MEC与CDN融合体系架构方案设计研究*

田汶灵 赵朕宇 黄蓉 张天魁

(1.北京邮电大学信息与通信工程学院,北京 100876;2.中国联合网络通信有限公司研究院,北京 100048)

0 引言

内容分发网络(Content Delivery Network, CDN)是解决网络性能问题的新兴网络加速技术。CDN技术通过在各个地点部署边缘服务器,使用户可以快速获取内容,降低网络时延。传统CDN通常部署在固定网络中,由于应用位置固定、服务资源分配固定、网络固定等因素,传统CDN存在部署成本高、服务负载不均、难以灵活处理突发情况等问题[1]。

为了解决传统CDN存在的缺陷,作为5G关键技术之一的移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)被广泛应用于与CDN技术的融合研究中。MEC能实现CDN边缘节点的下沉。MEC平台能为具有低时延、高带宽需求的业务提供CDN服务,在用户边缘提供负载均衡、内容存储等功能。

本文在调研第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)、国际电信联盟(International Telecommunication Union, ITU)和欧洲电信标准化协会(European Telecommunications Standards Institute, ETSI)等组织边缘计算技术标准的基础上,总结并分析了CDN技术的演进历程及未来发展趋势,设计了一种基于5G网络场景的MEC与虚拟内容分发网络(Virtual Content Delivery Network, vCDN)融合体系架构方案,所提方案利用5G网元将用户流量转发到MEC系统,基于MEC平台部署vCDN应用,支持MEC-vCDN集群与传统CDN集群兼容并存。

1 CDN技术的演进趋势

CDN具备内容分发及流量集中化管控的能力。为了解决传统CDN技术存在的问题,将CDN技术与云计算、边缘计算、虚拟化技术等互联网新技术进行融合,是提升CDN服务能力和服务质量的关键。

云化CDN指在数据中心的云资源上部署CDN的中心管控、调度、存储等业务功能,实现云中心对计算资源和存储资源的统一管控和分配。CDN提供内容分发能力,云中心提供集中计算和存储能力,CDN与云中心互补发展,相得益彰。

MEC与CDN融合模式指基于MEC平台部署CDN服务,满足新型业务低时延、高带宽等需求,并提供负载均衡、内容存储等功能[2]。MEC与CDN融合模式将CDN节点下沉至用户边缘,采用分布式计算模式,弥补了云化CDN中心负载压力过大的缺陷。

vCDN指基于网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization, NFV)技术实现的CDN功能,在CDN节点上应用虚拟化技术,实现实体物理资源的虚拟化,形成虚拟资源池,可以根据业务需求灵活分配网络、计算和存储资源[3]。vCDN通过对虚拟化资源的统一管控和调度,弥补了传统CDN难以按需灵活释放和划分资源的缺陷,提高了传统CDN的资源利用率和管控效率。

MEC与vCDN融合模式指基于MEC平台部署vCDN服务,通过vCDN技术将边缘节点进行虚拟化,将CDN服务能力扩展到边缘,依靠MEC达到对vCDN能力的统一调度与编排,并形成虚拟CDN服务资源池[4](见图1)。这不仅实现了vCDN节点的下沉,还实现了CDN虚拟化资源的统一管控和灵活调度,提升了CDN服务能力。

图1 基于MEC平台部署vCDN

随着未来新兴业务的发展,应用需求也逐渐朝着更高带宽、更低时延、灵活交互的方向推进。从CDN技术的演进历程可以看出:为了满足不断演进的业务需求,一方面,CDN技术需要借助MEC平台实现服务下沉,实现应用在边缘的分布式部署;另一方面,MEC与CDN融合模式需要进一步向虚拟化演进,从而实现MEC与CDN资源的灵活分配与统一管理,提升CDN的服务能力与服务质量(见图2)。

图2 CDN技术演进趋势

目前,针对MEC与CDN融合的研究仍缺乏对两者关系的探讨,部分研究考虑基于MEC部署整个CDN系统,MEC系统负责所有CDN节点的管理。本文考虑物理CDN仍存在的情况,CDN节点的寻址离不开CDN全局负载均衡器(Global Server Load Balancing, GSLB),MEC管理层与传统CDN管理层应互相解耦且存在信息交互,MEC管理层能协助CDN GSLB完成边缘CDN节点寻址过程。针对以上问题,本文设计了5G网络场景下的MEC与CDN融合体系架构:将MEC-vCDN集群定义为基于MEC部署了vCDN服务功能的节点集群;将传统CDN集群定义为不依赖MEC部署的物理CDN节点集群。本文中的MEC与CDN融合体系架构考虑MEC-vCDN集群与传统CDN集群兼容并存。

