面向5G MEC边缘云的CDN下沉方案

吕华章 王友祥 唐雄燕

【摘  要】边缘云和边缘计算技术目前已经成为产业界和学术界的研究热点，目前，中国联通与中兴通讯、英特尔、腾讯合作，在天津宝坻大学城搭建了基于虚拟化的边缘云测试床，开展了面向OTT业务的验证工作。重点介绍了基于边缘云的vCDN的系统架构实现方案，设计了相关的业务流程，开展了验证试验，最后给出了建设部署方案。测试结果表明，将应用程序部署到网络边缘不仅能够降低回传带宽压力和延迟，而且优化了用户体验，同时帮助业务提供方降低了成本。

【关键词】vCDN;边缘云;边缘计算;NAPT

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.004        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）01-0020-09

引用格式：吕华章， 王友祥， 唐雄燕. 面向5G MEC边缘云的CDN下沉方案[J]. 移动通信， 2019，43（1）： 20-28.

CDN Subsidence Scheme for 5G MEC Edge Cloud

LV Huazhang， WANG Youxiang， TANG Xiongyan

（China United Network Communication Network Technology Research Institute， Beijing 100048， China）

[Abstract] Edge cloud and edge computing technology have become the research hotspot in the industry and academia. At present， China Unicom， in cooperation with ZTE， Intel and Tencent， has built a virtual edge cloud test bed in Tianjin University Town and carried out verification work for OTT business. In this paper， the implementation scheme of the system architecture based on edge cloud is descried in detail， the related business process is designed， the verification test is performed， and finally the construction deployment scheme is presented. The test results show that the deployment of applications at the network edge can not only decrease the backhaul bandwidth pressure and delay， but also optimize the user experience and reduce the cost of providers.

[Key words]vCDN; edge cloud; MEC; NAPT

1   引言

邊缘云技术（EC， Edge-Cloud）或多接入边缘计算（MEC， Multi-Access Edge Computing）提供了全新的生态系统和价值链[1]。边缘云其实就是将计算能力下沉到距离终端用户更近的网络边缘，构建面向业务的边缘数据中心。边缘云技术的兴起对业务提供方和产业链的新企业是一次宝贵的机会，边缘云平台可以为业务提供丰富的平台能力，快速地进行业务部署。预计到2021年，边缘云的市场规模将达到800亿美元[2]。依托边缘云平台，电信运营商可以面向第三方应用开发者，快速推出以用户为导向的创新服务，缩短新业务上市时间[3]。

2014年，ETSI率先启动MEC标准项目，旨在移动网络边缘为应用开发商与内容提供商搭建一个云化计算与IT环境的服务平台，并通过该平台开放无线侧网络信息，实现高带宽、低时延业务支撑与本地管理。联盟成员包括沃达丰、中兴、Intel、华为、诺基亚、惠普等各大厂商，已完成了Phase I阶段基于传统4G网络架构设计，定义边缘计算系统应用场景、参考架构、边缘计算平台应用支撑API、应用生命周期管理与运维框架、以及无线侧能力服务API（RNIS/定位/带宽管理）等[4-10]，目前正在进行Phase II阶段的研究，主要聚焦在包括5G/Wi-Fi/固网在内的多接入边缘计算系统，重点覆盖MEC in NFV参考架构、端到端边缘应用移动性、网络切片支撑、合法监听、基于容器的应用部署、V2X支撑、Wi-Fi与固网能力开放等研究项目，从而更好地支撑MEC商业化部署与固移融合需求。

随着ETSI MEC标准化组织影响力的与日俱增，3GPP也开始把网络架构使能MEC列为重点研究课题。在4G CUPS[11]架构和5G新核心网架构里[12]，都重点强调了控制面和业务面的分离。在SA2 5G系统架构中，未来将完成支持边缘云和边缘计算的诸多业务，包括本地分流、会话和服务连续性、网络能力开放、QoS保证与策略控制等[13-14]。除此以外，SA5下一代网络管理架构和特性与SA6公共北向API接口两个研究组也将边缘云的各类需求考虑在内[15]。3GPP正在加速边缘计算标准化的研究工作，助力5G业务的商用部署。

3.3  基于NAPT的vCDN实现方案

在天津宝坻的试验中，主要开展了腾讯视频和沃视频vCDN下沉的验证，MEC通过按域名和NAPT功能来进行视频业务的分流。如图4所示，OTT厂家的CDN HTTP DNS服务器针对IP地址建立服务器选择映射，确保经MEC NAPT转换的请求能够根据负荷均衡策略映射到本地边缘服务器上（边缘vCDN）。

首先完成NAPT转换规则的建立，对应图4的步骤1到步骤7：

（1）MEC配置特定域名，监听发往UE的DNS响应，从DNS响应里获取到域名对应的IP地址，针对该IP动态生成分发规则;

