張偉強(qiáng)，韋廣林，孫森田，趙 廣（.中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京00048；.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，北京00048）

1 概述

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN——Content Delivery Network）構(gòu)建于網(wǎng)絡(luò)邊緣，通過(guò)中心平臺(tái)的調(diào)度和管理，使用戶就近獲取所需內(nèi)容，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞和時(shí)延，提高響應(yīng)速度，改善用戶體驗(yàn)。

目前，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的CDN邊緣節(jié)點(diǎn)多部署于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的核心層和業(yè)務(wù)控制層，大部分為固網(wǎng)IPTV業(yè)務(wù)專(zhuān)用，融合CDN尚處于探索階段；而互聯(lián)網(wǎng)CDN則多部署于Internet骨干網(wǎng)，無(wú)法真正靠近移動(dòng)用戶。伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)的部署，視頻流量從固定端向移動(dòng)端加速遷移，現(xiàn)有的CDN部署方式難以滿足用戶對(duì)于業(yè)務(wù)體驗(yàn)的要求。

本文將從CDN部署現(xiàn)狀入手，結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)特點(diǎn)，分析基于5G邊緣網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)于移動(dòng)用戶的視頻CDN業(yè)務(wù)分流方案，并對(duì)各個(gè)方案的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析。

2 CDN部署現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，網(wǎng)民數(shù)量和數(shù)據(jù)流量飛速增長(zhǎng)，給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了巨大壓力，也嚴(yán)重影響了互聯(lián)網(wǎng)用戶的體驗(yàn)。于是，CDN應(yīng)需而生，自2000年工信部頒發(fā)第1個(gè)CDN試運(yùn)行許可證以來(lái)，中國(guó)的CDN市場(chǎng)從無(wú)到有，迅速發(fā)展。從電信運(yùn)營(yíng)商的角度，CDN可分為運(yùn)營(yíng)商自建CDN和互聯(lián)網(wǎng)CDN兩大類(lèi)。

2.1 運(yùn)營(yíng)商自建CDN

目前，運(yùn)營(yíng)商自建CDN主要服務(wù)于IPTV業(yè)務(wù)和流媒體業(yè)務(wù)，架構(gòu)上，多采用2級(jí)或3級(jí)架構(gòu)。2級(jí)CDN架構(gòu)分為省中心和區(qū)域節(jié)點(diǎn)（地（市）），3級(jí)CDN架構(gòu)分為省中心、區(qū)域節(jié)點(diǎn)（地（市））、邊緣節(jié)點(diǎn)（區(qū)縣），主要部署方式如下：

a）省中心節(jié)點(diǎn)多設(shè)置于省會(huì)，集中部署全省業(yè)務(wù)管理平臺(tái)、CDN中心節(jié)點(diǎn)及EPG中心節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)目源的注入、分發(fā)、業(yè)務(wù)管理以及與其他業(yè)務(wù)平臺(tái)的對(duì)接。省中心節(jié)點(diǎn)一般上聯(lián)至省網(wǎng)核心路由器。

b）各地（市）分別部署區(qū)域節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)本地（市）CDN的內(nèi)容分發(fā)，節(jié)點(diǎn)上聯(lián)至地（市）城域網(wǎng)核心路由器。

c）在部分寬帶用戶密集的區(qū)縣部署邊緣節(jié)點(diǎn)，服務(wù)本地用戶，邊緣節(jié)點(diǎn)多上聯(lián)至本地業(yè)務(wù)控制層設(shè)備。

運(yùn)營(yíng)商CDN與互聯(lián)網(wǎng)CDN相比，有很多天然優(yōu)勢(shì)，例如用戶資源、接入資源、IDC資源等，但是也存在以下問(wèn)題。

a）CDN多數(shù)以省為單位建設(shè)，部分省內(nèi)多套CDN共存，省CDN之間形成一個(gè)個(gè)“孤島”，未能形成全程全網(wǎng)的架構(gòu)，難以服務(wù)于全國(guó)用戶。

b）多套CDN平臺(tái)形成豎井式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致CDN與業(yè)務(wù)平臺(tái)緊耦合，通用性和擴(kuò)展性較差。

c）多采用專(zhuān)用硬件，廠商復(fù)雜，統(tǒng)一升級(jí)功能和接口困難，不能滿足業(yè)務(wù)快速、靈活部署的需求。

d）CDN多針對(duì)固定寬帶接入用戶和運(yùn)營(yíng)商自營(yíng)的IPTV業(yè)務(wù)，缺乏面向移動(dòng)用戶和政企客戶的產(chǎn)品。