2 MEC与CDN融合体系架构设计

2.1 架构特点

本文提出一个5G网络场景下的MEC与CDN融合体系架构,该架构参考CDN技术演进趋势,为服务提供商提供一个5G网络下轻量级的MEC与CDN融合解决方案,将服务扩展到网络边缘。MEC与CDN融合体系架构具有以下特点。

在部署架构上,一方面结合5G网络场景,充分利用5G网络对MEC的技术加持,利用5G特有网元实现用户流量转发;另一方面对MEC-vCDN集群与传统CDN集群进行兼容设计,实现多种类型CDN集群间的相互通信。在功能架构上,一方面实现边缘MEC-vCDN集群在特殊情况下的自治,在边缘集群内部署边缘数据库和管理平台,以提升边缘服务节点及数据信息的管控效率;另一方面实现MEC与CDN管理平台的解耦,保证架构设计的灵活性,便于实际部署,有利于架构的可持续发展与更新迭代。

2.2 部署位置

MEC服务器需要在网络不同位置提供vCDN服务(见图3),本架构有3个可选的位置来实现MEC-vCDN部署[5]。

图3 5G场景下MEC与CDN融合体系架构图

一是用户附近,距离终端用户最近(小于5 km)[6]。为了给用户提供更快、更稳定的服务,该位置的部署应实现全用户覆盖,其覆盖面最广,所需部署的集群节点数量最多。

二是接入网附近,距离终端用户为5～10 km[6]。MEC-vCDN部署于基站和聚合网之间,该位置一般是人口密集的热点地区,在此部署集群通常能够缓解基站附近的边缘集群服务压力,辅助基站附近的边缘集群处理大型业务,故其覆盖面积需求较大,所需部署的集群节点数量较多,时延较低,适合区域面积较大的场馆。

三是聚合网附近,距离终端用户为50～100 km[6]。该位置更靠近核心网,相对接入网部署时延更高,聚合网的集群部署适用于处理区域性业务及公众性业务,在用户覆盖方面更具有针对性,所需部署的集群节点数量较少。

在理想情况下,为了节约成本并充分利用资源,聚合网是部署MEC-vCDN节点的最佳位置[6],但对于具有超高带宽和超低时延需求的新兴服务,例如车辆互联网或工业工厂,选择接入网部署更合适。

2.3 集群功能

为了实现节点分层部署及不同CDN节点兼容的特点,MEC与CDN融合体系架构主要包含MEC-vCDN中心节点集群、CDN集群和MEC-vCDN边缘节点集群三大集群。

MEC-vCDN中心节点集群负责所有集群间的负载均衡和全局管控,当MEC-vCDN边缘节点集群服务压力过载时,用户向中心节点拉去内容请求。该集群主要模块及其功能如下。

(1)MEC中心编排管理:基于基础设施管理器提供的硬件/软件资源,实现资源的分配和编排;为vCDN管理节点提供基础设施资源、网络资源以及域名系统(Domain Name System, DNS)规则等,接收来自中心vCDN管理节点的资源分配请求,将资源分配响应返回给中心vCDN管理节点,并实现所有MEC-vCDN边缘编排管理的统一管控。

(2)vCDN管理节点:管理用户业务需求,维护vCDN节点配置模板,通过与中心数据库以及MEC管理节点交互资源请求信息、资源状态维护信息等,从而实现对vCDN服务节点进行应用创建、监控等的统一管理功能。

(3)vCDN服务节点:提供开放的vCDN应用功能,向vCDN管理节点反馈应用状态信息等。

(4)中心数据库:负责存储和管理所有的用户信息、CDN应用模板、CDN缓存内容等。

CDN集群部署在互联网周围,不依托于MEC平台或虚拟化技术进行部署,即未实现边缘下沉的物理CDN集群。该集群主要模块及其功能如下。

(1)CDN GSLB:负责CDN节点的全局流量控制和调度,监控物理CDN服务节点的性能和状态,接收来自物理CDN服务节点的服务请求。

(2)物理CDN服务节点:提供开放的CDN服务功能,如内容分发、内容加速;能够与MEC-vCDN边缘节点集群交互,进行缓存的拉取和推送。

(3)CDN数据库:存储并管理物理CDN关联的用户信息、用户应用上下文等。

MEC-vCDN边缘节点集群依托于MEC平台部署的vCDN边缘节点集群,实现vCDN节点的下沉。该集群中各模块及其功能如下。

(1)MEC边缘编排管理:基于基础设施管理器提供的硬件/软件资源,实现资源的分配和编排;为vCDN管理节点提供边缘基础设施资源、网络资源以及DNS规则等;接收来自边缘vCDN管理节点的资源分配请求,将资源分配响应返回给边缘vCDN管理节点,并实现所有vCDN边缘节点的统一管控。

