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中國聯通研究院陳杲，龐冉，何濤，曹暢

內容分發網絡（Content Delivery Network，CDN）是一種分布式服務器的系統，它可以根據用戶的地理位置、內容傳遞服務器的狀態和IP網絡連接等預設的標準，向用戶傳遞內容（如網頁、文件、視頻、音頻）^[1]。5G時代，互聯網網絡更加扁平化，而且隨著終端設備指數級增長和AV/VR、云游戲、沉浸式通信和AIGC等對帶寬、時延和計算要求極高的新視頻業務的涌現，傳統CDN已無法支撐這些業務所需要的數據處理需求^[2]：首先傳統CDN的PoP（Pointof Present）節點大部分仍然部署在核心路由器（Core Router，CR）、業務路由器（Service Router，SR）附近，即CDN PoP節點的部署位置在網絡上屬于偏上位置，直接導致用戶請求的內容傳輸時延較大，一般適用于站點加速、直播、點播等實時性要求不高的傳統視頻應用。其次傳統CDN系統由于存在存儲、計算及網絡資源的業務隔離要求，在實際部署應用時一般只為一種業務對象（例如網頁、流媒體視頻等）提供加速分發服務，而不是同時提供混合業務服務。為滿足互聯網企業多元化業務的發展需求，實際上需要配置多個平行的CDN為不同業務對象提供服務，顯然這種模式導致CDN系統建設成本增加，而且節點的服務效率和資源利用率低下。5G網絡的大規模商用已經促使CDN架構發生改變，例如CDN節點將會從CR、SR向網絡邊緣下沉遷移。新視頻業務也催化技術融合，例如CDN通過融合云計算、邊緣計算、5G/5G-A、算力網絡和AI等新技術，顯著提高了CDN的服務效率和服務能力，傳統CDN網絡向CDN算力網絡快速演進^[3]。

邊緣計算（Multi-access Edge Computing，MEC）是實現CDN節點進一步下沉的關鍵，例如CDN節點作為第三方應用部署到MEC平臺，利用MEC平臺為高帶寬、低時延類視頻業務提供高質量的內容分發服務、內容存儲和緩存、局部負載均衡與調度等^[4]。MEC CDN節點與傳統CDN PoP節點的區別在于，MEC CDN可以解決傳統CDN網絡中PoP節點無法下沉到移動網絡中的痛點，并在移動網絡邊緣提供強大的計算能力，為CDN業務及相關應用的發展注入新的活力，例如目前中國移動已經將CDN作為移動網絡基礎設施進行規劃建設，有效推動了5G網絡高質量發展^[3]。MEC CDN的關鍵實現技術是虛擬內容分發網絡（Virtual Content Delivery Network，vCDN），同時基于MEC平臺來部署vCDN，不僅能實現vCDN PoP節點的下沉部署，而且能實現CDN的虛擬化資源在MEC平臺進行統一管控和靈活調度，實現計算和網絡資源的最大化利用，提升CDN服務容量與服務質量。下面本文將對vCDN和MEC vCDN進行詳細分析和說明。

1  虛擬化CDN（vCDN）

傳統CDN受限于各種物理資源的隔離導致無法滿足多元化業務的加速需求，而且無法按需對資源實現彈性擴縮容，而vCDN技術很好地解決了上述問題。

1.1　vCDN實現模式

vCDN是一種使用虛擬化技術的內容交付網絡，能夠根據業務需求以動態和可擴展的方式分配虛擬存儲、虛擬機和網絡資源，可作為第三方虛擬應用程序部署在任何數據中心的服務器或任何支持網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）或軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）功能的設備上。在CDN節點上應用虛擬化技術，實現資源虛擬化，可以根據業務需求動態地分配計算、存儲和網絡資源^[5]。vCDN可以采用虛擬機或容器兩種實現模式，如圖1所示。