（2）MEC匹配分发规则，对发往HTTP DNS的报文进行NAPT（源IP替换为特定IP）;

（3）对HTTP DNS返回给UE的报文，MEC反向NAPT转换后发给UE;

（4）MEC服务器建立分流机制，对目的地址指向边缘服务器的数据包进行本地分流。

然后，完成本地分流，对应图4的步骤8到步骤9：用户向边缘服务器请求资源，MEC直接从本地CDN中发送业务内容给用户，实现本地业务下发。

3.4  基于NAPT的vCDN实现

方案优势分析

NAPT方案的提出是实现整个端到端vCDN方案打通的关键，其优势同传统的HTTP代理等方式有明显的不同，可以简单地归纳为以下三点：

首先，对于OTT厂商而言，其业务要在全国范围铺开，需要避免对整体CDN架构的调整。因此，不能因为此次对接而影响腾讯现网业务，NAPT方式完全满足腾讯的需求。

其次，MEC服务器目前能够支持一定程度的流量处理和包解析功能，但是其只能处理数据域的IP包头解析，无法实现深度的DPI解析。深度解析需要MEC服务器进行深层次开发，短期内无法实现。而NAPT方案能够将整个业务局限在IP包头的解析，很大程度上降低了MEC业务处理的复杂度，能够实现业务的快速部署和运营。

最后，NAPT方案能够节约大量的公网IP，目前公网出口不足，NAPT方案能夠将区域内的相关UE都转换为相同的IP地址，实现业务下沉判断的同时也节约了IP资源，适合运营商目前的部署策略。

4   业务实践部署与结果分析

4.1  实际部署

目前，天津的边缘云平台由10余台X86通用服务器构成计算、存储和网络资源池。平台的计算节点与存储节点采用融合部署方案，控制节点分离部署，可实现系统管理、告警管理和性能管理。同时，平台搭载了高性能转码集群与高性能存储集群，提升了边缘云平台整体的业务性能和业务流畅程度。本次vCDN业务的验证是该平台能够提供的一个业务，详细的部署架构如图5所示。

4.2  业务时延与下载速率测试

业务验证测试结果如表1所示，RTT循环时延得到降低，同时HTTP下载速率有所提升。RTT时延下降了近50%，而HTTP下载速率提升了43%，边缘云的效果显而易见。未来我们将验证更多的业务类型，包括AR/VR、定位服务、安防监控等。

在ping测试试验中，移动终端连接到MEC，采用了Python脚本的形式。该脚本执行系统的ping数据包，同时将ping包的结果保存下来。天津部署有腾讯的省级CDN节点，同时山东部署有腾讯的公网服务器，广东部署有全国性质的GSLB负载均衡调度DNS服务器，如果不使用MEC边缘云，那么所有的CDN流程将在公共CDN和省级CDN节点上完成，试验发现业务在该流程的建立过程中，存在明显的丢包和高时延现象。

每次测试的结果都有丢包的现象，有一定的丢包率。同时，最大的回环时延主要受到现网环境影响。从统计学的角度来看，可以对比公网CDN和本地CDN的结果，对比结果如图6和表2所示。根据测试结果分析，使用MEC分流以后，ping包的丢包率明显降低，同时时延降低将近一半。

下面是对HTTP下载速率的测试。使用如下的测试方法：腾讯视频给出HTTP下载URL，该地址可以直接被IP所访问。在移动终端建立一个脚本，该脚本用于在完成TCP数据传输之前的TCP建立URL接入、连接。记录下数据传输的首次时间和结束时间，同时记录下数据传输的速率，每次测试都执行固定数量的下载内容。

腾讯视频公网测试的网络环境是较好的，所以可以轻易地对比出本地CDN比公网CDN存在巨大的优势：本地网络的平均下载速率是94.5 Mbit·s-1，而公网的下载速率仅仅为68.71 Mbit·s-1。表3展示CDN测试中HTTP下载测试的结果，图7展示了本地CDN的抓包情况，而图8展示的是在公网CDN下的抓包情况。从图中还可以看出，公网CDN容易受到链路环境影响，下载速率波动较大，而本地CDN能够一定程度上保证用户体验速率较高而不出现波动。

图7中，UE到腾讯本地服务器：10.20.97.120：38883到10.160.130.20：80。该地址是一个IP地址和端口号的结合表示方法。下载时间为1.932 s，文件长度为25.036 4 MB，最大下载速率为104.15 Mbit·s-1，而最低下载速率为13.02 Mbit·s-1。