2.2 互聯(lián)網(wǎng)CDN

目前，國(guó)內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)CDN包括傳統(tǒng)CDN、云CDN和創(chuàng)新CDN 3種形式。其中，傳統(tǒng)CDN以網(wǎng)宿、藍(lán)汛等老牌CDN廠家為代表，云CDN則以阿里、金山、騰訊為代表，二者均圍繞Internet骨干網(wǎng)建立CDN分發(fā)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的分發(fā)和全網(wǎng)業(yè)務(wù)的就近接入。創(chuàng)新CDN則利用P2P技術(shù)，基于共享模式，使邊緣節(jié)點(diǎn)數(shù)量得到大幅提高，從而達(dá)到利用閑小帶寬、提高用戶體驗(yàn)的目的，但是目前創(chuàng)新CDN的應(yīng)用場(chǎng)景受限，且服務(wù)效果不夠穩(wěn)定，尚未成為市場(chǎng)主流。

互聯(lián)網(wǎng)CDN主要面向企業(yè)用戶，系統(tǒng)和平臺(tái)多采用通用硬件，易于擴(kuò)容和擴(kuò)展業(yè)務(wù)，可同時(shí)為全國(guó)的固網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)用戶提供服務(wù)。但無(wú)論是固網(wǎng)還是移動(dòng)網(wǎng)業(yè)務(wù)，互聯(lián)網(wǎng)CDN都無(wú)法真正下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，在浪費(fèi)骨干網(wǎng)資源的同時(shí)，也容易因網(wǎng)絡(luò)擁塞而影響業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

3 視頻CDN在5G邊緣網(wǎng)絡(luò)中的部署分析

3.1 5G+邊緣計(jì)算

5G即第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，其峰值理論傳輸速度可達(dá)數(shù)10 Gbit/s，是4G網(wǎng)絡(luò)的100倍。5G時(shí)代，各類(lèi)垂直行業(yè)對(duì)高帶寬、低時(shí)延的業(yè)務(wù)需求將驅(qū)動(dòng)應(yīng)用內(nèi)容部署的本地化。同時(shí)，伴隨控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)需求，傳統(tǒng)專(zhuān)有封閉的設(shè)備體系也正在逐步瓦解，轉(zhuǎn)向基于通用硬件的云化開(kāi)放體系。因此，借助云化技術(shù)的多接入邊緣計(jì)算（MEC——Multi-Access Edge Computing）平臺(tái)成為運(yùn)營(yíng)商的必然選擇。

在目前的通信網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)移動(dòng)核心網(wǎng)路由至Internet，由于移動(dòng)核心網(wǎng)往往部署于省會(huì)或省內(nèi)中心城市，導(dǎo)致大量發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)邊緣的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量需要進(jìn)行長(zhǎng)距離的路由迂回，在增加業(yè)務(wù)時(shí)延的同時(shí)，也消耗了網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了核心網(wǎng)設(shè)備的壓力。在5G邊緣網(wǎng)絡(luò)中引入MEC設(shè)備，邊緣網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)應(yīng)用信息（應(yīng)用標(biāo)識(shí)、IP地址+端口、數(shù)據(jù)流規(guī)則）進(jìn)行本地?cái)?shù)據(jù)分流，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的就近接入，減少網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低業(yè)務(wù)時(shí)延。業(yè)務(wù)內(nèi)容本地化，可以幫助第三方應(yīng)用改善用戶體驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)價(jià)值的最大化。借此機(jī)會(huì)，運(yùn)營(yíng)商可以實(shí)現(xiàn)從管道建設(shè)者到業(yè)務(wù)生態(tài)引領(lǐng)者的轉(zhuǎn)型。

3.2 視頻CDN在5G邊緣網(wǎng)絡(luò)中的部署

伴隨著智能終端數(shù)量的增長(zhǎng)和多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)成為重要的數(shù)據(jù)增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)于移動(dòng)視頻CDN的部署需求也更加迫切。傳統(tǒng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（2G/3G/4G）的核心網(wǎng)設(shè)備通常部署于省會(huì)或省中心城市，導(dǎo)致移動(dòng)CDN無(wú)法靠近用戶部署，移動(dòng)數(shù)據(jù)流必須在省內(nèi)進(jìn)行大范圍的迂回。5G和邊緣計(jì)算技術(shù)的部署，使得視頻CDN可以下沉至移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)。事實(shí)上，CDN也是與邊緣計(jì)算結(jié)合最緊密的技術(shù)，兩者擁有相同的技術(shù)理念，即“服務(wù)靠近用戶”，ETSI MEC工作組在2014年9月剛開(kāi)始研究MEC的時(shí)候，就將CDN作為邊緣計(jì)算的主要應(yīng)用場(chǎng)景之一。