圖1 虛擬機和容器部署方式對比

（1）虛擬機模式：CDN服務應用是在虛擬服務器上運行，虛擬機為CDN服務應用提供完整的類似于物理服務器的運行環境。基于虛擬機的虛擬化方式，每臺虛擬機擁有獨立的操作系統，相對應地就有獨立的內核，會占用物理主機的大量系統資源，且遷移運行在虛擬機上的應用程序時，還需要遷移操作系統。相對容器模式，虛擬機隔離性更好，但是創建或啟動等操作更加消耗資源^[6]。由于本地公共主機提供的軟硬件資源無法被不同的vCDN應用程序共享，所以vCDN的性能也會受到一定的限制。

（2）容器模式：CDN應用程序被封裝到容器（如Docker），而不是虛擬機中運行。基于容器的虛擬化方式是指一臺物理服務機上的多個容器共享物理機的系統資源和操作系統。由于不是運行在獨立的操作系統上，所以基于容器，可以更快速、有效地部署應用程序。相比于虛擬機模式，容器模式下的vCDN應用可以共享本地主機的硬件和軟件資源，具有快速啟動、輕量級部署、動態伸縮等優點。

一般來說，虛擬機和容器模式各有優劣及特點，所以在實際的vCDN部署場景中，需要根據具體的應用場景合理選擇部署方案。隨著云計算技術的發展，尤其是云原生技術的逐漸成熟，容器模式目前成為vCDN的主要部署模式，本文搭建的MEC CDN原型系統也是采用容器模式。

1.2　基于MEC的vCDN

為了滿足新視頻業務發展需求，CDN需要基于MEC平臺進行部署，不僅可以實現CDN PoP節點的進一步下沉，而且可以依托MEC實現vCDN PoP節點的編排與調度，形成vCDN PoP節點資源池，對資源進行統一管理和靈活分配，如圖2所示。

圖2 基于MEC平臺部署vCDN

業界對于MEC和CDN的節點融合實現方案主要分為兩大類：

一類是電信運營商方案，特點是為了充分利用電信運營商網絡能力，將vCDN作為一項應用程序部署在MEC平臺上。電信運營商的MEC平臺可作為邊緣網絡出口，也可部署在無線網絡內部，具備移動通信網絡能力開放能力，所以將CDN虛擬化部署在MEC平臺，可以更好地利用網絡能力，內容更加靠近用戶，能夠更快速地響應用戶業務請求。如圖3所示，中國聯通在深圳進行了基于MEC的vCDN邊緣加速試點驗證，通過MEC邊緣云與部署在云端的DNS、CDN及移動客戶端聯動，借助MEC平臺將移動vCDN下沉到運營商的邊緣數據中心^[7]。

圖3 中國聯通基于MEC的CDN邊緣加速方案

中國電信北京研究院在杭州開展了基于MEC+CDN邊緣加速性能技術驗證工作，設計了MEC+CDN邊緣加速方案，并與互聯網方案進行對比：MEC邊緣云平臺部署在基帶處理單元（Base Band Unit，BBU）端，包括了流量卸載（Traffic Offload，TOF）模塊和vCDN邊緣服務。與互聯網方案中將流量傳輸到CDN二級節點進行內容獲取或處理的相比較，本方案是通過MEC TOF模塊分流至vCDN，然后再由vCDN提供UHD-VR直播/點播業務的邊緣服務^[8]。

另一類是互聯網廠商方案，包括兩個主要的方向：一是自建MEC邊緣節點或者利用電信運營商對外提供服務的MEC邊緣節點，在MEC平臺上提供包括vCDN服務。二是對現有CDN PoP節點進行邊緣計算改造，以開放CDN PoP節點的緩存和網絡能力。例如網宿科技CDNPro為用戶提供可編程式CDN交互服務，將業務應用下沉至網絡邊緣側，不僅集成了媒體處理服務，還提供邊緣計算能力，同時也包含內容管理、安全交付等功能^[9]。如圖4所示，阿里云邊緣節點服務（EdgeNodeService，ENS）基于電信運營商邊緣節點和網絡構建，一站式提供“融合、開放、聯動、彈性”的分布式算力資源，幫助用戶將CDN在內的各項業務下沉到網絡邊緣^[10]。

