面向虛擬CDN的5G與MEC融合平臺設計與實現

鄧賢洪，趙朕宇，黃 蓉，張天魁，朱禹濤（.北京郵電大學，北京 00876；.中國聯通研究院，北京 00048；.金磚國家未來網絡研究院中國分院，廣東深圳 58045）

0 引言

隨著超高清（ultra high definition，UHD）視頻、虛擬現實（virtual reality，VR）、增強現實（augmented reality，AR）等新興業務的爆發，內容分發網絡（content delivery network，CDN）節點向網絡邊緣遷移成為CDN 未來架構的演進趨勢［1］。

移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）已經逐漸成為5G 通信技術發展過程中的關鍵技術之一。MEC 技術使應用程序服務器能夠靠近終端設備，從而消除網絡擁塞并減少端到端延遲，有利于許多具有低延遲或/和高帶寬需求的應用（例如：VR、AR 和V2X）［2］。MEC 向用戶提供了許多服務，如計算資源、存儲資源、網絡資源、用戶流量管理和網絡帶寬管理等［3］。MEC 還將虛擬化資源和核心網絡資源進行結合，提供共有與私有相結合的一體化服務。MEC 技術的目的是對云計算進行遷移，并接入網絡邊緣，同時增加存儲、計算以及數據管理、通信等諸多功能，從而為移動終端用戶提供更優質的數據服務與功能，帶寬更高，能夠有效減少網絡負荷，滿足業務及數據對網絡帶寬的實際需求［4］。

傳統CDN 受存儲資源、存儲位置等條件的約束，容易導致節點內設備負載不均衡以及服務時延過長的問題，嚴重影響用戶的業務體驗。且CDN 受制于各種物理資源的隔離導致不易滿足多元化業務的加速需求，無法實現業務的快速部署。vCDN 的出現很好地彌補了傳統CDN 的缺陷。vCDN 是一種使用虛擬化技術的內容交付網絡，能夠根據供應商的需求以動態和可擴展的方式分配虛擬存儲、虛擬機和網絡資源，可作為第三方虛擬應用程序部署在任何數據中心的服務器上，也可部署在任何支持網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）或軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）功能的設備的虛擬機上。而MEC-vCDN 邊緣業務平臺在本地的部署，使其覆蓋范圍內的相關云計算處理均可以在本地直接完成，無需將業務流上傳至匯聚層，再繞經核心網在Internet集中云端完成，因此可以大幅度降低大視頻業務流對核心網和城域網的沖擊，同時降低業務處理時延，提升用戶的視頻業務體驗［5］。5G 作為新一代無線移動通信網絡，主要用于滿足2020年以后的移動通信需求［6］，具有低時延和高帶寬的特點。在5G 標準中，3GPP SA2 下一代網絡構架研究（3GPP TS 23.799）以及5G 系統架構（3GPP TS 23.501）對MEC 給予了支持［7］，能夠進一步助力MEC優化CDN平臺服務。

綜上，為了實現高同步、高帶寬、低時延的視頻流業務，改善傳統CDN 服務的不足，本文提出了面向虛擬CDN的5G和MEC融合平臺設計方案。

1 方案設計

為了實現面向虛擬CDN的5G和MEC融合平臺設計方案，本文分別對5G 平臺和MEC-vCDN 平臺進行設計，技術架構如圖1所示。

圖1 5G-MEC-vCDN總體架構

a）MEC-vCDN 平臺設計。MEC-vCDN 平臺設計架構中主要包括MEC 管理控制節點和MEC 邊緣工作節點，管理控制節點通過API 控制具體工作的部署。具體來說，需要在一個邊緣工作節點上部署CDN 源緩存服務和CDN 網絡代理服務，在其他的邊緣工作節點上部署多個CDN 流分發服務。其中，每個節點都包含一個MEC 網絡管理服務，外界需要通過MEC 網絡管理控制訪問具體的節點，再通過節點的MEC 網絡管理服務進行負載均衡等操作，最后將請求轉發給目標節點的對應服務進行處理。

b）5G 平臺設計。部署包括AMF、SMF、UPF、NRF、UDM、AUSF、PCF、UDR、NSSF、N3IWF等網元，核心網通過UPF 實現內容轉發，UPF 可以在MEC-vCDN邊緣側部署，使終端流量更少地回到核心網繞行，大大降低網絡應用訪問時延；gNB 通過N2 接口與AMF對話連接至核心網，gNB 附近用戶與AMF 對話發起注冊，SMF 對用戶完成注冊后，用戶接入核心網，邊緣側UPF 通過N3 接口將內容轉發給距離最近的gNB，最終通過gNB將拉取的內容轉發到各個用戶。

2 實驗平臺實現方案

為了實現5G 網絡下的MEC-vCDN 融合架構，需要分別搭建5G 平臺和MEC-vCDN。如圖2 和圖3 所示，MEC-vCDN 平臺和5G 網絡平臺分別在服務器S04和S05上搭建，下面將具體介紹這2個平臺。