相比固定寬帶IPTV業(yè)務(wù)，移動(dòng)視頻的資源更加豐富，業(yè)務(wù)形態(tài)更加多樣，業(yè)務(wù)流程更加復(fù)雜，用戶管理更為精細(xì)。由于當(dāng)前移動(dòng)終端均采用私網(wǎng)IP地址，移動(dòng)CDN無(wú)法像互聯(lián)網(wǎng)CDN一樣進(jìn)行基于用戶IP的業(yè)務(wù)分流。因此，針對(duì)5G邊緣網(wǎng)絡(luò)，必須基于業(yè)務(wù)調(diào)度和用戶管理機(jī)制探尋一種新的業(yè)務(wù)分流方案。

4 業(yè)務(wù)分流方案探討

根據(jù)5G邊緣網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和OTT視頻服務(wù)商的業(yè)務(wù)管理方式，移動(dòng)視頻CDN的的業(yè)務(wù)分流主要有以下3種方案。

4.1 基于PCC的策略配置

現(xiàn)網(wǎng)中，策略控制和計(jì)費(fèi)（PCC——Policy Control and Charging）設(shè)備已經(jīng)廣泛部署，因此可以基于PCC的控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)視頻CDN業(yè)務(wù)的分流。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)分流的控制，要在5G核心網(wǎng)中部署AF、NEF、PCF等網(wǎng)元，AF直接或通過(guò)NEF向PCF發(fā)送業(yè)務(wù)策略請(qǐng)求，請(qǐng)求中包含了業(yè)務(wù)應(yīng)用標(biāo)識(shí)、網(wǎng)絡(luò)名稱(chēng)、切片標(biāo)識(shí)等信息，PCF將請(qǐng)求信息轉(zhuǎn)換成業(yè)務(wù)策略并發(fā)送給SMF，SMF將基于業(yè)務(wù)策略，綜合終端簽約信息、用戶位置以及路由規(guī)則為用戶選擇最近的UPF，進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣網(wǎng)絡(luò)中本地視頻業(yè)務(wù)的訪問(wèn)。主要流程如圖1所示。

圖1 基于PCC的策略配置流程

此方案通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的PCC流程，完成了針對(duì)特定用戶和特定業(yè)務(wù)的策略配置，以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)。

a）視頻流量的本地疏導(dǎo)：將視頻流量疏導(dǎo)至5G邊緣網(wǎng)絡(luò)，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，改善業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

b）QoS和計(jì)費(fèi)：通過(guò)PCC實(shí)現(xiàn)用戶或數(shù)據(jù)流的QoS管理和計(jì)費(fèi)。

c）網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放：核心網(wǎng)通過(guò)NEF實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的開(kāi)放。

目前，由于NEF網(wǎng)元尚未在核心網(wǎng)絡(luò)中部署，MEC平臺(tái)的功能尚不完善，目前本方案的部署仍存在較大困難。

4.2 基于MEC本地配置的分流

在MEC服務(wù)器上配置本地分流規(guī)則，通過(guò)DNS導(dǎo)流等方式，將特定業(yè)務(wù)的視頻請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣的視頻平臺(tái)，為用戶提供本地視頻服務(wù)。

由于部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣的視頻平臺(tái)未存儲(chǔ)全量視頻數(shù)據(jù)，因此，邊緣視頻服務(wù)平臺(tái)需要判斷可否為用戶提供視頻服務(wù)，對(duì)于無(wú)法提供服務(wù)的用戶請(qǐng)求，有以下2種處理方式。

a）邊緣視頻平臺(tái)通過(guò)Internet向中心視頻服務(wù)器發(fā)送二次業(yè)務(wù)請(qǐng)求，中心服務(wù)器接到請(qǐng)求后，將視頻流發(fā)送至邊緣平臺(tái)，并轉(zhuǎn)發(fā)給用戶，具體流程如圖2（a）所示。

b）邊緣視頻平臺(tái)將用戶請(qǐng)求發(fā)回MEC，由MEC經(jīng)移動(dòng)核心網(wǎng)向中心視頻服務(wù)器發(fā)送二次業(yè)務(wù)請(qǐng)求，中心服務(wù)器通過(guò)移動(dòng)核心網(wǎng)直接向用戶提供視頻服務(wù)，具體流程如圖2（b）所示。

