基于SDN/NFV的vCDN网络演进*

2017-01-16王凌志程小芳

通信技术 2016年11期

关键词：业界架构调度

王凌志，乔楚，程小芳

（四川通信科研规划设计有限责任公司，四川成都 610041）

基于SDN/NFV的vCDN网络演进*

王凌志，乔楚，程小芳

（四川通信科研规划设计有限责任公司，四川成都 610041）

全球信息化步伐的加快，使得视频业务需求量出现井喷，从而对现有CDN网络的承载、运算、调度能力提出了更高要求。vCDN网络所具备的智能化弹性调度机制，可大幅提升全网业务工作效率及网络设备利用率。分析业界现有CDN网络存在的问题，结合SDN/NFV架构特征，指出控制层关键性能与安全性、集中控制实现方式、接口协议归一化及多控制器协同为代表的一系列技术突破点，提出基于SDN/NFV网络架构的vCDN网络架构及其特点，以推进以运营商CDN网络为代表的基础网络的未来转型思路。

内容分发网络；虚拟化内容分发网络；软件定义网络；网络功能虚拟化；智能化

0 引言

随着全球迈入信息化时代步伐的提速，从起初被用作单纯的娱乐消遣﹑沟通互联，到成为人们日常生活﹑工作不可分割的要素，互联网正以令人瞠目的方式，引领着新时代的未来。内容分发网络CDN（Content Delivery Network）作为新一代通信网络改造的幕后推手，诞生至今与互联网携手历经二十载，目前被业界各方主要应用于流媒体及视频类业务的网络加速服务领域。

1 CDN现网面临的问题

尽管通过CDN网络的部署已基本实现网络服务加速的最初愿景，但并非意味着CDN网络没有短板。业界目前主流的CDN网络架构通常在以下方面仍有待完善和突破[1]。

第一，专用设备组网，存在大量私有接口，网络结构复杂，导致刚性网络形成。

第二，被设备厂商深度捆绑，形成垂直式封闭架构，设备拓展性差，利用率无法深度挖掘。

第三，业务创新受制于设备功能限制，开发﹑上线周期长，业务间融合性差。

第四，多厂家设备差异导致组网结构复杂，网络投资均无法进一步得到控制。

2 CDN网络SDN/NFV化驱动力

不论是对互联网亦或是对CDN网络，新信息时代的到来，均已对其提出更高﹑更新的要求。目前，CDN架构体系正处于向下一代虚拟化vCDN架构过渡的关键时期，软件定义网络（Software Defined Network）和网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization）两个当下最受关注的新技术异军突起。它们的出现为现有CDN网络架构和应用未来转型开启了新的思路。

国内互联网的发展面临“两难”的处境：一方面，“互联网+”的大旗高速推动着市场的发展，CDN网络正享受着互联网市场这块蛋糕带来的滋润而蓬勃发展；但另一方面，正是因为巨大的市场潜力，让业界的利益各方看到数不尽的隐藏商机。在互联网业向未来多样化﹑生态化发展的同时，市场的竞争几近惨烈。作为承载业务的主流架构，CDN网络从“被动顺应”向“主动适应”的自我重塑转型已势在必行。

3 SDN/NFV架构的CDN网络演进原则

技术的演进往往是在摸索中前行的漫长过程。该过程必定会有很长的阶段是新老系统并存的格局，如何确保SDN/NFV技术稳定落地并以“新”带“老”，引导CDN网络最大化发挥现网资源的效能，是网络新老架构并存阶段最为重要的课题之一。

从全局来看，CDN向vCDN网络的重构，应当遵循以下主要原则[1-2]：

第一，在技术﹑资金及人力等生产要素可达的前提下，优先基于SDN/NFV的方式来部署未来CDN系统与业务，以保持业务与系统向新架构下的良性迁移。

第二，敢于突破传统网络模式禁锢，如组网模式﹑运维模式等，保持开放心态迎接新运营模式的注入，大胆探索演进新思路。

第三，注重网络东西向（针对不同专业和厂家而言）的融合开放性，避免在vCDN网络中再次形成新型封闭式组网。

4 基于SDN/NFV架构的vCDN网络

新一代网络建设重在强调构建转控分离﹑全局控制集中化的开放化网络环境，如图1所示。在这种体系内部，vCDN资源可以被抽象地视为一种虚拟化的网络能力；vCDN网络节点不再关注网络负载均衡﹑业务调度及网络管理等业务逻辑能力，而是将注意力更多地转移至数据缓存﹑业务快速转发等方面，提升硬件设备效能；引入具备强大能力的SDN控制器，将网络的控制权集中交由其归一化管理，形成统一的控制平面，全局统筹调度，实现网络能力的按需分配，构建新型弹性网络体系[3-4]。

