趙圣隆

(山西工程科技職業(yè)大學計算機工程學院 山西 晉中 030619)

0 引言

隨著5G時代的到來,計算機網(wǎng)絡的技術發(fā)展與應用又邁上了一個新的臺階,結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術,在智慧城市、智慧交通、智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領域都有著廣泛的應用前景。其中網(wǎng)絡虛擬化、網(wǎng)絡緩存等關鍵技術對5G架構(gòu)設計與實現(xiàn)起到了至關重要的作用,針對這一研究現(xiàn)狀,本研究在5G網(wǎng)絡架構(gòu)基礎上,對網(wǎng)絡虛擬化技術在網(wǎng)絡硬件資源虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(software defined network,SDN)架構(gòu)中的應用、網(wǎng)絡緩存技術在內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(content delivery network,CDN)分布式網(wǎng)絡緩存機制中的作用展開了深入研究,包括5G接入網(wǎng)的網(wǎng)絡功能虛擬化(network functions virtualization,NFV)架構(gòu)功能部署、承載網(wǎng)SDN分層實現(xiàn)、CDN邊緣計算緩存機制構(gòu)建等。

1 5G概述

5G是在4G網(wǎng)絡基礎上構(gòu)建的一種新型網(wǎng)絡架構(gòu),相較于4G網(wǎng)絡,5G網(wǎng)絡對網(wǎng)絡時延性能提出了更高的要求,在一些特定的局部場景中能夠?qū)崿F(xiàn)超高速率的數(shù)據(jù)傳輸,最低時延也達到了1 ms以下,并且支持更加廣泛的移動性場景通信。5G采用了一系列新網(wǎng)絡技術,包括高頻率帶、多天線技術、網(wǎng)絡切片等[1],以實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的延遲和更高的可靠性。5G架構(gòu)包括核心網(wǎng)、邊緣計算和無線接入等多個部分[2],這些部分相互協(xié)作,共同構(gòu)成了5G網(wǎng)絡的基本架構(gòu),如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡架構(gòu)示意圖

在5G架構(gòu)中,將網(wǎng)絡劃分為三個功能層級:接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)。接入網(wǎng)負責各類設備終端的信號接入,其中運營商基站是接入網(wǎng)的主要組成設備,這些基站設備包括又包括三個組成部分:基帶處理單元(building baseband unit,BBU),用于調(diào)制信號;遠端射頻單元(remote radio unit,RRU)用于處理射頻信息;射頻天線,用于線纜導行波與無線空間波的信息轉(zhuǎn)換。承載網(wǎng)負責數(shù)據(jù)的匯聚與傳輸,為了確保網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r延、高響應,需要依賴兩項關鍵的網(wǎng)絡功能:網(wǎng)絡切片與邊緣計算,網(wǎng)絡切片主要是利用虛擬化技術實現(xiàn)業(yè)務功能與網(wǎng)絡控制、軟件與硬件的解耦,以增強網(wǎng)絡架構(gòu)的可擴展性和靈活性[3];邊緣計算則是通過網(wǎng)絡緩存等技術實現(xiàn)計算、存儲資源與終端用戶的近距離關聯(lián),從而提高網(wǎng)絡的響應速度和效率。核心網(wǎng)主要負責數(shù)據(jù)處理,該層功能被分成了多個模塊,包括用戶面、控制面和管理面,這些模塊可以獨立部署和升級,從而實現(xiàn)更高的靈活性和可靠性。

2 計算機網(wǎng)絡關鍵技術

2.1 網(wǎng)絡虛擬化技術

網(wǎng)絡虛擬化技術是一種將網(wǎng)絡資源進行抽象化、分離和隔離的技術,可以將一個物理網(wǎng)絡劃分成多個虛擬網(wǎng)絡,從而實現(xiàn)多租戶共享、資源利用率提高、網(wǎng)絡管理簡化等優(yōu)勢。常見的網(wǎng)絡虛擬化技術包括虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network,VLAN)、虛擬專用網(wǎng)絡(virtual private network,VPN)、虛擬路由器(virtual router,VRouter)等,其中VLAN可以將一臺交換機劃分為多個虛擬網(wǎng)絡,實現(xiàn)不同的用戶或應用之間的隔離;VPN可以通過公共網(wǎng)絡連接不同的站點或用戶,實現(xiàn)安全的遠程訪問和數(shù)據(jù)傳輸;VRouter可以將多個物理路由器虛擬化為一個邏輯路由器,提高網(wǎng)絡的靈活性和可靠性。除此之外,應用于5G網(wǎng)絡的虛擬化技術主要包括NFV和SDN。

