5G背景下计算机网络关键技术的应用研究

赵圣隆

(山西工程科技职业大学计算机工程学院 山西 晋中 030619)

0 引言

随着5G时代的到来,计算机网络的技术发展与应用又迈上了一个新的台阶,结合云计算、大数据、人工智能等新兴技术,在智慧城市、智慧交通、智能家居、工业物联网等领域都有着广泛的应用前景。其中网络虚拟化、网络缓存等关键技术对5G架构设计与实现起到了至关重要的作用,针对这一研究现状,本研究在5G网络架构基础上,对网络虚拟化技术在网络硬件资源虚拟化和软件定义网络(software defined network,SDN)架构中的应用、网络缓存技术在内容分发网络(content delivery network,CDN)分布式网络缓存机制中的作用展开了深入研究,包括5G接入网的网络功能虚拟化(network functions virtualization,NFV)架构功能部署、承载网SDN分层实现、CDN边缘计算缓存机制构建等。

1 5G概述

5G是在4G网络基础上构建的一种新型网络架构,相较于4G网络,5G网络对网络时延性能提出了更高的要求,在一些特定的局部场景中能够实现超高速率的数据传输,最低时延也达到了1 ms以下,并且支持更加广泛的移动性场景通信。5G采用了一系列新网络技术,包括高频率带、多天线技术、网络切片等[1],以实现更快的数据传输速度、更低的延迟和更高的可靠性。5G架构包括核心网、边缘计算和无线接入等多个部分[2],这些部分相互协作,共同构成了5G网络的基本架构,如图1所示。

图1 5G网络架构示意图

在5G架构中,将网络划分为三个功能层级:接入网、承载网和核心网。接入网负责各类设备终端的信号接入,其中运营商基站是接入网的主要组成设备,这些基站设备包括又包括三个组成部分:基带处理单元(building baseband unit,BBU),用于调制信号;远端射频单元(remote radio unit,RRU)用于处理射频信息;射频天线,用于线缆导行波与无线空间波的信息转换。承载网负责数据的汇聚与传输,为了确保网络数据传输的低时延、高响应,需要依赖两项关键的网络功能:网络切片与边缘计算,网络切片主要是利用虚拟化技术实现业务功能与网络控制、软件与硬件的解耦,以增强网络架构的可扩展性和灵活性[3];边缘计算则是通过网络缓存等技术实现计算、存储资源与终端用户的近距离关联,从而提高网络的响应速度和效率。核心网主要负责数据处理,该层功能被分成了多个模块,包括用户面、控制面和管理面,这些模块可以独立部署和升级,从而实现更高的灵活性和可靠性。

2 计算机网络关键技术

2.1 网络虚拟化技术

网络虚拟化技术是一种将网络资源进行抽象化、分离和隔离的技术,可以将一个物理网络划分成多个虚拟网络,从而实现多租户共享、资源利用率提高、网络管理简化等优势。常见的网络虚拟化技术包括虚拟局域网(virtual local area network,VLAN)、虚拟专用网络(virtual private network,VPN)、虚拟路由器(virtual router,VRouter)等,其中VLAN可以将一台交换机划分为多个虚拟网络,实现不同的用户或应用之间的隔离;VPN可以通过公共网络连接不同的站点或用户,实现安全的远程访问和数据传输;VRouter可以将多个物理路由器虚拟化为一个逻辑路由器,提高网络的灵活性和可靠性。除此之外,应用于5G网络的虚拟化技术主要包括NFV和SDN。

NFV是由欧洲电信标准化协会(European Telecommunication Standard Institute,ETSI)提出的一个网络专用物理设备虚拟化共享的标准化解决框架[4],目的是将物理设备与运行其上的业务功能实现解耦,通过网络虚拟化技术提供一套通用的网络业务部署方案,允许各类网络功能,如路由、防火墙、负载均衡等可以软件的形式运行在虚拟的通用硬件之上,而不是专用设备上。这种架构可以有效提高网络部署的灵活性、可扩展性和可管理性,同时降低网络设备的成本和复杂性。