图1 基于SDN/NFV的CDN网络架构

4.1 网络简化，与业务逻辑解耦

随着转控分离的实现，vCDN网络内各单元之间职责更加分明，网络层次及业务调度流程均得到进一步整合。就网络能力而言，底层网络设备仅负责数据转发与数据存储等职责，控制层设备也只需专注于全局的调度与管理，处于两个不同平面的硬件设备能力均得到最大程度的发挥；就网络架构而言，不同网络层面间设备分工明确，各司其职，业务流程较现有CDN架构也进一步简化，从而提升了全网服务能力和效率[3,5]。

4.2 控制权收敛，全局统筹

基于SDN/NFV构建的网络，由于统一SDN控制器的引入，将底层硬件设备的控制权剥离并收敛，如图2所示。这种逻辑上的集中控制模式，可以对网络中的全网调度策略﹑路由算法及业务需求等进行统筹优化和灵活调配，利于全局负载均衡﹑全网业务调度及QoS动态管控等网络智能化改造的实现。

图2 转控分离与控制集中化

站在宏观角度来看，集中控制方式使全网在逻辑上可被视为一个整体，这有利于网络动态性和自动化需求的实现。若路由或调度策略需要改动，只需通过控制器下达事先编排好的业务指令即可，而无须再到现场对单台硬件设备进行更新配置，大幅提升了网络运维管理灵活性和便捷性，为现有成熟网络运维模式探索未来演进方案开启了新的思路。基于SDN/NFV的vCDN网络功能架构，如图3所示[5]。

图3 基于SDN/NFV的vCDN网络功能架构

4.3 接口开放化

北向接口是SDN控制器面向业务应用的开放接口，其职责主要是使业务应用能够灵活﹑按需地调用网络资源和能力。以何种标准来统一定义和规范北向接口，业界虽尚未达成统一结论，但需具备充分的开放性﹑便捷性与灵活性。这已经成为未来的北向接口规范的基本原则，势必会加快新业务的上线周期和注入时间，以迎合未来复杂多变的快节奏业务创新需求。

5 现网SDN/NFV化的突破点

尽管SDN/NFV架构对未来基础网络的改进意义深远，甚至是革命性的，但随着业界对该架构技术研究的深入，一些具体的问题和难题也逐渐浮出。这些对现有CDN网络架构SDN/NFV化演进构成的挑战，都有待业界共同努力，以寻求更好的解决办法。

5.1 控制层关键性能与安全性

作为SDN/NFV体系架构下的“大脑”，SDN控制器的核心地位彰显无遗。它自身性能和稳定性等基础性能的好坏，直接决定了SDN/NFV体系是否能够发挥最大效能。通过目前业界SDN实验室的不同厂家间设备的测试结果来看，部分SDN关键指标（流表容量﹑流表转发速率与时延等）在不同设备上呈现出明显差异，难以稳定满足SDN架构的高性能转发需求，距全面商用的标准仍有一定差距。因此，就技术层面而言，基于SDN体系架构内的专用芯片架构及方案还有较大改进和优化空间[6-7]。

此外，集中化控制如同一把双刃剑，在带来全网智能﹑统筹管理便利的同时，也使得控制器的稳定性和安全性成为全网和谐运行的痛点。一旦SDN控制器发生任何可能的安全性风险，随之带来的将是不可想象的全网性能力劣化甚至瘫痪。如何有效规避可能存在的控制器负载过大﹑控制器失效等风险，并针对控制器自身以及控制器与应用层/转发层之间的安全问题，建立一套独立﹑完善的保障机制，如制定主/备控制器策略﹑基于负载均衡机制的集群化SDN控制器等，将是SDN/NFV演进过程中有待探索和论证的焦点。

5.2 集中控制的实现方式

对于SDN/NFV体系的逐步引入与普及，SDN控制器将成为业界厂商角逐的焦点。控制器自身的架构体系还未统一，而SDN体系中控制层的性能又关乎整体网络的性能。对于不同领域﹑不同专业的网络而言，SDN控制器的实现方式与内部层次架构均大相径庭，硬件设备也可能由不同的通用或专业控制器共同组成。因此，各网络间﹑各厂家间不同控制器之间的协同仍将是值得研究的课题。

5.3 接口/协议归一化

虽然开放化﹑统一化的网络环境具有相当广阔的发展前景，且SDN的标准化组织ONF已经提出以基于IT思路的模型/模板方式实现接口统一的思路（北向接口以RESTful为主，OpenFlow不再是唯一的南向接口），将来厂家只需开放自己的模型即能实现互通[6]。但由于各自利益所趋，厂商间制定的接口方案相对独立，彼此间的支持程度互有差异﹑各有长短，很难简单判定某个厂商的方案更能作为业界标准。因此，在众多复杂因素的影响下，厂商间因自身利益各自为战的局面难以在短时间内消除。对于SDN统一标准体系如何建立一系列具体问题，业界还将存在很大争议。此外，在厂家间设备互操作性方面，由于厂商对SDN标准支持的程度不同，也很难在短时间内在彼此间实现完全互开放与互操作。