NFV是由歐洲電信標準化協(xié)會(European Telecommunication Standard Institute,ETSI)提出的一個網(wǎng)絡專用物理設備虛擬化共享的標準化解決框架[4],目的是將物理設備與運行其上的業(yè)務功能實現(xiàn)解耦,通過網(wǎng)絡虛擬化技術提供一套通用的網(wǎng)絡業(yè)務部署方案,允許各類網(wǎng)絡功能,如路由、防火墻、負載均衡等可以軟件的形式運行在虛擬的通用硬件之上,而不是專用設備上。這種架構(gòu)可以有效提高網(wǎng)絡部署的靈活性、可擴展性和可管理性,同時降低網(wǎng)絡設備的成本和復雜性。

SDN是一種新型的虛擬網(wǎng)絡架構(gòu),核心思路也是要利用虛擬化技術實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的解耦[5],以提高網(wǎng)絡系統(tǒng)的靈活性。與NFV不同的是,NFV負責的是具體的網(wǎng)絡軟硬件設備解耦,SDN是針對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠矫娼怦?實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的解耦[6]。

2.2 網(wǎng)絡緩存技術

網(wǎng)絡緩存是一種將常用的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲在本地緩存中,以提高訪問速度和減輕網(wǎng)絡負載的技術,其核心思想是以時間換空間、以局部換全部,通過預判、調(diào)度等機制提前將可能要訪問到的數(shù)據(jù)進行傳輸和本地存儲,將面向廣域的數(shù)據(jù)訪問轉(zhuǎn)換為面向局部的本地訪問或鄰近訪問。網(wǎng)絡緩存對改善網(wǎng)絡擁塞、內(nèi)容分發(fā)效率,降低傳輸時延都具有十分重要的意義,常用的網(wǎng)絡緩存技術包括瀏覽器緩存、代理服務器緩存和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡等。瀏覽器緩存是基于HTTP傳輸協(xié)議構(gòu)建的一種WEB服務緩存機制,該機制允許將HTTP請求的響應結(jié)果在一定有效期內(nèi)緩存至本地瀏覽器,之后HTTP請求相同結(jié)果時,即可從本地瀏覽器緩存中快速獲取;代理服務器緩存是指在網(wǎng)絡中部署代理服務器,為鄰近范圍內(nèi)的客戶端提供數(shù)據(jù)緩存服務,同時為了滿足海量數(shù)據(jù)的緩存服務,可由緩存服務器集群組建緩存資源池來實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的緩存,涉及的核心問題包括兩個方面:一是緩存資源池的位置部署;二是緩存資源的有效調(diào)度。緩存資源池的位置部署決定了哪類資源緩存至哪的問題,即網(wǎng)絡節(jié)點負責哪類數(shù)據(jù)信息的緩存;緩存資源的調(diào)度則主要解決新舊緩存資源的更新、替代問題。CDN是在現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎上結(jié)合虛擬化技術構(gòu)建虛擬的智能網(wǎng)絡,通過邊緣服務器部署進行邊緣數(shù)據(jù)緩存,將源站內(nèi)容直接發(fā)布至距離用戶最近的緩存節(jié)點,以盡可能保證用戶鄰近訪問,從而提高數(shù)據(jù)緩存的命中率與網(wǎng)絡響應速度。

3 虛擬化技術在5G網(wǎng)絡中的應用

3.1 網(wǎng)絡硬件資源的虛擬化

NFV主要工作在5G網(wǎng)絡的接入網(wǎng),作用是實現(xiàn)接入網(wǎng)各類信息采集終端的專用設備硬件與軟件功能的解耦[7],其架構(gòu)設計如圖2所示。

