MEC與CDN融合體系架構方案設計研究*

田汶靈 趙朕宇 黃蓉 張天魁

(1.北京郵電大學信息與通信工程學院,北京 100876;2.中國聯合網絡通信有限公司研究院,北京 100048)

0 引言

內容分發網絡(Content Delivery Network, CDN)是解決網絡性能問題的新興網絡加速技術。CDN技術通過在各個地點部署邊緣服務器,使用戶可以快速獲取內容,降低網絡時延。傳統CDN通常部署在固定網絡中,由于應用位置固定、服務資源分配固定、網絡固定等因素,傳統CDN存在部署成本高、服務負載不均、難以靈活處理突發情況等問題[1]。

為了解決傳統CDN存在的缺陷,作為5G關鍵技術之一的移動邊緣計算(Mobile Edge Computing, MEC)被廣泛應用于與CDN技術的融合研究中。MEC能實現CDN邊緣節點的下沉。MEC平臺能為具有低時延、高帶寬需求的業務提供CDN服務,在用戶邊緣提供負載均衡、內容存儲等功能。

本文在調研第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)、國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)和歐洲電信標準化協會(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)等組織邊緣計算技術標準的基礎上,總結并分析了CDN技術的演進歷程及未來發展趨勢,設計了一種基于5G網絡場景的MEC與虛擬內容分發網絡(Virtual Content Delivery Network, vCDN)融合體系架構方案,所提方案利用5G網元將用戶流量轉發到MEC系統,基于MEC平臺部署vCDN應用,支持MEC-vCDN集群與傳統CDN集群兼容并存。

1 CDN技術的演進趨勢

CDN具備內容分發及流量集中化管控的能力。為了解決傳統CDN技術存在的問題,將CDN技術與云計算、邊緣計算、虛擬化技術等互聯網新技術進行融合,是提升CDN服務能力和服務質量的關鍵。

云化CDN指在數據中心的云資源上部署CDN的中心管控、調度、存儲等業務功能,實現云中心對計算資源和存儲資源的統一管控和分配。CDN提供內容分發能力,云中心提供集中計算和存儲能力,CDN與云中心互補發展,相得益彰。

MEC與CDN融合模式指基于MEC平臺部署CDN服務,滿足新型業務低時延、高帶寬等需求,并提供負載均衡、內容存儲等功能[2]。MEC與CDN融合模式將CDN節點下沉至用戶邊緣,采用分布式計算模式,彌補了云化CDN中心負載壓力過大的缺陷。

vCDN指基于網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualization, NFV)技術實現的CDN功能,在CDN節點上應用虛擬化技術,實現實體物理資源的虛擬化,形成虛擬資源池,可以根據業務需求靈活分配網絡、計算和存儲資源[3]。vCDN通過對虛擬化資源的統一管控和調度,彌補了傳統CDN難以按需靈活釋放和劃分資源的缺陷,提高了傳統CDN的資源利用率和管控效率。

MEC與vCDN融合模式指基于MEC平臺部署vCDN服務,通過vCDN技術將邊緣節點進行虛擬化,將CDN服務能力擴展到邊緣,依靠MEC達到對vCDN能力的統一調度與編排,并形成虛擬CDN服務資源池[4](見圖1)。這不僅實現了vCDN節點的下沉,還實現了CDN虛擬化資源的統一管控和靈活調度,提升了CDN服務能力。

圖1 基于MEC平臺部署vCDN

隨著未來新興業務的發展,應用需求也逐漸朝著更高帶寬、更低時延、靈活交互的方向推進。從CDN技術的演進歷程可以看出:為了滿足不斷演進的業務需求,一方面,CDN技術需要借助MEC平臺實現服務下沉,實現應用在邊緣的分布式部署;另一方面,MEC與CDN融合模式需要進一步向虛擬化演進,從而實現MEC與CDN資源的靈活分配與統一管理,提升CDN的服務能力與服務質量(見圖2)。

圖2 CDN技術演進趨勢

目前,針對MEC與CDN融合的研究仍缺乏對兩者關系的探討,部分研究考慮基于MEC部署整個CDN系統,MEC系統負責所有CDN節點的管理。本文考慮物理CDN仍存在的情況,CDN節點的尋址離不開CDN全局負載均衡器(Global Server Load Balancing, GSLB),MEC管理層與傳統CDN管理層應互相解耦且存在信息交互,MEC管理層能協助CDN GSLB完成邊緣CDN節點尋址過程。針對以上問題,本文設計了5G網絡場景下的MEC與CDN融合體系架構:將MEC-vCDN集群定義為基于MEC部署了vCDN服務功能的節點集群;將傳統CDN集群定義為不依賴MEC部署的物理CDN節點集群。本文中的MEC與CDN融合體系架構考慮MEC-vCDN集群與傳統CDN集群兼容并存。

