基于算力网络的vCDN方案探索.pdf

2023 年 11 月基于算力网络的方案探索李蕾（中国移动通信集团广东有限公司，广东 广州 510623）【摘要】针对一种基于算力网络的虚拟内容分发网络渊virtual content delivery network,vCDN冤方案进行研究遥 通过内容分发网络渊content delivery network,CDN冤业务控制器来协同编排 vCDN 业务的算力资源与入网路径袁实现 vCDN 业务算力的动态弹性伸缩尧接入路径的动态最优选择袁以及 vCDN 业务的实时尧连续尧动态部署袁降低业务连接和业务部署的复杂度袁降低业务时延袁确保了网络质量以及提升了用户体验袁达到了通信运营商以网强算尧以算促网的目标遥【关键词】算力网络曰算网协同曰虚拟内容分发网络曰SRv6曰动态弹性伸缩【中图分类号】TN915【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）11-0019-030 引言移动互联网时代，越来越多的人使用移动设备观看视频，丰富自己的业余生活。随着移动用户数量的增加，互联网视频内容提供商的流量压力越来越大，在流量陡增的情况下会出现网络拥塞，从而导致视频卡顿和延时。为了有效解决此问题，避免视频卡顿，降低时延，使内容尽快呈现，缩短用户的等待时间，提升用户的体验，内容分发网络（content deliverynetwork,CDN）应运而生。CDN 就是采用更多的内容缓存服务器，并将其布放在用户访问相对集中的区域或边缘节点。当用户访问网站时，利用全局负载技术，将用户的访问指向距离最近的缓存服务器上，由缓存服务器响应用户请求。用户访问 CDN 的网络架构如图 1 所示。传统 CDN 采用软件硬件一体化技术，带来的问题是需采购一体化专用硬件，建设周期长、软件更新迭代较慢。为了解决这个问题，CDN 逐渐云化，形成虚拟内容分发网络（virtual content delivery network,vCDN）。vCDN 通过云化技术将通用 x86 服务器、ARM 服务器的计算资源、存储资源、网络资源抽象化，转化为可统一管理、灵活调度、动态分配的逻辑资源，按需弹性构建多个相互独立的虚拟机或容器，供 CDN 及上层应用软件使用。与传统 CDN 相比，vCDN 具有以下功能优势：淤vCDN 具有弹性伸缩能力，灵活性较强，可按需调整节点服务能力，根据负载变化情况实现自动、被动的扩缩容。于vCDN 可与其他业务共享底层基础设施，大幅降低 CDN 部署运营成本。盂vCDN 可实现CDN 各签约内容提供方（content provider,CP）的多租户隔离，客户可根据需要自由选择资源、自由进行覆盖配置。vCDN 架构主要包括以下功能组件：淤缓存组件。缓存组件提供内容缓存和内容服务功能，每个vCDN 可包含多个内容缓存组件，内容缓存组件通过负载均衡组件进行调度。于负载均衡组件。负载均衡组件作为边缘节点对外提供业务访问服务的第一入口，将内容请求均衡调度到各内容缓存组件，负载均衡组件可根据业务场景（OTT 视频、大小文件等），采用不同的调度方式，如超文本传输协议（hypertexttransfer protocol,HTTP）重定向、七层负载均衡等，将业务请求引流到不同缓存组件。盂其他辅助组件。网管客户端、日志采集组件等辅助组件，配合管理系统实现对边缘节点 vCDN 业务的运维管理。1 传统 CDN 面临的问题传统 CDN 资源调度是依据各 CDN 节点的负荷、内容资源分布情况、用户接入位置等进行的，主要存在以下两个问题：淤CDN 节点资源静态部署，无法根据 CDN 节点的负荷动态弹性伸缩，存在 CDN节点利用率不均匀的问题，特别是有潮汐效应的场景，问题更加明显。业界通过大数据来实现 vCDN 的图 1用户访问 CDN 的网络架构中心节点边缘节点边缘节点用户边缘节点边缘节点边缘节点通信设计与应用192023 年 11 月调度1，虽然问题有所改善，但服务质量没有明显提升。于在网络流量较大时，易发生网络拥塞或丢包，在突发业务发生时，网络服务质量影响内容服务质量，严重影响了用户的业务体验。上述问题可通过算力网络来解决，通过对 CDN 算力需求和算力资源池的感知，动态调度算力资源，对网络连接进行动态控制，确保 CDN 业务的实时性和流畅性，提升用户体验。2 通信运营商算力网络方案及目标算力网络将“算力+网络”作为一体化的生产力统一供给、发展，达到以网强算和以算促网的目标。