圖2 NFV架構(gòu)示意圖

NFV架構(gòu)主要包括四個組成部分:運營/業(yè)務支撐系統(tǒng)、網(wǎng)絡功能虛擬化模塊、硬件資源虛擬池化和NFV虛擬管理器。

硬件資源虛擬化用于實現(xiàn)硬件資源的抽象化和邏輯映射,抽象化的硬件資源主要分為三類:計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡資源,將這三類資源匯聚為邏輯資源池,并與硬件資源之間建立映射關系。通過虛擬化資源池的構(gòu)建就可以為網(wǎng)絡提供虛擬計算、虛擬存儲、虛擬網(wǎng)絡等功能服務。

網(wǎng)絡功能虛擬化模塊用于實現(xiàn)網(wǎng)元的虛擬化實例管理,在5G網(wǎng)絡中接入終端以基站為單位進行組織和管理,這些基站就可以看作是不同的網(wǎng)元,依據(jù)其功能不同,5G網(wǎng)絡網(wǎng)元有很多,例如接入和移動性管理功能網(wǎng)元,主要提供終端接入時的設備認證、權力鑒定等功;會話管理功能網(wǎng)元負責接入設備的IP分配、隧道維護、UP功能選擇、QoS控制等功能。網(wǎng)絡功能虛擬化模塊對虛擬化的硬件功能實例化為邏輯網(wǎng)元,并以網(wǎng)元為單元進行管理和資源調(diào)度。

運營/業(yè)務支撐系統(tǒng)具有兩方面功能:一是對傳統(tǒng)的、未虛擬化的網(wǎng)絡硬件資源提供環(huán)境支撐和管理;二是對虛擬化的網(wǎng)元實例進行編排與管理,該功能需與NFV虛擬管理器交互實現(xiàn)。

NFV管理器由NFV調(diào)度器、NFV編排器、NFV虛擬基礎設施管理器組成。該模塊通過與運營/業(yè)務支撐系統(tǒng)的交互協(xié)調(diào),實現(xiàn)NFV虛擬化系統(tǒng)整體業(yè)務的部署、調(diào)度、編排等功能。

3.2 SDN架構(gòu)

SDN服務架構(gòu)部署在承載網(wǎng),主要用于解決5G網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點數(shù)據(jù)層與控制層的高耦合問題,是實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的關鍵技術[8]。SDN采用網(wǎng)絡虛擬化技術對數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡架構(gòu)實現(xiàn)了邏輯分層,分為了數(shù)據(jù)平面、控制平面與應用平面三個層級,如圖3所示。

圖3 SDN層級結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)平面為SDN架構(gòu)的硬件底層,主要由路由器、交換機等物理設備和虛擬設備構(gòu)成,專用于承載網(wǎng)中數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)、信道狀態(tài)收集和;控制平面以SDN控制器為核心,對數(shù)據(jù)平面的物理資源進行虛擬化映射,在此基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)包協(xié)議封裝與解析、網(wǎng)絡協(xié)議配置、全局資源調(diào)度、負載均衡等網(wǎng)絡服務的管理,并通過南向接口向數(shù)據(jù)平面發(fā)送控制指令;應用平面負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略的部署,多種SDN應用的開發(fā)和拓展,并通過北向接口下發(fā)至控制平面。通過SDN架構(gòu)可以有效改善承載網(wǎng)的靈活可控、可編程、可拓展等性能,大大提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率。

4 網(wǎng)絡緩存技術的應用

4.1 CDN分布式網(wǎng)絡緩存機制的構(gòu)建思路

5G網(wǎng)絡主要采用的是CDN分布式網(wǎng)絡緩存機制[9],機制構(gòu)建思路:首先在NFV、SDN網(wǎng)絡架構(gòu)的支撐下,針對不同設備功能做切片細分,例如針對提供移動數(shù)據(jù)、語義服務進行移動蜂窩網(wǎng)絡切片,針對智能駕駛中車載數(shù)據(jù)服務進行車聯(lián)網(wǎng)絡切片;其次在網(wǎng)絡邊緣部署分布式網(wǎng)絡緩存節(jié)點,通過網(wǎng)絡虛擬化技術將緩存節(jié)點抽象為虛擬資源池,并由虛擬資源池向網(wǎng)絡切片提供資源服務;最后通過部署在緩存節(jié)點的邊緣計算機制實現(xiàn)網(wǎng)絡緩存的資源調(diào)度與管理。

