現(xiàn)內(nèi)容入網(wǎng)和媒體流智能識別，實現(xiàn)對各種視頻業(yè)務(wù)的統(tǒng)一承載。

作者簡介：

陳　杲，高級工程師，博士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，主要從事邊緣計算方面的相關(guān)技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)化工作。

龐　冉，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，主要從事下一代互聯(lián)網(wǎng)、IPv6+和算網(wǎng)融合相關(guān)核心技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)化工作。

何　濤，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，主要從事下一代互聯(lián)網(wǎng)IPv6+相關(guān)核心技術(shù)研究及標(biāo)準(zhǔn)化工作。

曹　暢，教授級高級工程師，博士，現(xiàn)就職于中國聯(lián)通研究院，主要從事未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、算力網(wǎng)絡(luò)等前沿技術(shù)研究工作。

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