中國聯(lián)通研究院陳杲，龐冉，何濤，曹暢

內容分發(fā)網(wǎng)絡(luò )（Content Delivery Network，CDN）是一種分布式服務(wù)器的系統，它可以根據用戶(hù)的地理位置、內容傳遞服務(wù)器的狀態(tài)和IP網(wǎng)絡(luò )連接等預設的標準，向用戶(hù)傳遞內容（如網(wǎng)頁(yè)、文件、視頻、音頻）^[1]。5G時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )更加扁平化，而且隨著(zhù)終端設備指數級增長(cháng)和AV/VR、云游戲、沉浸式通信和AIGC等對帶寬、時(shí)延和計算要求極高的新視頻業(yè)務(wù)的涌現，傳統CDN已無(wú)法支撐這些業(yè)務(wù)所需要的數據處理需求^[2]：首先傳統CDN的PoP（Pointof Present）節點(diǎn)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節點(diǎn)的部署位置在網(wǎng)絡(luò )上屬于偏上位置，直接導致用戶(hù)請求的內容傳輸時(shí)延較大，一般適用于站點(diǎn)加速、直播、點(diǎn)播等實(shí)時(shí)性要求不高的傳統視頻應用。其次傳統CDN系統由于存在存儲、計算及網(wǎng)絡(luò )資源的業(yè)務(wù)隔離要求，在實(shí)際部署應用時(shí)一般只為一種業(yè)務(wù)對象（例如網(wǎng)頁(yè)、流媒體視頻等）提供加速分發(fā)服務(wù)，而不是同時(shí)提供混合業(yè)務(wù)服務(wù)。為滿(mǎn)足互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)多元化業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，實(shí)際上需要配置多個(gè)平行的CDN為不同業(yè)務(wù)對象提供服務(wù)，顯然這種模式導致CDN系統建設成本增加，而且節點(diǎn)的服務(wù)效率和資源利用率低下。5G網(wǎng)絡(luò )的大規模商用已經(jīng)促使CDN架構發(fā)生改變，例如CDN節點(diǎn)將會(huì )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(guò)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(zhù)提高了CDN的服務(wù)效率和服務(wù)能力，傳統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(shí)現CDN節點(diǎn)進(jìn)一步下沉的關(guān)鍵，例如CDN節點(diǎn)作為第三方應用部署到MEC平臺，利用MEC平臺為高帶寬、低時(shí)延類(lèi)視頻業(yè)務(wù)提供高質(zhì)量的內容分發(fā)服務(wù)、內容存儲和緩存、局部負載均衡與調度等^[4]。MEC CDN節點(diǎn)與傳統CDN PoP節點(diǎn)的區別在于，MEC CDN可以解決傳統CDN網(wǎng)絡(luò )中PoP節點(diǎn)無(wú)法下沉到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中的痛點(diǎn)，并在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )邊緣提供強大的計算能力，為CDN業(yè)務(wù)及相關(guān)應用的發(fā)展注入新的活力，例如目前中國移動(dòng)已經(jīng)將CDN作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )基礎設施進(jìn)行規劃建設，有效推動(dòng)了5G網(wǎng)絡(luò )高質(zhì)量發(fā)展^[3]。MEC CDN的關(guān)鍵實(shí)現技術(shù)是虛擬內容分發(fā)網(wǎng)絡(luò )（Virtual Content Delivery Network，vCDN），同時(shí)基于MEC平臺來(lái)部署vCDN，不僅能實(shí)現vCDN PoP節點(diǎn)的下沉部署，而且能實(shí)現CDN的虛擬化資源在MEC平臺進(jìn)行統一管控和靈活調度，實(shí)現計算和網(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)行詳細分析和說(shuō)明。

1  虛擬化CDN（vCDN）

傳統CDN受限于各種物理資源的隔離導致無(wú)法滿(mǎn)足多元化業(yè)務(wù)的加速需求，而且無(wú)法按需對資源實(shí)現彈性擴縮容，而vCDN技術(shù)很好地解決了上述問(wèn)題。