2 MEC與CDN融合體系架構設計

2.1 架構特點

本文提出一個5G網絡場景下的MEC與CDN融合體系架構,該架構參考CDN技術演進趨勢,為服務提供商提供一個5G網絡下輕量級的MEC與CDN融合解決方案,將服務擴展到網絡邊緣。MEC與CDN融合體系架構具有以下特點。

在部署架構上,一方面結合5G網絡場景,充分利用5G網絡對MEC的技術加持,利用5G特有網元實現用戶流量轉發;另一方面對MEC-vCDN集群與傳統CDN集群進行兼容設計,實現多種類型CDN集群間的相互通信。在功能架構上,一方面實現邊緣MEC-vCDN集群在特殊情況下的自治,在邊緣集群內部署邊緣數據庫和管理平臺,以提升邊緣服務節點及數據信息的管控效率;另一方面實現MEC與CDN管理平臺的解耦,保證架構設計的靈活性,便于實際部署,有利于架構的可持續發展與更新迭代。

2.2 部署位置

MEC服務器需要在網絡不同位置提供vCDN服務(見圖3),本架構有3個可選的位置來實現MEC-vCDN部署[5]。

圖3 5G場景下MEC與CDN融合體系架構圖

一是用戶附近,距離終端用戶最近(小于5 km)[6]。為了給用戶提供更快、更穩定的服務,該位置的部署應實現全用戶覆蓋,其覆蓋面最廣,所需部署的集群節點數量最多。

二是接入網附近,距離終端用戶為5～10 km[6]。MEC-vCDN部署于基站和聚合網之間,該位置一般是人口密集的熱點地區,在此部署集群通常能夠緩解基站附近的邊緣集群服務壓力,輔助基站附近的邊緣集群處理大型業務,故其覆蓋面積需求較大,所需部署的集群節點數量較多,時延較低,適合區域面積較大的場館。

三是聚合網附近,距離終端用戶為50～100 km[6]。該位置更靠近核心網,相對接入網部署時延更高,聚合網的集群部署適用于處理區域性業務及公眾性業務,在用戶覆蓋方面更具有針對性,所需部署的集群節點數量較少。

在理想情況下,為了節約成本并充分利用資源,聚合網是部署MEC-vCDN節點的最佳位置[6],但對于具有超高帶寬和超低時延需求的新興服務,例如車輛互聯網或工業工廠,選擇接入網部署更合適。

2.3 集群功能

為了實現節點分層部署及不同CDN節點兼容的特點,MEC與CDN融合體系架構主要包含MEC-vCDN中心節點集群、CDN集群和MEC-vCDN邊緣節點集群三大集群。

MEC-vCDN中心節點集群負責所有集群間的負載均衡和全局管控,當MEC-vCDN邊緣節點集群服務壓力過載時,用戶向中心節點拉去內容請求。該集群主要模塊及其功能如下。

(1)MEC中心編排管理:基于基礎設施管理器提供的硬件/軟件資源,實現資源的分配和編排;為vCDN管理節點提供基礎設施資源、網絡資源以及域名系統(Domain Name System, DNS)規則等,接收來自中心vCDN管理節點的資源分配請求,將資源分配響應返回給中心vCDN管理節點,并實現所有MEC-vCDN邊緣編排管理的統一管控。

(2)vCDN管理節點:管理用戶業務需求,維護vCDN節點配置模板,通過與中心數據庫以及MEC管理節點交互資源請求信息、資源狀態維護信息等,從而實現對vCDN服務節點進行應用創建、監控等的統一管理功能。

(3)vCDN服務節點:提供開放的vCDN應用功能,向vCDN管理節點反饋應用狀態信息等。

(4)中心數據庫:負責存儲和管理所有的用戶信息、CDN應用模板、CDN緩存內容等。

CDN集群部署在互聯網周圍,不依托于MEC平臺或虛擬化技術進行部署,即未實現邊緣下沉的物理CDN集群。該集群主要模塊及其功能如下。

(1)CDN GSLB:負責CDN節點的全局流量控制和調度,監控物理CDN服務節點的性能和狀態,接收來自物理CDN服務節點的服務請求。

(2)物理CDN服務節點:提供開放的CDN服務功能,如內容分發、內容加速;能夠與MEC-vCDN邊緣節點集群交互,進行緩存的拉取和推送。

(3)CDN數據庫:存儲并管理物理CDN關聯的用戶信息、用戶應用上下文等。

MEC-vCDN邊緣節點集群依托于MEC平臺部署的vCDN邊緣節點集群,實現vCDN節點的下沉。該集群中各模塊及其功能如下。

(1)MEC邊緣編排管理:基于基礎設施管理器提供的硬件/軟件資源,實現資源的分配和編排;為vCDN管理節點提供邊緣基礎設施資源、網絡資源以及DNS規則等;接收來自邊緣vCDN管理節點的資源分配請求,將資源分配響應返回給邊緣vCDN管理節點,并實現所有vCDN邊緣節點的統一管控。