(2)vCDN管理节点:管理并维护集群所关联用户的业务,通过与边缘数据库以及边缘MEC管理节点交互资源请求信息、资源状态维护信息等,实现vCDN服务应用的创建、维护和终止等功能。

(3)vCDN服务节点:提供开放的CDN服务功能,向vCDN管理节点反馈当前状态信息等。

(4)边缘数据库:负责存储和管理边缘节点集群上关联用户的CDN请求内容、关联用户信息等,在出现特殊情况时,如中心MEC-vCDN集群链路网络存在故障,能依靠数据库信息实现边缘节点集群的自治。

2.4 分层体系

MEC-vCDN融合体系架构采用分层思想(见图4),考虑MEC-vCDN集群与传统CDN集群的兼容并存。传统的物理CDN节点通常部署在城域网,MEC-vCDN边缘节点则部署在聚合网或接入网等更靠近用户的位置[7]。CDN GSLB和MEC中心编排管理间可进行信息交互与协作,MEC中心编排管理可以为CDN GSLB提供位置信息、无线网络信息、基础设施资源信息等;CDN GSLB可根据用户需求将服务请求路由至MEC中心编排管理,由MEC-vCDN节点为用户提供服务,从而更好地满足用户需求。

图4 MEC-vCDN分层体系

2.5 5G网络支持

在5G场景下的MEC与CDN融合体系架构中,5G网元用户平面功能(User Plane Function, UPF)负责将边缘网络的流量分发到MEC系统,MEC系统作为一个应用功能与5G网络开放功能交互。5G接入和移动管理功能负责为MEC提供通信服务,5G允许MEC作为应用功能来控制流量策略、管理协议数据单元会话,并订阅会话管理事件的通知。

MEC和5G网络在各自性能提升上相辅相成。一方面,基于5G网络在可靠性、数据速率、时延等方面的大幅提升,MEC的流量可直接通过5G边缘的UPF网元转发到互联网,极大降低了用户访问时延。同时,MEC系统也能利用5G网络公开的关键网络功能,为MEC应用提供附加网络服务。另一方面,MEC也极大地满足了5G场景下新兴应用需要对大容量、大规模数据做本地化处理的需求,从而满足5G网络低时延、高带宽的需求。

3 MEC-vCDN集群功能架构

基于MEC与CDN融合体系架构三大集群的部署方式和相互作用关系,从应用功能角度对MEC-vCDN系统功能进行分层细化和抽象[8]。图5展示了MEC-vCDN功能体系结构,该功能体系结构可分为MEC-vCDN管理控制平台和MEC服务基础设施平台,实现底层资源和上层管理控制功能的分离与交互。

图5 MEC-vCDN功能体系结构

3.1 MEC-vCDN管理控制平台

MEC-vCDN管理控制平台用于接收来自用户的业务,并对资源进行编排管理,以提供相应的服务。该平台主要分为MEC-vCDN业务管理平台和MEC资源编排管理平台。

3.1.1 MEC-vCDN业务管理平台

MEC服务管理负责接收管理员的管理信息,并与CDN服务管理功能块、DNS服务功能块、中心数据库交互信息,从而为CDN服务管理功能块提供包括网络服务定制、虚拟资源划分等服务功能,具体包括vCDN节点的创建、维护和终止、流量管理、无线网络信息服务管理等。

CDN服务管理负责接收来自管理员对CDN应用的业务管理指令等,并与MEC服务管理功能块、DNS服务功能块、中心数据库交互管理信息等,对CDN服务实施管理,具体包括内容缓存、内容分发、用户注册、用户服务质量定制等[9]。

DNS服务负责处理用户提出的DNS请求,根据接收到的DNS查询请求,对相应的vCDN服务节点所暴露的IP及端口等进行反馈[10]。其中,DNS的服务规则可以通过固定配置文件来制定,或由CDN提供商根据当前vCDN服务资源状态以及自设定算法来灵活制定。