1.1　vCDN實(shí)現模式

vCDN是一種使用虛擬化技術(shù)的內容交付網(wǎng)絡(luò )，能夠根據業(yè)務(wù)需求以動(dòng)態(tài)和可擴展的方式分配虛擬存儲、虛擬機和網(wǎng)絡(luò )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(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）功能的設備上。在CDN節點(diǎn)上應用虛擬化技術(shù)，實(shí)現資源虛擬化，可以根據業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)地分配計算、存儲和網(wǎng)絡(luò )資源^[5]。vCDN可以采用虛擬機或容器兩種實(shí)現模式，如圖1所示。

圖1 虛擬機和容器部署方式對比

（1）虛擬機模式：CDN服務(wù)應用是在虛擬服務(wù)器上運行，虛擬機為CDN服務(wù)應用提供完整的類(lèi)似于物理服務(wù)器的運行環(huán)境?；谔摂M機的虛擬化方式，每臺虛擬機擁有獨立的操作系統，相對應地就有獨立的內核，會(huì )占用物理主機的大量系統資源，且遷移運行在虛擬機上的應用程序時(shí)，還需要遷移操作系統。相對容器模式，虛擬機隔離性更好，但是創(chuàng )建或啟動(dòng)等操作更加消耗資源^[6]。由于本地公共主機提供的軟硬件資源無(wú)法被不同的vCDN應用程序共享，所以vCDN的性能也會(huì )受到一定的限制。

（2）容器模式：CDN應用程序被封裝到容器（如Docker），而不是虛擬機中運行?；谌萜鞯奶摂M化方式是指一臺物理服務(wù)機上的多個(gè)容器共享物理機的系統資源和操作系統。由于不是運行在獨立的操作系統上，所以基于容器，可以更快速、有效地部署應用程序。相比于虛擬機模式，容器模式下的vCDN應用可以共享本地主機的硬件和軟件資源，具有快速啟動(dòng)、輕量級部署、動(dòng)態(tài)伸縮等優(yōu)點(diǎn)。

一般來(lái)說(shuō)，虛擬機和容器模式各有優(yōu)劣及特點(diǎn)，所以在實(shí)際的vCDN部署場(chǎng)景中，需要根據具體的應用場(chǎng)景合理選擇部署方案。隨著(zhù)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原型系統也是采用容器模式。

1.2　基于MEC的vCDN

為了滿(mǎn)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(shí)現CDN PoP節點(diǎn)的進(jìn)一步下沉，而且可以依托MEC實(shí)現vCDN PoP節點(diǎn)的編排與調度，形成vCDN PoP節點(diǎn)資源池，對資源進(jìn)行統一管理和靈活分配，如圖2所示。

圖2 基于MEC平臺部署vCDN

業(yè)界對于MEC和CDN的節點(diǎn)融合實(shí)現方案主要分為兩大類(lèi)：

一類(lèi)是電信運營(yíng)商方案，特點(diǎn)是為了充分利用電信運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )能力，將vCDN作為一項應用程序部署在MEC平臺上。電信運營(yíng)商的MEC平臺可作為邊緣網(wǎng)絡(luò )出口，也可部署在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )內部，具備移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )能力開(kāi)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，內容更加靠近用戶(hù)，能夠更快速地響應用戶(hù)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(diǎn)驗證，通過(guò)MEC邊緣云與部署在云端的DNS、CDN及移動(dòng)客戶(hù)端聯(lián)動(dòng)，借助MEC平臺將移動(dòng)vCDN下沉到運營(yíng)商的邊緣數據中心^[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(kāi)展了基于MEC+CDN邊緣加速性能技術(shù)驗證工作，設計了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)方案中將流量傳輸到CDN二級節點(diǎn)進(jìn)行內容獲取或處理的相比較，本方案是通過(guò)MEC TOF模塊分流至vCDN，然后再由vCDN提供UHD-VR直播/點(diǎn)播業(yè)務(wù)的邊緣服務(wù)^[8]。