5.4 多控制器协同

多控制器协同，又一个SDN/NFV演进中面临的关键问题。如今的通信行业几乎都已进入规模化发展阶段，业务范围的拓宽对通信网络的可拓展性都提出了很高要求。对单个SDN控制器而言，其硬件设备的能力毕竟有限，亦不能单纯采用硬件堆叠方式对其进行无限制的扩容。因此，在后期的网络建设发展中，势必会出现多个SDN控制平面之间协同配合的网络场景。以通信运营商为例，将来的CDN网﹑核心网﹑承载网等基础网络虽各司其职并均由专属的控制器进行管控和调配，但当出现多网络间需要协同合作的网络场景时，相应的通信交互就需借助不同的SDN控制器之间的通信接口来实现。这种通信接口被业界定义为SDN控制器的东西向接口。

由于业界尚未制定统一的接口协议规范对SDN控制器的东西向接口进行定义和描述，跨控制器间接口协议如何实现，跨网跨域间的业务调度与流量穿越的策略如何配置等，仍将会是下一阶段多控制器协同课题中需要重点关注的研究方向。可见，能否对东西向接口标准做出规范并完善，将直接关系到“多网络平面间能力互助﹑构建通信‘生态大网’”全局目标的顺利实现。

6 结语

SDN/NFV架构体系是一种开放﹑灵活的新型网络架构，基于该架构的vCDN网络能够很好地迎合未来网络架构从“运维”向“运营”的职能角色转变。互联网及移动互联网行业井喷式的发展格局已然形成，大视频业务与网络共融生态化发展的蓝图成为必然趋势。新型业务模式的出现对CDN网络的承载﹑运算﹑调度能力等基础指标提出了更高要求，而vCDN网络所具备的能力智能化弹性调度机制，可大幅提升全网工作效率及网络利用率。就技术而言，向vCDN架构的全面演进并非单纯依靠SDN/NFV技术的注入就能实现，未来与云计算等更多前沿技术的共融创新﹑新老网络能否平滑过渡均为演进路上的关键点。

[1] 中国电信集团公司.CTNet2025网络架构白皮书[S].2016. China Telecom.CTNet2025 Network Architecture White Paper[S].2016.

[2] 赵慧玲,史凡.SDN/NFV的发展与挑战[J].电信科学,2014,(08):13-18.

ZHAO Hui-ling,SHI Fan.Development and Challenge of SDN/ NFV[J].Telecommunications Science,2014,(08):13-18.

[3] 赵慧玲,冯明,史凡.SDN—未来网络演进的重要趋势[J].电信科学,2012,28(11):1-5.

ZHAO Hui-ling,FENG Ming,SH I Fan.SDN—The Evolution Trend of the Network in the Future[J].Telecom Science,2012,28(11):1-5.

[4] 韩晓梅,陈戈.基于SDN的CDN体系架构及关键技术研究[J].互联网天地,2014,(08):17-22.

HAN Xiao-mei,CHEN Ge.Research on the Architecture and Key Technology of CDN based on SDN[J].China Internet,2014,(08):17-22.

[5] 雷葆华,孙颖,王峰等.CDN技术详解[M].北京:电子工业出版社,2012.

LEI Bao-hua,SUN Ying,WANG Feng,et al.Dissecting Content Delivery Network[M].Publishing House of Electronics Industry,2012.

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ZHANG Chao-kun,CUI Yong,TANG He-yi,et al.Stateof-the-Art Survey on Software-defined Networking(SDN) [J].Journal of Software,2015,26(01):62-81.

[7] 卢琰琳,刘彤,韦巍等.基于SDN弹性网络架构及应用探索[J].邮电设计技术,2016,(05):69-74.

LU Yan-lin,LIU Tong,WEI Wei,et al.Explore on Flexible Network Architecture and Application based on SDN[J]. Designing Techniques of Posts and Telecommunicatio ns,2016,(05):69-74.

Evolution of SDN/NFV-based vCDN Network

WANG Ling-zhi, QIAO Chu, CHENG Xiao-fang

(Sichuan Communication Research Planning & Designing Co. Ltd., Chengdu Sichuan 610041, China)

With the acceleration of global informationization, the demand for video business grows rapidly, and an even higher requirement for carrying, computing, scheduling capacities by the existing CDN network is produced. With the intelligent flexible scheduling mechanism, vCDN network can significantly improve efficiency of the whole network business and utilization ratio of the network equipment. The existing problems in current CDN network of Telecom Operators are analyzed, and in combination with the characteristics of SDN/NFV architecture, a series of technical breakthrough points in the process of SDN/NFV evolution also pointed out, including key performance and security of control layer, centralized-control implementation, interface-protocol normalization, multi-controller collaboration and so on. Finally the SDN/NFV-based vCDN network architecture and its characters are proposed, thus to promote the network transformation ideas of the CDN Network of with Telecom Operators as the representative.

content delivery network; virtual content delivery network; software-defined network; intelligentized