面向虛擬CDN的5G與MEC融合平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄧賢洪，趙朕宇，黃 蓉，張?zhí)炜?，朱禹濤?北京郵電大學(xué)，北京 00876；.中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 00048；.金磚國(guó)家未來網(wǎng)絡(luò)研究院中國(guó)分院，廣東深圳 58045）

0 引言

隨著超高清（ultra high definition，UHD）視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）等新興業(yè)務(wù)的爆發(fā)，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content delivery network，CDN）節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)邊緣遷移成為CDN 未來架構(gòu)的演進(jìn)趨勢(shì)［1］。

移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）已經(jīng)逐漸成為5G 通信技術(shù)發(fā)展過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。MEC 技術(shù)使應(yīng)用程序服務(wù)器能夠靠近終端設(shè)備，從而消除網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用（例如：VR、AR 和V2X）［2］。MEC 向用戶提供了許多服務(wù)，如計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源、用戶流量管理和網(wǎng)絡(luò)帶寬管理等［3］。MEC 還將虛擬化資源和核心網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行結(jié)合，提供共有與私有相結(jié)合的一體化服務(wù)。MEC 技術(shù)的目的是對(duì)云計(jì)算進(jìn)行遷移，并接入網(wǎng)絡(luò)邊緣，同時(shí)增加存儲(chǔ)、計(jì)算以及數(shù)據(jù)管理、通信等諸多功能，從而為移動(dòng)終端用戶提供更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)服務(wù)與功能，帶寬更高，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，滿足業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的實(shí)際需求［4］。

傳統(tǒng)CDN 受存儲(chǔ)資源、存儲(chǔ)位置等條件的約束，容易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)備負(fù)載不均衡以及服務(wù)時(shí)延過長(zhǎng)的問題，嚴(yán)重影響用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。且CDN 受制于各種物理資源的隔離導(dǎo)致不易滿足多元化業(yè)務(wù)的加速需求，無法實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速部署。vCDN 的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)CDN 的缺陷。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)供應(yīng)商的需求以動(dòng)態(tài)和可擴(kuò)展的方式分配虛擬存儲(chǔ)、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)器上，也可部署在任何支持網(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)備的虛擬機(jī)上。而MEC-vCDN 邊緣業(yè)務(wù)平臺(tái)在本地的部署，使其覆蓋范圍內(nèi)的相關(guān)云計(jì)算處理均可以在本地直接完成，無需將業(yè)務(wù)流上傳至匯聚層，再繞經(jīng)核心網(wǎng)在Internet集中云端完成，因此可以大幅度降低大視頻業(yè)務(wù)流對(duì)核心網(wǎng)和城域網(wǎng)的沖擊，同時(shí)降低業(yè)務(wù)處理時(shí)延，提升用戶的視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)［5］。5G 作為新一代無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于滿足2020年以后的移動(dòng)通信需求［6］，具有低時(shí)延和高帶寬的特點(diǎn)。在5G 標(biāo)準(zhǔn)中，3GPP SA2 下一代網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架研究（3GPP TS 23.799）以及5G 系統(tǒng)架構(gòu)（3GPP TS 23.501）對(duì)MEC 給予了支持［7］，能夠進(jìn)一步助力MEC優(yōu)化CDN平臺(tái)服務(wù)。

綜上，為了實(shí)現(xiàn)高同步、高帶寬、低時(shí)延的視頻流業(yè)務(wù)，改善傳統(tǒng)CDN 服務(wù)的不足，本文提出了面向虛擬CDN的5G和MEC融合平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。