另一類(lèi)是互聯(lián)網(wǎng)廠(chǎng)商方案，包括兩個(gè)主要的方向：一是自建MEC邊緣節點(diǎn)或者利用電信運營(yíng)商對外提供服務(wù)的MEC邊緣節點(diǎn)，在MEC平臺上提供包括vCDN服務(wù)。二是對現有CDN PoP節點(diǎn)進(jìn)行邊緣計算改造，以開(kāi)放CDN PoP節點(diǎn)的緩存和網(wǎng)絡(luò )能力。例如網(wǎng)宿科技CDNPro為用戶(hù)提供可編程式CDN交互服務(wù)，將業(yè)務(wù)應用下沉至網(wǎng)絡(luò )邊緣側，不僅集成了媒體處理服務(wù)，還提供邊緣計算能力，同時(shí)也包含內容管理、安全交付等功能^[9]。如圖4所示，阿里云邊緣節點(diǎn)服務(wù)（EdgeNodeService，ENS）基于電信運營(yíng)商邊緣節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )構建，一站式提供“融合、開(kāi)放、聯(lián)動(dòng)、彈性”的分布式算力資源，幫助用戶(hù)將CDN在內的各項業(yè)務(wù)下沉到網(wǎng)絡(luò )邊緣^[10]。

圖4 阿里云CDN邊緣節點(diǎn)升級架構

總之，對于將CDN容器化并部署在MEC平臺上，電信運營(yíng)商和互聯(lián)網(wǎng)廠(chǎng)商各有優(yōu)勢：對于電信運營(yíng)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(yíng)商在CDN系統發(fā)展上的一個(gè)重要關(guān)注點(diǎn)；互聯(lián)網(wǎng)廠(chǎng)商的CDN的節點(diǎn)分布是全球化的，可以支持跨國業(yè)務(wù)，同時(shí)CDN服務(wù)和業(yè)務(wù)管理本身更加成熟。由于受限于CDN節點(diǎn)部署位置無(wú)法深入網(wǎng)絡(luò )，所以互聯(lián)網(wǎng)廠(chǎng)商更加關(guān)注如何利用現有CDN資源，為用戶(hù)提供更加個(gè)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CDN的部署模式一樣，即不需要與已有的CDN系統對接，而是獨立地為某個(gè)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系統進(jìn)行對接，那么需要提前對MEC vCDN節點(diǎn)的角色和功能進(jìn)行定義，包括與原有的CDN節點(diǎn)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系統如何對接，從MEC CDN節點(diǎn)功能、接口、開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )架構和QoS等方面進(jìn)行了詳細分析和功能標準化工作^[11-13]，其中ITU對于基于MEC的vCDN節點(diǎn)與傳統已有的CDN關(guān)系如圖5所示。

圖5 ITU MEC CDN標準定義的聯(lián)合部署方式示意圖

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

（1）服務(wù)管理級

CDN中心節點(diǎn)與MEC MANO（Management and Orchestration）是互相連接的。MECMANO系統接收來(lái)自CDN管理系統的服務(wù)編排請求，以保留創(chuàng )建MEC CDN節點(diǎn)所需的資源。CDN管理系 統維護網(wǎng)絡(luò )中運行的所有CDN節點(diǎn)，包括MEC CDN節點(diǎn)。此外，已有CDN的GSLB（Gloabl Server Load Balance）用于重定向內容請求，并為最終用戶(hù)選擇最合適的CDN邊緣節點(diǎn)，包括MEC CDN節點(diǎn)。

（2）服務(wù)分發(fā)級

CDN聚合節點(diǎn)可幫助將內容從中心節點(diǎn)分發(fā)到邊緣節點(diǎn)。在某些實(shí)現中，如果CDN服務(wù)覆蓋了有限的小區域，則沒(méi)有聚合節點(diǎn)。

（3）邊緣服務(wù)級

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

總之，從MEC CDN與原有CDN系統對接配合而言，ITU SG16認為MEC CDN節點(diǎn)是部署在MEC系統上的vCDN。CDN系統的所有節點(diǎn)，包括原有的CDN節點(diǎn)和新增的MEC CDN節點(diǎn)，都是由CDN平臺統一調度管理，而MEC平臺只負責執行CDN節點(diǎn)的鏡像管理、實(shí)例創(chuàng )建、網(wǎng)絡(luò )配置、可視化管理等功能。