以网强算是指借助基础网络系统化优势改变算力单点薄弱的现状，有利于国家整体算力布局。以算促网量指将算力调度的高需求转化为网络超宽带智能发展的动力，有利于网络持续领先发展。通信运营商算力网络的演进从目前的算网分治逐步走向算网协同，最终发展为算网一体化。基于目前边缘计算的发展，通信运营商算力网络将实现多个边缘节点算力资源的合理分配和调度，提升用户的业务体验，提高资源的利用率。3 基于算力网络的 vCDN 方案目前，通信运营商算力网络处于算网协同阶段，主要特点是网随算动、协同编排/运营。基于算力网络的 vCDN 方案如图 2 所示，该方案由云控制器来负责算力的编排，由网络控制器负责网络的编排，一般是软件定义网络（software defined network,SDN）控制器，由 CDN 管理器接收云控制器和网络控制器上报的算力状态和网络状态，完成 CDN 节点的动态调度，将业务引流到最佳的服务节点。3.1 vCDN 算力的弹性伸缩由于 vCDN 业务具有潮汐效应，基于算力网络的 vCDN 方案可对 vCDN 资源池中的缓存节点进行动态弹性伸缩。首先，vCDN 资源池主要提供算力、存储和虚拟网络。算力主要是为边缘云应用按需提供云服务器（elastic compute service,ECS）或裸金属服务器（baremetal server,BMS）。存储包括持久化的云盘和高性能、大容量的对象。网络主要通过云内的 SDN 控制器，为边缘云应用提供虚拟路由器、虚拟网络、弹性IP 等，并能实现云内业务地址按需分配，并提供高性能网卡和高性能虚拟交换机，满足 vCDN 等大流量、低时延业务的需求。其次，边缘云中支持 IPv6 双栈、组播和负载均衡。通过 L4 和 L7 的服务器负载均衡（SLB）及云内的弹性伸缩服务，可以实现对 CDN 业务的动态弹性伸缩。当 CDN 缓存节点负荷较重时，可调用 vCDN 资源池的云计算管理接口，添加适量的缓存节点，并修改 SLB 的分发策略，将业务请示分发到新的缓存节点上；当 CDN 缓存节点的负荷较轻时，可适当缩减缓存节点数目。因此，通过弹性伸缩，无论节点是繁忙还是空闲均可实现对 vCDN 节点的合理充分利用，确保业务体验的一致性。3.2 vCDN 端到端的服务质量保障首先，网络控制器（一般为 SDN 架构）实时获取网络中各节点及路径网络质量状态，如网络节点的可用性、网络链路的连通性、丢包数量、时延及网络抖动等态势，并作为网络编排的参考依据2。其次，在网络控制器上充分利用 SRv6 的网络可编程特性，对前述感知到的丢包、时延、网络抖动等质量因子进行门限控制，以确定 vCDN 业务的分段路由路径。当相关质量因子超过容许门限时，网络控制器会将该路径从候选路径中删除，当相关质量因子低于设定门限时，该路径将被添加到候选路径中。网络控制器会为 vCDN 业务选择一条丢包少、时延最低、抖动小的链路。若出现相关质量因子都超过门限阈值的情况，无法按 SRv6 策略选出合适的分段路由路径，网络控制器将剔除相关质量因子，优先保证用户的基本连接3。综上，通过基于 SDN 架构的网络控制器及 SRv6在网络路径、业务、转发行为方面的可编程能力，可以很好地满足不同 vCDN 业务对网络路径的需求，实现网络与应用的互动，形成业务驱动的可编程网络，提供 vCDN 端到端的服务质量保障。3.3 vCDN 业务与网络的协同编排通过 CDN 管理器，可以实现业务与网络的协同编排。首先，CDN 管理器在调度业务时，会先获取vCDN 节点的位置、节点健康性、节点负载状态、节点忙闲状态，再从网络控制器获取所有 vCDN 节点的图 2 基于算力网络的 vCDN 方案CDN 管理器云控制器对 vCDN 等云业务进行编排与管理控制云控制器对 vCDN 进行部署、弹性伸缩等生命周期管理vCDN 选择vCDN 节点位置节点健康性节点负载状态节点忙闲状态节点地域网络质量请求网络调优请求网络控制器管理状态监控配置管理CMNET云专网vCDN缓存组件SLB（L7）边缘云SLB（L7）缓存组件SLB（L4）通信设计与应用202023 年 11 月网络服务质量。其次，通过云控制器了解 vCDN 资源池是否可以弹性伸缩，并根据网络服务质量信息来综合确定更优的 vCDN 服务节点4。再次，在 CDN 管理器确定更优的节点后，向网络控制器提出网络质量优化要求，网络控制器下发配置、建立连接隧道，并下发 SRv6 Policy 策略。