1 方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)面向虛擬CDN的5G和MEC融合平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，本文分別對(duì)5G 平臺(tái)和MEC-vCDN 平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G-MEC-vCDN總體架構(gòu)

a）MEC-vCDN 平臺(tái)設(shè)計(jì)。MEC-vCDN 平臺(tái)設(shè)計(jì)架構(gòu)中主要包括MEC 管理控制節(jié)點(diǎn)和MEC 邊緣工作節(jié)點(diǎn)，管理控制節(jié)點(diǎn)通過API 控制具體工作的部署。具體來說，需要在一個(gè)邊緣工作節(jié)點(diǎn)上部署CDN 源緩存服務(wù)和CDN 網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)，在其他的邊緣工作節(jié)點(diǎn)上部署多個(gè)CDN 流分發(fā)服務(wù)。其中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)MEC 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，外界需要通過MEC 網(wǎng)絡(luò)管理控制訪問具體的節(jié)點(diǎn)，再通過節(jié)點(diǎn)的MEC 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)進(jìn)行負(fù)載均衡等操作，最后將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)服務(wù)進(jìn)行處理。

b）5G 平臺(tái)設(shè)計(jì)。部署包括AMF、SMF、UPF、NRF、UDM、AUSF、PCF、UDR、NSSF、N3IWF等網(wǎng)元，核心網(wǎng)通過UPF 實(shí)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，大大降低網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用訪問時(shí)延；gNB 通過N2 接口與AMF對(duì)話連接至核心網(wǎng)，gNB 附近用戶與AMF 對(duì)話發(fā)起注冊(cè)，SMF 對(duì)用戶完成注冊(cè)后，用戶接入核心網(wǎng)，邊緣側(cè)UPF 通過N3 接口將內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)給距離最近的gNB，最終通過gNB將拉取的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)到各個(gè)用戶。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方案

為了實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)下的MEC-vCDN 融合架構(gòu)，需要分別搭建5G 平臺(tái)和MEC-vCDN。如圖2 和圖3 所示，MEC-vCDN 平臺(tái)和5G 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)分別在服務(wù)器S04和S05上搭建，下面將具體介紹這2個(gè)平臺(tái)。

圖2 功能架構(gòu)部署圖（5G平臺(tái)）

圖3 功能架構(gòu)部署圖（MEC-vCDN平臺(tái)）

2.1 5G架構(gòu)部署實(shí)現(xiàn)

基于5G 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了模擬5G 核心網(wǎng)以及接入網(wǎng)和UE 的搭建工作，實(shí)現(xiàn)了5G 網(wǎng)絡(luò)中的流量轉(zhuǎn)發(fā)功能演示和性能驗(yàn)證。為了成功部署擁有各個(gè)網(wǎng)元功能模塊的核心網(wǎng)，本項(xiàng)目選擇使用開源項(xiàng)目Free5GC 來部署核心網(wǎng)。本平臺(tái)的接入網(wǎng)以及模擬UE 使用openXG 進(jìn)行搭建。由于openXG 自帶rfsimulator，可以不使用USRP設(shè)備實(shí)現(xiàn)gNB與UE的連接，極大地方便了驗(yàn)證平臺(tái)的調(diào)試。

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

主機(jī)再通過交換機(jī)SW2 連接至機(jī)房網(wǎng)絡(luò)，這樣UE2 便可連接至機(jī)房網(wǎng)絡(luò)。具體的部署架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 5G平臺(tái)架構(gòu)部署

2.2 MEC-vCDN平臺(tái)部署實(shí)現(xiàn)

在MEC-vCDN 平臺(tái)設(shè)計(jì)中，MEC 的實(shí)現(xiàn)使用了KubeEdge，vCDN 的實(shí)現(xiàn)則使用了簡(jiǎn)單實(shí)時(shí)服務(wù)器（Simple Realtime Server，SRS）。在MEC 的實(shí)現(xiàn)上，KubeEdge 構(gòu)建于Kubernetes 之上，采用虛擬化技術(shù)，可將本地容器化應(yīng)用程序編排和設(shè)備管理擴(kuò)展到邊緣主機(jī)。在vCDN 平臺(tái)構(gòu)建的選擇上，選用SRS 流媒體服務(wù)器，其支持RTMP/WebRTC/HLS/HTTP-FLV/SRT等協(xié)議轉(zhuǎn)換的基本功能。