(2)vCDN管理節點:管理并維護集群所關聯用戶的業務,通過與邊緣數據庫以及邊緣MEC管理節點交互資源請求信息、資源狀態維護信息等,實現vCDN服務應用的創建、維護和終止等功能。

(3)vCDN服務節點:提供開放的CDN服務功能,向vCDN管理節點反饋當前狀態信息等。

(4)邊緣數據庫:負責存儲和管理邊緣節點集群上關聯用戶的CDN請求內容、關聯用戶信息等,在出現特殊情況時,如中心MEC-vCDN集群鏈路網絡存在故障,能依靠數據庫信息實現邊緣節點集群的自治。

2.4 分層體系

MEC-vCDN融合體系架構采用分層思想(見圖4),考慮MEC-vCDN集群與傳統CDN集群的兼容并存。傳統的物理CDN節點通常部署在城域網,MEC-vCDN邊緣節點則部署在聚合網或接入網等更靠近用戶的位置[7]。CDN GSLB和MEC中心編排管理間可進行信息交互與協作,MEC中心編排管理可以為CDN GSLB提供位置信息、無線網絡信息、基礎設施資源信息等;CDN GSLB可根據用戶需求將服務請求路由至MEC中心編排管理,由MEC-vCDN節點為用戶提供服務,從而更好地滿足用戶需求。

圖4 MEC-vCDN分層體系

2.5 5G網絡支持

在5G場景下的MEC與CDN融合體系架構中,5G網元用戶平面功能(User Plane Function, UPF)負責將邊緣網絡的流量分發到MEC系統,MEC系統作為一個應用功能與5G網絡開放功能交互。5G接入和移動管理功能負責為MEC提供通信服務,5G允許MEC作為應用功能來控制流量策略、管理協議數據單元會話,并訂閱會話管理事件的通知。

MEC和5G網絡在各自性能提升上相輔相成。一方面,基于5G網絡在可靠性、數據速率、時延等方面的大幅提升,MEC的流量可直接通過5G邊緣的UPF網元轉發到互聯網,極大降低了用戶訪問時延。同時,MEC系統也能利用5G網絡公開的關鍵網絡功能,為MEC應用提供附加網絡服務。另一方面,MEC也極大地滿足了5G場景下新興應用需要對大容量、大規模數據做本地化處理的需求,從而滿足5G網絡低時延、高帶寬的需求。

3 MEC-vCDN集群功能架構

基于MEC與CDN融合體系架構三大集群的部署方式和相互作用關系,從應用功能角度對MEC-vCDN系統功能進行分層細化和抽象[8]。圖5展示了MEC-vCDN功能體系結構,該功能體系結構可分為MEC-vCDN管理控制平臺和MEC服務基礎設施平臺,實現底層資源和上層管理控制功能的分離與交互。

圖5 MEC-vCDN功能體系結構

3.1 MEC-vCDN管理控制平臺

MEC-vCDN管理控制平臺用于接收來自用戶的業務,并對資源進行編排管理,以提供相應的服務。該平臺主要分為MEC-vCDN業務管理平臺和MEC資源編排管理平臺。

3.1.1 MEC-vCDN業務管理平臺

MEC服務管理負責接收管理員的管理信息,并與CDN服務管理功能塊、DNS服務功能塊、中心數據庫交互信息,從而為CDN服務管理功能塊提供包括網絡服務定制、虛擬資源劃分等服務功能,具體包括vCDN節點的創建、維護和終止、流量管理、無線網絡信息服務管理等。

CDN服務管理負責接收來自管理員對CDN應用的業務管理指令等,并與MEC服務管理功能塊、DNS服務功能塊、中心數據庫交互管理信息等,對CDN服務實施管理,具體包括內容緩存、內容分發、用戶注冊、用戶服務質量定制等[9]。

DNS服務負責處理用戶提出的DNS請求,根據接收到的DNS查詢請求,對相應的vCDN服務節點所暴露的IP及端口等進行反饋[10]。其中,DNS的服務規則可以通過固定配置文件來制定,或由CDN提供商根據當前vCDN服務資源狀態以及自設定算法來靈活制定。