SDN是一种新型的虚拟网络架构,核心思路也是要利用虚拟化技术实现网络功能的解耦[5],以提高网络系统的灵活性。与NFV不同的是,NFV负责的是具体的网络软硬件设备解耦,SDN是针对网络数据传输的平面解耦,实现的是数据控制平面与数据转发平面的解耦[6]。

2.2 网络缓存技术

网络缓存是一种将常用的网络数据存储在本地缓存中,以提高访问速度和减轻网络负载的技术,其核心思想是以时间换空间、以局部换全部,通过预判、调度等机制提前将可能要访问到的数据进行传输和本地存储,将面向广域的数据访问转换为面向局部的本地访问或邻近访问。网络缓存对改善网络拥塞、内容分发效率,降低传输时延都具有十分重要的意义,常用的网络缓存技术包括浏览器缓存、代理服务器缓存和内容分发网络等。浏览器缓存是基于HTTP传输协议构建的一种WEB服务缓存机制,该机制允许将HTTP请求的响应结果在一定有效期内缓存至本地浏览器,之后HTTP请求相同结果时,即可从本地浏览器缓存中快速获取;代理服务器缓存是指在网络中部署代理服务器,为邻近范围内的客户端提供数据缓存服务,同时为了满足海量数据的缓存服务,可由缓存服务器集群组建缓存资源池来实现网络数据的缓存,涉及的核心问题包括两个方面:一是缓存资源池的位置部署;二是缓存资源的有效调度。缓存资源池的位置部署决定了哪类资源缓存至哪的问题,即网络节点负责哪类数据信息的缓存;缓存资源的调度则主要解决新旧缓存资源的更新、替代问题。CDN是在现有网络基础上结合虚拟化技术构建虚拟的智能网络,通过边缘服务器部署进行边缘数据缓存,将源站内容直接发布至距离用户最近的缓存节点,以尽可能保证用户邻近访问,从而提高数据缓存的命中率与网络响应速度。

3 虚拟化技术在5G网络中的应用

3.1 网络硬件资源的虚拟化

NFV主要工作在5G网络的接入网,作用是实现接入网各类信息采集终端的专用设备硬件与软件功能的解耦[7],其架构设计如图2所示。

图2 NFV架构示意图

NFV架构主要包括四个组成部分:运营/业务支撑系统、网络功能虚拟化模块、硬件资源虚拟池化和NFV虚拟管理器。

硬件资源虚拟化用于实现硬件资源的抽象化和逻辑映射,抽象化的硬件资源主要分为三类:计算资源、存储资源和网络资源,将这三类资源汇聚为逻辑资源池,并与硬件资源之间建立映射关系。通过虚拟化资源池的构建就可以为网络提供虚拟计算、虚拟存储、虚拟网络等功能服务。

网络功能虚拟化模块用于实现网元的虚拟化实例管理,在5G网络中接入终端以基站为单位进行组织和管理,这些基站就可以看作是不同的网元,依据其功能不同,5G网络网元有很多,例如接入和移动性管理功能网元,主要提供终端接入时的设备认证、权力鉴定等功;会话管理功能网元负责接入设备的IP分配、隧道维护、UP功能选择、QoS控制等功能。网络功能虚拟化模块对虚拟化的硬件功能实例化为逻辑网元,并以网元为单元进行管理和资源调度。

运营/业务支撑系统具有两方面功能:一是对传统的、未虚拟化的网络硬件资源提供环境支撑和管理;二是对虚拟化的网元实例进行编排与管理,该功能需与NFV虚拟管理器交互实现。

NFV管理器由NFV调度器、NFV编排器、NFV虚拟基础设施管理器组成。该模块通过与运营/业务支撑系统的交互协调,实现NFV虚拟化系统整体业务的部署、调度、编排等功能。

3.2 SDN架构

SDN服务架构部署在承载网,主要用于解决5G网络中转发节点数据层与控制层的高耦合问题,是实现网络切片的关键技术[8]。SDN采用网络虚拟化技术对数据传输的网络架构实现了逻辑分层,分为了数据平面、控制平面与应用平面三个层级,如图3所示。