基于MEC本地配置的分流方案，業(yè)務(wù)流程簡(jiǎn)單，易于在現(xiàn)網(wǎng)條件下部署。采用此方案，邊緣服務(wù)平臺(tái)需要對(duì)用戶進(jìn)行認(rèn)證和鑒權(quán)，判斷用戶請(qǐng)求的業(yè)務(wù)內(nèi)容可否在本地觸發(fā)，因此，要在網(wǎng)絡(luò)邊緣配置用戶信息（級(jí)別、權(quán)限、交費(fèi)情況等），并與中心服務(wù)器實(shí)時(shí)同步更新。

4.3 基于第三方應(yīng)用的自主分流

圖2 基于MEC本地配置的分流

通過(guò)核心網(wǎng)向第三方視頻服務(wù)商開(kāi)放用戶及網(wǎng)絡(luò)信息，如用戶位置、基站ID、MEC覆蓋區(qū)域等，由第三方的中心服務(wù)器控制APP進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 基于第三方應(yīng)用的自主分流

a）智能終端APP發(fā)起業(yè)務(wù)請(qǐng)求，請(qǐng)求域名指向服務(wù)商的中心服務(wù)器，MEC根據(jù)DNS解析結(jié)果，經(jīng)核心網(wǎng)將請(qǐng)求發(fā)送至中心服務(wù)器。

b）中心服務(wù)器根據(jù)5G核心網(wǎng)開(kāi)放的業(yè)務(wù)信息，獲知用戶所在區(qū)域已部署邊緣服務(wù)器，且用戶訪問(wèn)的視頻已下沉至邊緣。

c）中心服務(wù)器回復(fù)APP業(yè)務(wù)請(qǐng)求，要求進(jìn)行業(yè)務(wù)重定向。

d）終端APP發(fā)起重定向業(yè)務(wù)請(qǐng)求，請(qǐng)求域名指向邊緣服務(wù)器，MEC根據(jù)DNS的解析結(jié)果，將請(qǐng)求發(fā)送至邊緣服務(wù)器。

e）邊緣服務(wù)器接受業(yè)務(wù)請(qǐng)求，并向APP發(fā)送視頻流。

此方案由中心服務(wù)器進(jìn)行用戶認(rèn)證和鑒權(quán)，減輕了邊緣服務(wù)器的業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)，保證了認(rèn)證和鑒權(quán)的一致性及用戶信息的安全。此方案需要向第三方開(kāi)放用戶和業(yè)務(wù)信息，由于缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)營(yíng)商需要與視頻服務(wù)商協(xié)商定制業(yè)務(wù)流程，并需要考慮用戶隱私、網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、終端操作系統(tǒng)等多方面因素。

4.4 方案總結(jié)

上述3種方案在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、用戶管理、業(yè)務(wù)流程等方面均存在較大的差異，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)和邊緣服務(wù)器的要求也不同，3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1所示。

方案1代表了網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)部署的發(fā)展方向，將是未來(lái)的主流方案；方案2易于部署，可以加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)對(duì)業(yè)務(wù)的控制，但是，視頻服務(wù)商尤其是大型視頻服務(wù)商難以接受業(yè)務(wù)控制權(quán)的轉(zhuǎn)移和用戶信息的下沉；方案3需要與每個(gè)視頻服務(wù)商協(xié)商進(jìn)行業(yè)務(wù)定制，難以大規(guī)模推廣，但可作為短期試點(diǎn)或熱點(diǎn)用戶覆蓋方案，為特定行業(yè)和特定區(qū)域的用戶提供優(yōu)質(zhì)的視頻服務(wù)。

表1 方案對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)視頻將是5G時(shí)代的重要的流量增長(zhǎng)點(diǎn)，視頻CDN在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣的部署，將會(huì)降低迅速增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量給移動(dòng)核心網(wǎng)和骨干傳送網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的沖擊，改善移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)體驗(yàn)。目前，移動(dòng)通信網(wǎng)內(nèi)尚未進(jìn)行視頻CDN的大規(guī)模推廣，但是運(yùn)營(yíng)商和視頻服務(wù)商已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行方案探索和業(yè)務(wù)試點(diǎn)。本文對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和CDN的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，根據(jù)移動(dòng)視頻業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，對(duì)邊緣CDN的部署方式進(jìn)行了探討，提出了業(yè)務(wù)分流解決方案，并對(duì)提出的方案進(jìn)行了分析。