圖4 阿里云CDN邊緣節點升級架構

總之，對于將CDN容器化并部署在MEC平臺上，電信運營商和互聯網廠商各有優勢：對于電信運營商，CDN可以進一步下沉，例如MEC平臺部署到5G基站之后。如何基于通信網絡資源（如利用網絡質量保障能力、提供邊緣組網能力等），提供并管理CDN服務和邊緣計算服務，是電信運營商在CDN系統發展上的一個重要關注點；互聯網廠商的CDN的節點分布是全球化的，可以支持跨國業務，同時CDN服務和業務管理本身更加成熟。由于受限于CDN節點部署位置無法深入網絡，所以互聯網廠商更加關注如何利用現有CDN資源，為用戶提供更加個性化的CDN服務，例如可編程CDN服務。

2　MEC vCDN的部署模式

如果MEC vCDN與傳統CDN的部署模式一樣，即不需要與已有的CDN系統對接，而是獨立地為某個特定對象提供服務，那么MEC vCDN只是作為一套獨立的CDN系統進行部署，不需要與已有的CDN交互和對接。反之，如果MEC vCDN部署后需要與已有的CDN系統進行對接，那么需要提前對MEC vCDN節點的角色和功能進行定義，包括與原有的CDN節點的邏輯關系需要明確。

2.1　ITU MEC CDN

針對上述情況，ITU SG16對于MEC CDN（MEC enabled CDN）與已有的CDN系統如何對接，從MEC CDN節點功能、接口、開放網絡架構和QoS等方面進行了詳細分析和功能標準化工作^[11-13]，其中ITU對于基于MEC的vCDN節點與傳統已有的CDN關系如圖5所示。

圖5 ITU MEC CDN標準定義的聯合部署方式示意圖

由圖5可以看到MEC CDN系統由上到下可分為以下三個級別^[11]：

（1）服務管理級

CDN中心節點與MEC MANO（Management and Orchestration）是互相連接的。MECMANO系統接收來自CDN管理系統的服務編排請求，以保留創建MEC CDN節點所需的資源。CDN管理系 統維護網絡中運行的所有CDN節點，包括MEC CDN節點。此外，已有CDN的GSLB（Gloabl Server Load Balance）用于重定向內容請求，并為最終用戶選擇最合適的CDN邊緣節點，包括MEC CDN節點。

（2）服務分發級

CDN聚合節點可幫助將內容從中心節點分發到邊緣節點。在某些實現中，如果CDN服務覆蓋了有限的小區域，則沒有聚合節點。

（3）邊緣服務級

CDN邊緣節點接收來自終端用戶的內容請求，并將相關的媒體流傳遞給終端用戶。傳統的CDN邊緣節點被部署在網絡的邊緣，但MEC CDN節點可以部署在更接近最終用戶的地方，如聚合網絡或接入網絡。因此，已有傳統的CDN邊緣節點可以看作是MEC CDN節點的上級節點。MEC CDN節點的生命周期由MEC MANO根據CDN管理系統的要求進行處理。

總之，從MEC CDN與原有CDN系統對接配合而言，ITU SG16認為MEC CDN節點是部署在MEC系統上的vCDN。CDN系統的所有節點，包括原有的CDN節點和新增的MEC CDN節點，都是由CDN平臺統一調度管理，而MEC平臺只負責執行CDN節點的鏡像管理、實例創建、網絡配置、可視化管理等功能。

2.2　原型系統搭建

根據上述基于MEC的vCDN概念和架構，我們提出了一種5G MEC vCDN系統驗證平臺的設計實現方案，其中系統模塊包括5G網絡、邊緣計算和CDN平臺等，相關模塊的功能描述和計劃采用的開源平臺如表1所示。通過軟件模擬推流和流媒體播放器拉流播放，我們可以基于該系統原型進行直播、點播等流媒體業務測試，例如通過終端發起的視頻點播放請求，流媒體服務端能夠進行響應，并通過5G模擬網絡將媒體流傳輸到終端。