最后，通过 vCDN 资源池算力及网络信息的综合决策，以及持续的网络质量的优化处理，有效提升 CDN 业务质量，实现 vCDN 业务的差异化服务。例如，直播业务和点播业务可以提供不同 VIP 等级的服务5。4 业务实验部署与结果分析4.1 业务实验部署通信运营商进行了基于算力网络的 vCDN 方案业务实验，具体部署如下。（1）网络控制器通过中国移动（CMNET）接入机房的宽带远程接入服务器 1（BRAS 1），同时通过BRAS 1 纳管全业务路由器 1（SR 1）和 SR 2。（2）在 vCDN 资源池所连接的 SR 上配置静态路由，目的地址为 vCDN，下一跳为边缘云的 DC谣GW 的接口地址。（3）在 SR 1 和 SR 2 上配置引流策略。目的地址为测试用户，引流到 SRv6 Policy。（4）配置 DC谣GW 1 的策略路由。淤源地址为vCDN 1，目的地址为测试用户，下一跳地址为 SR 1。于源地址为 vCDN 2，目的地址为测试用户，下一跳地址为 DC谣GW 2。（5）DC谣GW 2 的策略路由如下。淤源地址为vCDN 1，目的地址为测试用户，下一跳为 DC谣GW 1。于源地址为 vCDN 2，目的地址为测试用户，下一跳地址为 SR 2。（6）BRAS 1 和 DC谣GW 分向 CMNET 通告测试用户、SR 的 loopback 地址和vCDN 的路由信息。（7）实验中通过压测工具对 vCDN 进行压力测试，通过损伤仪对报文进行损伤测试以模拟劣化网络质量。（8）实验中模拟 CMNET 链路劣化和 vCDN 过载两种场景。4.2 结果分析4.2.1 CMNET 链路劣化（1）不启用算网协同。淤通过损伤仪在 SR 1 下行制造劣化，网络通过双向主动测试协议检测到网络状态劣化，测试用户的业务质量变差。于测试用户体验变差，测试用户重新尝试获取数据和业务，发现仍然从 vCDN 1 上获取数据和业务，业务质量未能恢复。盂停止对网络的劣化操作，发现业务质量恢复。（2）启用算网协同。淤通过损伤仪在 SR 1 下行制造劣化，网络通过双向主动测试协议检测到网络状态劣化，测试用户的业务质量变差。于测试用户体验变差，测试用户重新尝试获取数据和业务，这时网络控制器计算当前最优节点为 vCDN 2，将服务节点调整至 vCDN 2，业务质量恢复。盂停止对网络的劣化操作，再次发起获取数据和业务请求，恢复到更优的 vCDN 1 提供服务。4.2.2 vCDN 过载（1）通过压测工具在 vCDN 1 上制造过载，触发vCDN 1 弹性扩容。进一步加大过载，直至 vCDN 1 不再扩容，测试用户的业务质量变差。（2）测试用户体验变差，重新尝试获取数据和业务，CDN 控制器计算并将服务节点调整为更优的vCDN 2，业务质量恢复。（3）降低压测强度直至取消压测，vCDN 1 触发弹性缩容。用户再次获取数据和业务，恢复到更优的vCDN 1 提供服务。5 结语通过算力网络下的 vCDN 业务探索发现，算网协同可以有效支撑业务实现实时、连续、动态部署，提升用户体验，可降低业务连接和业务部署的复杂度，达到以网强算、以算促网的目标。随着通信运营商算力网络向融合统一、一体内生演进，包括 vCDN在内的业务用户体验将会得到进一步的提升。参考文献1 陈步华，梁洁，陈戈，等.基于大数据平台的改进的 VCDN任务调度模型研究J.广东通信技术，2018，38（9）：6-10.2 叶沁丹，范贵生，黄衡阳.算力网络一体化支撑方案及应用场景探索J.数据与计算发展前沿，2022，4（6）：55-66.3 郭湘南，王功乾，伍时扬，等.边缘计算与 CDN 的资源协同方案J.光通信研究，2021（3）：16-19.4FILELIS谣PAPADOPOULOS C K,GIANNOUTAKIS K M,GRAVVANIS G A,et al.Simulating large vCDN networks:aparallel approach J.Simulation modelling practice andtheory,2019（92）:100-114.5 滕勇隽，陈戈.CDN 缓存空间调整优化方法J.广东通信技术，2021，41（9）：50-52.作者简介院李蕾（1992），女，汉族，广东广州人，硕士研究生，工程师，主要从事数字化平台计划建设工作。通信设计与应用21