MEC与CDN融合体系架构方案设计研究.pdf

0 MEC 与 CDN 融合体系架构方案设计研究田汶灵1赵朕宇1黄蓉2张天魁1(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)摘要:MEC 被广泛应用于 CDN 边缘下沉解决方案中,利用 MEC 实现 CDN 边缘部署,提升 CDN 应用的服务质量。首先,总结并分析了 CDN 技术演进历程及未来发展趋势;然后,提出了 5G 网络场景下 MEC与 CDN 融合体系架构设计方案,所提方案具有 MEC 与 CDN 管理层解耦的特点,支持 MEC-vCDN 集群与传统 CDN 集群兼容并存;最后,搭建了 MEC-vCDN 模块及 5G 网络模块,测试了方案中各模块的功能。关键词:移动边缘计算;内容分发网络;融合体系架构设计;虚拟化技术中图分类号:TN929.5 文献标志码:A引用格式:田汶灵,赵朕宇,黄蓉,等.MEC 与 CDN 融合体系架构方案设计研究J.信息通信技术与政策,2024,50(2):89-96.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2024.02.0140 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98基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.62371068)E0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。vCDNC$CDN(*C$vCDNvCDNvCDNvCDNvCDN$6FCUBE-CDN,MEC-vCDN图 1 基于 MEC 平台部署 vCDNMEC 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。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)。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09 0 55CDNvCDNMECvCDN=CDNMECCDN=图 2 CDN 技术演进趋势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。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 km6。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50100 km6。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19E0 图 3 5G 场景下 MEC 与 CDN 融合体系架构图名系统(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 29 0 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。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39E0图 5 MEC-vCDN 功能体系结构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。49 0 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。参考文献1 ZHANG F,LIU G M,FU X M,et al.A survey on virtual machine migration:challenges,techniques,and open issues J.IEEE Communications Surveys&Tutorials,2018,20(2):1206-1243.2 王继梅.5G 网络下 MEC 与 CDN 技术结合的优势分析J.信息记录材料,2021,22(7):185-186.3 中国联通网络技术研究院.中国联通 CUBE-CDN 技术白皮书R,2018.4 LOPES M,CORUJO D,DUARTE P,et al.Service assurance in 5G-based vCDN C/2022 International Balkan Conference on Communications and Networking(BalkanCom).IEEE,2022:178-182.5 吕华章,王友祥,唐雄燕.面向 5G MEC 边缘云的CDN 下沉方案J.移动通信,2019,43(1):20-28.6 ITU-T.Architecture for mobile/multi-access edge computing enabled content delivery networks:ITU-T H.644.4:2021S/OL.2023-06-10.https:/www.itu.int/rec/T-REC-H.644.4-202106-I/en.7 CHEN B 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and CDNTIAN Wenling1,ZHAO Zhenyu1,HUANG Rong2,ZHANG Tiankui1(1.School of Information and Communication Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China;2.China Unicom Research Institute,Beijing 100048,China)Abstract:MEC is widely used in CDN edge sinking solutions to achieve CDN edge deployment and improve the service quality of CDN applications.Firstly,the evolution process and future development trends of CDN technology are summarized and analyzed.Then,a design scheme for the converged system architecture of MEC and CDN in 5G network scenarios is proposed,which has the characteristics of decoupling MEC and CDN management layers and supports the compatibility and coexistence of MEC-vCDN clusters and traditional CDN clusters.Finally,the MEC-vCDN module and 5G network module are built,and the functions of each module in the scheme are tested.Keywords:mobile edge computing;content delivery network;converged architecture design;virtualization technology(收稿日期:2023-07-10)69