中心数据库提供数据查询与存储服务,主要存储用户服务信息、应用容器模板、资源实时状态信息以及CDN内容信息(例如图片、文件、音视频等)等。

3.1.2 MEC资源编排管理平台

MEC虚拟资源管理编排器根据从MEC基础设施平台接收到的资源实时状态信息,结合MEC-vCDN业务管理平台下发的用户业务需求,为应用程序编排、分配虚拟资源。

MEC虚拟资源控制器与MEC虚拟资源管理编排器交互管理信息,并向MEC服务基础设施下发具体的管理业务。

3.2 MEC服务基础设施平台

MEC服务基础设施平台包含了三大功能块,分别是底层物理资源库、MEC虚拟资源库以及资源虚拟化平台,负责将MEC系统中可用的物理资源进行虚拟化,并对其进行管理,支撑MEC-vCDN应用程序的运行。各模块功能如下。

底层物理资源库:存储物理计算资源、存储资源和网络资源,如运营商或厂商提供的存储、计算服务器和网络设备等;支持物理资源虚拟化,可被资源虚拟化平台抽象为多个虚拟资源单元。

MEC虚拟资源库:存储各种已虚拟化的物理资源,如计算机、虚拟存储空间、虚拟网络交换机等;可分为多个虚拟资源单元,虚拟资源单元的能力通常以硬件配置、可用性、可伸缩性、可管理性等来表示。

资源虚拟化平台:具有资源管理功能和资源控制功能,实现对物理资源库和虚拟资源库的管理。资源管理功能实时监控虚拟资源库和物理资源库中的资源状态信息,并将资源状态信息反馈给MEC资源编排管理功能块;资源控制功能根据接收到的业务管理指令,基于当前全局资源状态信息,控制底层物理资源,进行虚拟资源的转换、生成或释放。

本功能架构对MEC与CDN融合体系架构中各集群的资源管理能力和业务编排能力进行抽象分层化表示,实现底层基础设施和上层管理平台的功能分离与信息交互,有利于CDN+MEC融合体系架构业务功能的开放及资源编排的统一。

4 实验验证

为验证MEC-vCDN融合体系架构的可行性,本文对该架构各模块进行了简化部署,分为5G网络模块以及MEC-vCDN模块。其中,5G网络模块需要搭建5G虚拟用户设备(User Equipment, UE)、5G基站以及5G核心网。5G网络模块选择使用开源项目free5GC来部署核心网,接入网和模拟UE使用OpenXG平台进行搭建。在MEC-vCDN模块的搭建中,MEC的实现使用KubeEdge,vCDN的实现使用简单实时服务器(Simple Real-time Server, SRS)。

在服务器A上搭建三台Ubuntu 18.04操作系统的虚拟机,分别作为5G核心网、5G基站以及安装VLC视频播放器的用户端。在服务器B上搭建四台CentOS 7操作系统虚拟机,分别作为一个中心管理节点和三个边缘工作节点。用户请求业务流程为:用户通过基站接入5G网后,通过5G网元将视频播放请求转发到MEC上的CDN节点进行处理,用户端通过VLC播放器拉取视频流直接观看。

本文通过实验测试了在核心网虚拟机端输入网络转发命令后5G的网络转发性能,用户端向百度服务器发送数据包的平均时延为0.028 s,可验证5G网络转发成功且性能不错。通过部署Kubernetes Dashboard控制面板,实现了对MEC-vCDN集群中节点生命周期的监控,控制面板可查看或修改多种KubeEdge资源的使用和调度情况,验证了所提方案中MEC-vCDN管理控制平台的功能。此外,实验测试了视频比特率为2 500 kbit/s时用户端的拉流观看效果,结果显示用户端可以流畅观看视频,验证了所提方案能支持基于MEC部署的CDN视频流业务正常运行。在本视频拉流实验中建立一次传输控制协议连接所需时间为0.001 s,总共花费时间为0.115 s。可以得出本文所提方案在实际用户端的拉取视频流时延很小,验证了本文的MEC与CDN融合体系架构方案通过将CDN节点下沉至用户边缘,极大地降低了业务请求时延。

5 结束语

本文在总结CDN技术演进历程及未来发展趋势的基础上,分析了MEC与CDN技术融合的意义与价值;结合现有研究的进展,提出了5G场景下的MEC-vCDN融合体系架构。该架构支持MEC-vCDN集群与传统CDN集群兼容,考虑了MEC与CDN管理层的交互。同时,本文对架构各模块功能进行了平台部署验证,结果表明所提架构能保证MEC中vCDN应用业务的正常执行,且极大地降低了用户请求时延,提升了用户服务体验。