图8中，UE到腾讯公网服务器：10.20.97.120： 55142到125.39.6.153：80。该地址是一个IP地址和端口号的结合表示方法。下载时间为2.71 s，文件长度为25.036 4 MB，最大下载速率为73.90 Mbit·s-1，而最低下载速率为9.24 Mbit·s-1。

可以明显地比较出，MEC可以降低RTT，同时提升下载速率。

4.3 所提方案对ETSI参考架构的改进

ETSI MEC017协议于2018年2月最新发布，重点描述了MEC在NFV环境下的部署，突出了MEC平台架构的虚拟化部署的色彩。MEC作为与生俱来的带有NFV属性的一套生态，MEC017协议可以认为是MEC003协议的进一步的扩展，更加面向实际部署和落地。MEC017中详细的参考架构如图9所示，整个架构遵循以下原则：已有的电信网NFV架构网元部分尽可能地重用，MEC模块可调用NFV部分功能，MEC内部功能模块之间的信令不受NFV管理编排器控制，MEC同NFV之间的接口要重新定义。

此次CDN實验方案，如果映射到整个ETSI所提出的参考架构中，其改动就在于，在MEP边缘云平台内部增加了包检测（packet sniffer）这一模块，该模块的用途在于能够跟踪、发现、劫持DNS请求和响应。在NAPT流程中，步骤三就用到包检测这一功能，用于正确地建立NAPT规则。而与此同时，提供这一功能的可以是MEP平台自带的平台服务，也可以在data plane数据平面内建立NAPT规则。未来，包检测功能将用于流量分流、业务下沉、负载均衡等多个场景，这一改变将是对ETSI所定义的MEC平台架构的有利影响。

5   结论

作为一项新的ICT融合技术，边缘云可以整合电信运营商的各类资源，为5G时代业务的快速部署和运行提供丰富的平台能力。一种新兴技术和生态的诞生与兴起，需要背后商业模式的强有力支撑。面向未来，业界对边缘业务平台的各种应用场景有着无限的憧憬与期待。但美好的愿望要变成现实，需要整个产业链的共同努力。此次CDN业务的试验是中国联通整个Edge-Cloud规模试点及商用推进过程中的一部分，未来我们希望携手更多的行业合作伙伴，共同探讨边缘业务平台的合作模式，共建5G网络边缘生态系统，全面推动边缘业务的蓬勃发展。

参考文献：

[1] European Telecommunications Standards Institute （ETSI）. Mobile-Edge Computing Introductory Technical White Paper[EB/OL]. [2016-12-03]. https：//portal.etsi.org/Portals/0/TBpages/MEC/Docs/Mobile edge Computing Introductory Technical White Paper_V1%2018-09-14.pdf.

[2] China Unicom. China Unicom edge computing technology white paper[R]. 2017.

[3] China Unicom. White Paper for China Unicoms Edge-Cloud Service Platform Architecture and Industrial Eco-System[R]. 2018.

[4] European Telecommunications Standards Institute （ETSI）. Mobile Edge Computing （MEC）： Framework and Reference Architecture[R]. 2016.

[5] European Telecommunications Standards Institute （ETSI）. Mobile Edge Computing （MEC）： General principles for Mobile Edge Service APIs[R]. 2017.

[6] European Telecommunications Standards Institute （ETSI）. Mobile Edge Computing （MEC）： Mobile Edge Platform Application Enablement[R]. 2017.

[7] European Telecommunications Standards Institute （ETSI）. Mobile Edge Computing （MEC）： Bandwidth Management API[R]. 2017.

[8] European Telecommunications Standards Institute （ETSI）. Mobile Edge Computing （MEC）： Location API[R]. 2017.

[9] European Telecommunications Standards Institute （ETSI）. Mobile Edge Computing （MEC）： Mobile Edge Management; Part 2： Application lifecycle， rules and requirements management[R]. 2017.

[10] European Telecommunications Standards Institute （ETSI）. Mobile Edge Computing （MEC）： Radio Network Information API[R]. 2017.

[11] 3rd Generation Partnership Project （3GPP）， 3GPP TR， 23.214. Architecture enhancements for control and user plane separation of EPC nodes （Release 14）[S]. 2017.

[12] 3rd Generation Partnership Project （3GPP）， 3GPP TR， 38.211. NR; Physical channels and modulation; （Release 15）[S]. 2018.

[13] 3rd Generation Partnership Project （3GPP）， 3GPP TR， 23.501. System Architecture for the 5G System; （Release 15）[S]. 2017.

[14] 3rd Generation Partnership Project （3GPP）， 3GPP TR， 23.502. Procedures for the 5G System （Release 15）[S]. 2017.

[15] 3rd Generation Partnership Project （3GPP）， 3GPP TR， 23.222. Common API Framework for 3GPP Northbound APIs （Release 15）[S]. 2018.