中心數據庫提供數據查詢與存儲服務,主要存儲用戶服務信息、應用容器模板、資源實時狀態信息以及CDN內容信息(例如圖片、文件、音視頻等)等。

3.1.2 MEC資源編排管理平臺

MEC虛擬資源管理編排器根據從MEC基礎設施平臺接收到的資源實時狀態信息,結合MEC-vCDN業務管理平臺下發的用戶業務需求,為應用程序編排、分配虛擬資源。

MEC虛擬資源控制器與MEC虛擬資源管理編排器交互管理信息,并向MEC服務基礎設施下發具體的管理業務。

3.2 MEC服務基礎設施平臺

MEC服務基礎設施平臺包含了三大功能塊,分別是底層物理資源庫、MEC虛擬資源庫以及資源虛擬化平臺,負責將MEC系統中可用的物理資源進行虛擬化,并對其進行管理,支撐MEC-vCDN應用程序的運行。各模塊功能如下。

底層物理資源庫:存儲物理計算資源、存儲資源和網絡資源,如運營商或廠商提供的存儲、計算服務器和網絡設備等;支持物理資源虛擬化,可被資源虛擬化平臺抽象為多個虛擬資源單元。

MEC虛擬資源庫:存儲各種已虛擬化的物理資源,如計算機、虛擬存儲空間、虛擬網絡交換機等;可分為多個虛擬資源單元,虛擬資源單元的能力通常以硬件配置、可用性、可伸縮性、可管理性等來表示。

資源虛擬化平臺:具有資源管理功能和資源控制功能,實現對物理資源庫和虛擬資源庫的管理。資源管理功能實時監控虛擬資源庫和物理資源庫中的資源狀態信息,并將資源狀態信息反饋給MEC資源編排管理功能塊;資源控制功能根據接收到的業務管理指令,基于當前全局資源狀態信息,控制底層物理資源,進行虛擬資源的轉換、生成或釋放。

本功能架構對MEC與CDN融合體系架構中各集群的資源管理能力和業務編排能力進行抽象分層化表示,實現底層基礎設施和上層管理平臺的功能分離與信息交互,有利于CDN+MEC融合體系架構業務功能的開放及資源編排的統一。

4 實驗驗證

為驗證MEC-vCDN融合體系架構的可行性,本文對該架構各模塊進行了簡化部署,分為5G網絡模塊以及MEC-vCDN模塊。其中,5G網絡模塊需要搭建5G虛擬用戶設備(User Equipment, UE)、5G基站以及5G核心網。5G網絡模塊選擇使用開源項目free5GC來部署核心網,接入網和模擬UE使用OpenXG平臺進行搭建。在MEC-vCDN模塊的搭建中,MEC的實現使用KubeEdge,vCDN的實現使用簡單實時服務器(Simple Real-time Server, SRS)。

在服務器A上搭建三臺Ubuntu 18.04操作系統的虛擬機,分別作為5G核心網、5G基站以及安裝VLC視頻播放器的用戶端。在服務器B上搭建四臺CentOS 7操作系統虛擬機,分別作為一個中心管理節點和三個邊緣工作節點。用戶請求業務流程為:用戶通過基站接入5G網后,通過5G網元將視頻播放請求轉發到MEC上的CDN節點進行處理,用戶端通過VLC播放器拉取視頻流直接觀看。

本文通過實驗測試了在核心網虛擬機端輸入網絡轉發命令后5G的網絡轉發性能,用戶端向百度服務器發送數據包的平均時延為0.028 s,可驗證5G網絡轉發成功且性能不錯。通過部署Kubernetes Dashboard控制面板,實現了對MEC-vCDN集群中節點生命周期的監控,控制面板可查看或修改多種KubeEdge資源的使用和調度情況,驗證了所提方案中MEC-vCDN管理控制平臺的功能。此外,實驗測試了視頻比特率為2 500 kbit/s時用戶端的拉流觀看效果,結果顯示用戶端可以流暢觀看視頻,驗證了所提方案能支持基于MEC部署的CDN視頻流業務正常運行。在本視頻拉流實驗中建立一次傳輸控制協議連接所需時間為0.001 s,總共花費時間為0.115 s?？梢缘贸霰疚乃岱桨冈趯嶋H用戶端的拉取視頻流時延很小,驗證了本文的MEC與CDN融合體系架構方案通過將CDN節點下沉至用戶邊緣,極大地降低了業務請求時延。

5 結束語

本文在總結CDN技術演進歷程及未來發展趨勢的基礎上,分析了MEC與CDN技術融合的意義與價值;結合現有研究的進展,提出了5G場景下的MEC-vCDN融合體系架構。該架構支持MEC-vCDN集群與傳統CDN集群兼容,考慮了MEC與CDN管理層的交互。同時,本文對架構各模塊功能進行了平臺部署驗證,結果表明所提架構能保證MEC中vCDN應用業務的正常執行,且極大地降低了用戶請求時延,提升了用戶服務體驗。