MEC-vCDN 平臺(tái)的功能框架如圖5所示。平臺(tái)提供的控制工具包括Web 控制臺(tái)、命令行控制工具以及API 服務(wù)，通過這些功能可以實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)下發(fā)和狀態(tài)信息的收集。

圖5 MEC-vCDN平臺(tái)功能框架

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，開展了融合平臺(tái)的概念驗(yàn)證與性能評(píng)估工作。融合平臺(tái)的具體部署方式為：在1 臺(tái)高性能服務(wù)器上劃分4 臺(tái)虛擬機(jī)（見圖3），分別作為1 個(gè)云端管理節(jié)點(diǎn)和3 個(gè)邊緣工作節(jié)點(diǎn)；使用虛擬網(wǎng)橋的方式為4 臺(tái)虛擬機(jī)靜態(tài)分配IP；云端管理節(jié)點(diǎn)通過kubectl 調(diào)用API 服務(wù)器，進(jìn)而在工作節(jié)點(diǎn)上部署具體工作。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括視頻業(yè)務(wù)服務(wù)（拉流與推流等）測(cè)試、云邊運(yùn)維管理以及負(fù)載均衡（高并發(fā)）測(cè)試。

3.1 視頻播放器拉流測(cè)試

因?yàn)楹诵木W(wǎng)服務(wù)器處于實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)下，所以本實(shí)驗(yàn)中將筆記本直接連接實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，筆記本中的圖形化界面虛擬機(jī)UE2 使用橋接網(wǎng)絡(luò)模式與主機(jī)連接，連接至實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)，最后UE2 通過IP 隧道連接至gNB，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

以下是圖形化界面拉流過程：UE2 連接至核心網(wǎng)并測(cè)試轉(zhuǎn)發(fā)情況；在UE2 端添加路由；確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)無誤后使用VLC播放器拉流觀看拉流效果。

拉流測(cè)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(cè)試網(wǎng)絡(luò)性能。測(cè)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(dāng)視頻比特率提升后，會(huì)出現(xiàn)一些卡頓，再提高比特率則會(huì)出現(xiàn)明顯卡頓情況，這是因?yàn)樘摂M網(wǎng)卡性能不夠且IP 隧道的傳輸性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)際空口的傳輸性能。

3.2 云邊運(yùn)維管理

在集群的主節(jié)點(diǎn)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(shí)對(duì)vCDN 集群中的每個(gè)實(shí)時(shí)視頻服務(wù)器進(jìn)行全生命周期的監(jiān)控及控制，當(dāng)需要改變集群的資源配置時(shí)，也可以直接在控制臺(tái)修改配置文件并下發(fā)更新。

3.3 負(fù)載均衡測(cè)試

為了測(cè)試融合平臺(tái)的負(fù)載均衡能力，本文給出了多路流播放時(shí)集群狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)資源占用變化

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不論是1路流還是8路流，SRS-Origin 的資源占用并沒有發(fā)生顯著變化，也證實(shí)了Edge Cluster 實(shí)現(xiàn)了合并回源，對(duì)于某一路流，不管有多少客戶端播放，Edge Server 都只會(huì)從Origin Server 取1 路流，這樣可以通過擴(kuò)展Edge Cluster 來增加支持的播放能力，從而可以得出CDN 網(wǎng)絡(luò)具有高并發(fā)能力的結(jié)論。

4 結(jié)束語

為了改善傳統(tǒng)CDN 服務(wù)能力的不足，本文提出了面向虛擬CDN 的5G 與MEC 融合平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，并且根據(jù)設(shè)計(jì)方案完成了平臺(tái)搭建工作；最后，本文基于平臺(tái)進(jìn)行一系列功能驗(yàn)證與性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了用戶端的遠(yuǎn)程推拉流，證明了5G 結(jié)合MEC 可以拓展CDN 的高并發(fā)能力。