图3 SDN层级结构示意图

数据平面为SDN架构的硬件底层,主要由路由器、交换机等物理设备和虚拟设备构成,专用于承载网中数据的高速转发、信道状态收集和;控制平面以SDN控制器为核心,对数据平面的物理资源进行虚拟化映射,在此基础上实现数据包协议封装与解析、网络协议配置、全局资源调度、负载均衡等网络服务的管理,并通过南向接口向数据平面发送控制指令;应用平面负责网络数据转发策略的部署,多种SDN应用的开发和拓展,并通过北向接口下发至控制平面。通过SDN架构可以有效改善承载网的灵活可控、可编程、可拓展等性能,大大提高数据转发效率。

4 网络缓存技术的应用

4.1 CDN分布式网络缓存机制的构建思路

5G网络主要采用的是CDN分布式网络缓存机制[9],机制构建思路:首先在NFV、SDN网络架构的支撑下,针对不同设备功能做切片细分,例如针对提供移动数据、语义服务进行移动蜂窝网络切片,针对智能驾驶中车载数据服务进行车联网络切片;其次在网络边缘部署分布式网络缓存节点,通过网络虚拟化技术将缓存节点抽象为虚拟资源池,并由虚拟资源池向网络切片提供资源服务;最后通过部署在缓存节点的边缘计算机制实现网络缓存的资源调度与管理。

4.2 边缘计算

边缘计算是部署在5G网络边缘服务器上的一种数据缓存调度机制,边缘服务器是网络中最靠近终端用户的服务节点,主要解决的问题是通过网络缓存技术向终端用户提供高效率、低时延的数据访问服务。5G网络终端用户通过移动网络进行信息交互和资源共享,移动网络的架构大致可以划分为核心网与边缘网络两个部分,部署于边缘网络位置的服务器就称为边缘服务器。假定用户卸载的所有任务资源均可被边缘服务器执行和管理,就可认为边缘服务器达到了最佳的性能状态,但这显然是不可能的,因此应尽可能提高边缘服务器的资源缓存命中率,而边缘计算就是CDN分布式网络缓存效率保障的关键。

边缘计算机制的实现主要涉及两个方面:

一是网络模型的搭建,网络模型搭建目前最常采用的是分层式多服务器协同模式。该模式采用云服务与多个边缘服务器分层协同的方式组成了有限区域内的边缘计算系统,以提供统一的资源缓存、调度服务。相较于边缘服务器,云服务具有更加优越的存储和运算性能,因此以云服务为中心层,多边缘服务器为区域节点为用户提供分层式的缓存服务,可以有效保障边缘计算系统的服务可靠性。当用户获取的资源边缘服务器无法满足时,用户即可直接向云服务请求资源,而各个边缘服务器之间也可以相互进行通信,以达到协同目的。

二是核心算法的选择,算法主要目的是实现边缘节点上缓存资源的合理预测和调度,以提高用户请求的命中率。边缘计算的算法有很多,大致可以分为特征预测与过程推导两类,特征预测是指通过提取用户的人工特征,例如用户类别、社交网络类型、上下文信息等,从特征中分析用户喜好与操作习惯,从而预测用户的访问需求,并进行相应资源的调度分配;过程推导是通过对用户信息转发过程的记录、特征提取和建模,将预测结果的计算过程转化为速率函数的计算过程,用不同的速率函数来描述各种预测结果的可能性,可能性越大则表示相关数据的访问命中率越高。

5 结语

综上所述,5G是计算机网络最为重大的一次技术变革,为计算机网络在物联网、智慧城市、智能家居等领域的应用奠定了基础。基于此背景,本研究结合5G网络架构,对计算机网络的关键技术进行了深入研究,并对网络虚拟化技术和网络缓存技术在5G网络架构中的应用进行了探讨,包括NFV架构功能在网络硬件资源虚拟化中的应用、SDN网络切片技术的实现原理、CDN分布式网络缓存机制的构建,以及边缘计算缓存机制的部署等内容,为5G网络关键技术的研究提供了一定的参考经验。