圖2 功能架構部署圖（5G平臺）

圖3 功能架構部署圖（MEC-vCDN平臺）

2.1 5G架構部署實現

基于5G 平臺設計方案，實現了模擬5G 核心網以及接入網和UE 的搭建工作，實現了5G 網絡中的流量轉發功能演示和性能驗證。為了成功部署擁有各個網元功能模塊的核心網，本項目選擇使用開源項目Free5GC 來部署核心網。本平臺的接入網以及模擬UE 使用openXG 進行搭建。由于openXG 自帶rfsimulator，可以不使用USRP設備實現gNB與UE的連接，極大地方便了驗證平臺的調試。

在平臺具體實現方面，首先在S05 服務器上搭建了3 臺虛擬機（見圖2），分別作為核心網、gNB 以及UE1，并使用虛擬網橋的方式為3 臺虛擬機分配靜態IP。其次還在遠端的筆記本電腦上安裝了圖形化界面的虛擬機UE2，UE2通過橋接模式連接至主機。

主機再通過交換機SW2 連接至機房網絡，這樣UE2 便可連接至機房網絡。具體的部署架構如圖4 所示。

圖4 5G平臺架構部署

2.2 MEC-vCDN平臺部署實現

在MEC-vCDN 平臺設計中，MEC 的實現使用了KubeEdge，vCDN 的實現則使用了簡單實時服務器（Simple Realtime Server，SRS）。在MEC 的實現上，KubeEdge 構建于Kubernetes 之上，采用虛擬化技術，可將本地容器化應用程序編排和設備管理擴展到邊緣主機。在vCDN 平臺構建的選擇上，選用SRS 流媒體服務器，其支持RTMP/WebRTC/HLS/HTTP-FLV/SRT等協議轉換的基本功能。

MEC-vCDN 平臺的功能框架如圖5所示。平臺提供的控制工具包括Web 控制臺、命令行控制工具以及API 服務，通過這些功能可以實現用戶業務下發和狀態信息的收集。

圖5 MEC-vCDN平臺功能框架

3 實驗驗證

基于上述設計與實現，開展了融合平臺的概念驗證與性能評估工作。融合平臺的具體部署方式為：在1 臺高性能服務器上劃分4 臺虛擬機（見圖3），分別作為1 個云端管理節點和3 個邊緣工作節點；使用虛擬網橋的方式為4 臺虛擬機靜態分配IP；云端管理節點通過kubectl 調用API 服務器，進而在工作節點上部署具體工作。實驗內容包括視頻業務服務（拉流與推流等）測試、云邊運維管理以及負載均衡（高并發）測試。

3.1 視頻播放器拉流測試

因為核心網服務器處于實驗室網絡下，所以本實驗中將筆記本直接連接實驗室網絡環境，筆記本中的圖形化界面虛擬機UE2 使用橋接網絡模式與主機連接，連接至實驗室網絡，最后UE2 通過IP 隧道連接至gNB，實現網絡連接。

以下是圖形化界面拉流過程：UE2 連接至核心網并測試轉發情況；在UE2 端添加路由；確認網絡無誤后使用VLC播放器拉流觀看拉流效果。

拉流測試是在UE2 上的VLC 播放器上拉取視頻流直接觀看，通過更改視頻比特率并且觀看拉流效果測試網絡性能。測試了視頻比特率為1 000 kbit/s 的拉流觀看效果，效果非常流暢。

但是當視頻比特率提升后，會出現一些卡頓，再提高比特率則會出現明顯卡頓情況，這是因為虛擬網卡性能不夠且IP 隧道的傳輸性能遠遠低于實際空口的傳輸性能。

3.2 云邊運維管理

在集群的主節點上部署Kubernetes Dashboard 后，可以在瀏覽器中訪問Web 控制面板。在控制面板中，操作人員可以清晰方便地查看多種KubeEdge 資源的使用和部署情況，同時對vCDN 集群中的每個實時視頻服務器進行全生命周期的監控及控制，當需要改變集群的資源配置時，也可以直接在控制臺修改配置文件并下發更新。

3.3 負載均衡測試

為了測試融合平臺的負載均衡能力，本文給出了多路流播放時集群狀態以及節點和POD 的資源利用情況，如圖6 所示（m 表示為千分之一核心使用率，Mi為1 024×1 024 B）。

圖6 節點資源占用變化

通過上述實驗結果可以發現，不論是1路流還是8路流，SRS-Origin 的資源占用并沒有發生顯著變化，也證實了Edge Cluster 實現了合并回源，對于某一路流，不管有多少客戶端播放，Edge Server 都只會從Origin Server 取1 路流，這樣可以通過擴展Edge Cluster 來增加支持的播放能力，從而可以得出CDN 網絡具有高并發能力的結論。

4 結束語

為了改善傳統CDN 服務能力的不足，本文提出了面向虛擬CDN 的5G 與MEC 融合平臺設計方案，并且根據設計方案完成了平臺搭建工作；最后，本文基于平臺進行一系列功能驗證與性能測試，實現了用戶端的遠程推拉流，證明了5G 結合MEC 可以拓展CDN 的高并發能力。