2.2　原型系統搭建

根據上述基于MEC的vCDN概念和架構，我們提出了一種5G MEC vCDN系統驗證平臺的設計實(shí)現方案，其中系統模塊包括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(kāi)源平臺如表1所示。通過(guò)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原型進(jìn)行直播、點(diǎn)播等流媒體業(yè)務(wù)測試，例如通過(guò)終端發(fā)起的視頻點(diǎn)播放請求，流媒體服務(wù)端能夠進(jìn)行響應，并通過(guò)5G模擬網(wǎng)絡(luò )將媒體流傳輸到終端。

本系統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(lái)模擬5G網(wǎng)絡(luò )的流量轉發(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(guò)UPF實(shí)現內容轉發(fā)，UPF可以在MEC-vCDN邊緣側部署，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 )應用訪(fǎng)問(wèn)時(shí)延。我們選擇使用開(kāi)源項目free5GC來(lái)部署核心網(wǎng)。free5GC是一個(gè)針對第五代（5G）移動(dòng)的核心網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)源項目，目標是實(shí)現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社區所孵化的面向未來(lái)XG通信的開(kāi)源軟件及硬件項目，旨在形成端到端完全開(kāi)源的開(kāi)源無(wú)線(xiàn)通信系統。由于openXG自帶rfsimulator，可以實(shí)現不使用USRP設備實(shí)現gNB與UE的連接，極大地方便了驗證平臺的調試^[15]。

表1 5G MEC vCDN系統原型組件和開(kāi)源項目

圖6 5G網(wǎng)絡(luò )模塊部署示意圖

在MEC的實(shí)現上，我們采用華為開(kāi)源的Kube Edge平臺。Kube Edge是一個(gè)開(kāi)源系統，用于將容器化應用程序編排功能擴展到Edge的主機。它基于Kubernetes構建，并為網(wǎng)絡(luò )應用程序提供基礎架構支持、云和邊緣之間的部署和元數據同步^[16]。在vCDN模塊構建的選擇上，我們選擇國內開(kāi)源的SRS（Simple RealtimeServer）項目，因為其可以通過(guò)適當的配置將服務(wù)器區分為源站服務(wù)器和邊緣側服務(wù)器。同時(shí)，SRS不僅支持運營(yíng)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(guān)測性日志和監控指標等等?；谏鲜鱿到y組件，我們在中國聯(lián)通研究院主語(yǔ)網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗室進(jìn)行了實(shí)際的系統搭建，MEC vCDN原型系統的網(wǎng)絡(luò )部署如圖7所示。

圖7 MEC vCDN原型系統的網(wǎng)絡(luò )部署示意圖

基于上述系統原型平臺，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 )轉發(fā)的媒體流傳輸過(guò)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?？傊?，通過(guò)上述實(shí)驗，我們驗證了CDN PoP節點(diǎn)（Edge  Cluster）完成了回源合并：CDN中繼節點(diǎn)（這里是源站，SRS-Oringin）的資源占用沒(méi)有明顯的計算消耗變化。

3　結束語(yǔ)

隨著(zhù)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)的規模應用，使得CDN已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)基礎設施中不可或缺的重要組成部分。CDN正在從傳統的互聯(lián)網(wǎng)內容交付服務(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(shí)現多媒體算力和分發(fā)能力綜合調度，支持邊緣渲染和邊緣推理。

從電信運營(yíng)商的角度，我們需要基于CDN來(lái)打造電信運營(yíng)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，打破現有業(yè)務(wù)數據與網(wǎng)絡(luò )相互獨立的局面，統一實(shí)現內容入網(wǎng)和媒體流智能識別，實(shí)現對各種視頻業(yè)務(wù)的統一承載。

作者簡(jiǎn)介：

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

龐　冉，高級工程師，碩士，現就職于中國聯(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)研究及標準化工作。

何　濤，高級工程師，碩士，現就職于中國聯(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)研究及標準化工作。

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

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