4.2 邊緣計算

邊緣計算是部署在5G網(wǎng)絡邊緣服務器上的一種數(shù)據(jù)緩存調(diào)度機制,邊緣服務器是網(wǎng)絡中最靠近終端用戶的服務節(jié)點,主要解決的問題是通過網(wǎng)絡緩存技術向終端用戶提供高效率、低時延的數(shù)據(jù)訪問服務。5G網(wǎng)絡終端用戶通過移動網(wǎng)絡進行信息交互和資源共享,移動網(wǎng)絡的架構(gòu)大致可以劃分為核心網(wǎng)與邊緣網(wǎng)絡兩個部分,部署于邊緣網(wǎng)絡位置的服務器就稱為邊緣服務器。假定用戶卸載的所有任務資源均可被邊緣服務器執(zhí)行和管理,就可認為邊緣服務器達到了最佳的性能狀態(tài),但這顯然是不可能的,因此應盡可能提高邊緣服務器的資源緩存命中率,而邊緣計算就是CDN分布式網(wǎng)絡緩存效率保障的關鍵。

邊緣計算機制的實現(xiàn)主要涉及兩個方面:

一是網(wǎng)絡模型的搭建,網(wǎng)絡模型搭建目前最常采用的是分層式多服務器協(xié)同模式。該模式采用云服務與多個邊緣服務器分層協(xié)同的方式組成了有限區(qū)域內(nèi)的邊緣計算系統(tǒng),以提供統(tǒng)一的資源緩存、調(diào)度服務。相較于邊緣服務器,云服務具有更加優(yōu)越的存儲和運算性能,因此以云服務為中心層,多邊緣服務器為區(qū)域節(jié)點為用戶提供分層式的緩存服務,可以有效保障邊緣計算系統(tǒng)的服務可靠性。當用戶獲取的資源邊緣服務器無法滿足時,用戶即可直接向云服務請求資源,而各個邊緣服務器之間也可以相互進行通信,以達到協(xié)同目的。

二是核心算法的選擇,算法主要目的是實現(xiàn)邊緣節(jié)點上緩存資源的合理預測和調(diào)度,以提高用戶請求的命中率。邊緣計算的算法有很多,大致可以分為特征預測與過程推導兩類,特征預測是指通過提取用戶的人工特征,例如用戶類別、社交網(wǎng)絡類型、上下文信息等,從特征中分析用戶喜好與操作習慣,從而預測用戶的訪問需求,并進行相應資源的調(diào)度分配;過程推導是通過對用戶信息轉(zhuǎn)發(fā)過程的記錄、特征提取和建模,將預測結(jié)果的計算過程轉(zhuǎn)化為速率函數(shù)的計算過程,用不同的速率函數(shù)來描述各種預測結(jié)果的可能性,可能性越大則表示相關數(shù)據(jù)的訪問命中率越高。

5 結(jié)語

綜上所述,5G是計算機網(wǎng)絡最為重大的一次技術變革,為計算機網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能家居等領域的應用奠定了基礎。基于此背景,本研究結(jié)合5G網(wǎng)絡架構(gòu),對計算機網(wǎng)絡的關鍵技術進行了深入研究,并對網(wǎng)絡虛擬化技術和網(wǎng)絡緩存技術在5G網(wǎng)絡架構(gòu)中的應用進行了探討,包括NFV架構(gòu)功能在網(wǎng)絡硬件資源虛擬化中的應用、SDN網(wǎng)絡切片技術的實現(xiàn)原理、CDN分布式網(wǎng)絡緩存機制的構(gòu)建,以及邊緣計算緩存機制的部署等內(nèi)容,為5G網(wǎng)絡關鍵技術的研究提供了一定的參考經(jīng)驗。