本系統原型需要搭建模擬的5G核心網以及接入網和UE（User Equipment）來模擬5G網絡的流量轉發，如圖6所示：對于5G核心網，包括AMF、SMF、UPF、NRF、UDM、AUSF、PCF、UDR、NSSF、N3IWF等網元。5G核心網通過UPF實現內容轉發，UPF可以在MEC-vCDN邊緣側部署，使終端流量更少地回到核心網繞行，大大降低了網絡應用訪問時延。我們選擇使用開源項目free5GC來部署核心網。free5GC是一個針對第五代（5G）移動的核心網絡的開源項目，目標是實現3GPPRelease15（R15）及以后版本中定義的5G核心網絡（5G Core）^[14]。接入網以及模擬UE使用openXG進行搭建。openXG是由OS-RAN社區所孵化的面向未來XG通信的開源軟件及硬件項目，旨在形成端到端完全開源的開源無線通信系統。由于openXG自帶rfsimulator，可以實現不使用USRP設備實現gNB與UE的連接，極大地方便了驗證平臺的調試^[15]。

表1 5G MEC vCDN系統原型組件和開源項目

圖6 5G網絡模塊部署示意圖

在MEC的實現上，我們采用華為開源的Kube Edge平臺。Kube Edge是一個開源系統，用于將容器化應用程序編排功能擴展到Edge的主機。它基于Kubernetes構建，并為網絡應用程序提供基礎架構支持、云和邊緣之間的部署和元數據同步^[16]。在vCDN模塊構建的選擇上，我們選擇國內開源的SRS（Simple RealtimeServer）項目，因為其可以通過適當的配置將服務器區分為源站服務器和邊緣側服務器。同時，SRS不僅支持運營級的互聯網直播服務器集群，而且支持多種流媒體協議（RTMP/WebRTC/HLS/HTTP-FLV/SRT）和協議轉換功能^[17]。SRS支持以容器集群的方式部署，支持Docker鏡像、K8s部署、可觀測性日志和監控指標等等。基于上述系統組件，我們在中國聯通研究院主語網絡實驗室進行了實際的系統搭建，MEC vCDN原型系統的網絡部署如圖7所示。

圖7 MEC vCDN原型系統的網絡部署示意圖

基于上述系統原型平臺，在5G模擬網絡的功能測試上，我們驗證了UE-基站-核心網的連接建立以及5G網絡轉發的媒體流傳輸過程。在MEC-vCDN模塊測試上，我們完成MEC邊緣網絡、MEC vCDN、業務日志等相關功能測試，以及CDN推拉流和拉流多路并發的流程測試。總之，通過上述實驗，我們驗證了CDN PoP節點（Edge  Cluster）完成了回源合并：CDN中繼節點（這里是源站，SRS-Oringin）的資源占用沒有明顯的計算消耗變化。

3　結束語

隨著互聯網業務的快速發展，特別是云原生、邊緣計算、人工智能等技術在游戲、視頻、電子商務、工業制造、交通物流等行業的規模應用，使得CDN已經成為互聯網基礎設施中不可或缺的重要組成部分。CDN正在從傳統的互聯網內容交付服務，向針對互聯網資源提供有效管理服務的方向演進，例如實現多媒體算力和分發能力綜合調度，支持邊緣渲染和邊緣推理。

從電信運營商的角度，我們需要基于CDN來打造電信運營商網絡能力的通用綜合使能框架，整合利用廣域確定性網絡、端到端切片、網絡組播、多路徑IP、SRv6等網絡能力，打破現有業務數據與網絡相互獨立的局面，統一實現內容入網和媒體流智能識別，實現對各種視頻業務的統一承載。

作者簡介：

陳　杲，高級工程師，博士，現就職于中國聯通研究院，主要從事邊緣計算方面的相關技術研究及標準化工作。

龐　冉，高級工程師，碩士，現就職于中國聯通研究院，主要從事下一代互聯網、IPv6+和算網融合相關核心技術研究及標準化工作。

何　濤，高級工程師，碩士，現就職于中國聯通研究院，主要從事下一代互聯網IPv6+相關核心技術研究及標準化工作。

曹　暢，教授級高級工程師，博士，現就職于中國聯通研究院，主要從事未來網絡架構、算力網絡等前沿技術研究工作。

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摘自《自動化博覽》2025年2月刊