基于5G邊緣網絡的視頻CDN業務分流方案探討

張偉強，韋廣林，孫森田，趙 廣（.中國聯通網絡技術研究院，北京00048；.中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京00048）

1 概述

內容分發網絡（CDN——Content Delivery Network）構建于網絡邊緣，通過中心平臺的調度和管理，使用戶就近獲取所需內容，降低網絡擁塞和時延，提高響應速度，改善用戶體驗。

目前，運營商網絡中的CDN邊緣節點多部署于數據網絡的核心層和業務控制層，大部分為固網IPTV業務專用，融合CDN尚處于探索階段；而互聯網CDN則多部署于Internet骨干網，無法真正靠近移動用戶。伴隨著5G網絡的部署，視頻流量從固定端向移動端加速遷移，現有的CDN部署方式難以滿足用戶對于業務體驗的要求。

本文將從CDN部署現狀入手，結合5G網絡架構和移動視頻業務特點，分析基于5G邊緣網絡、服務于移動用戶的視頻CDN業務分流方案，并對各個方案的應用場景進行分析。

2 CDN部署現狀

20世紀90年代，伴隨著互聯網的迅速發展，網民數量和數據流量飛速增長，給網絡帶來了巨大壓力，也嚴重影響了互聯網用戶的體驗。于是，CDN應需而生，自2000年工信部頒發第1個CDN試運行許可證以來，中國的CDN市場從無到有，迅速發展。從電信運營商的角度，CDN可分為運營商自建CDN和互聯網CDN兩大類。

2.1 運營商自建CDN

目前，運營商自建CDN主要服務于IPTV業務和流媒體業務，架構上，多采用2級或3級架構。2級CDN架構分為省中心和區域節點（地（市）），3級CDN架構分為省中心、區域節點（地（市））、邊緣節點（區縣），主要部署方式如下：

a）省中心節點多設置于省會，集中部署全省業務管理平臺、CDN中心節點及EPG中心節點，實現節目源的注入、分發、業務管理以及與其他業務平臺的對接。省中心節點一般上聯至省網核心路由器。

b）各地（市）分別部署區域節點，實現本地（市）CDN的內容分發，節點上聯至地（市）城域網核心路由器。

c）在部分寬帶用戶密集的區縣部署邊緣節點，服務本地用戶，邊緣節點多上聯至本地業務控制層設備。

運營商CDN與互聯網CDN相比，有很多天然優勢，例如用戶資源、接入資源、IDC資源等，但是也存在以下問題。

a）CDN多數以省為單位建設，部分省內多套CDN共存，省CDN之間形成一個個“孤島”，未能形成全程全網的架構，難以服務于全國用戶。

b）多套CDN平臺形成豎井式結構，導致CDN與業務平臺緊耦合，通用性和擴展性較差。

c）多采用專用硬件，廠商復雜，統一升級功能和接口困難，不能滿足業務快速、靈活部署的需求。

d）CDN多針對固定寬帶接入用戶和運營商自營的IPTV業務，缺乏面向移動用戶和政企客戶的產品。

2.2 互聯網CDN

目前，國內的互聯網CDN包括傳統CDN、云CDN和創新CDN 3種形式。其中，傳統CDN以網宿、藍汛等老牌CDN廠家為代表，云CDN則以阿里、金山、騰訊為代表，二者均圍繞Internet骨干網建立CDN分發節點，實現內容的分發和全網業務的就近接入。創新CDN則利用P2P技術，基于共享模式，使邊緣節點數量得到大幅提高，從而達到利用閑小帶寬、提高用戶體驗的目的，但是目前創新CDN的應用場景受限，且服務效果不夠穩定，尚未成為市場主流。

互聯網CDN主要面向企業用戶，系統和平臺多采用通用硬件，易于擴容和擴展業務，可同時為全國的固網和移動網用戶提供服務。但無論是固網還是移動網業務，互聯網CDN都無法真正下沉至網絡邊緣，在浪費骨干網資源的同時，也容易因網絡擁塞而影響業務體驗。

3 視頻CDN在5G邊緣網絡中的部署分析

3.1 5G+邊緣計算

5G即第五代移動通信網絡，其峰值理論傳輸速度可達數10 Gbit/s，是4G網絡的100倍。5G時代，各類垂直行業對高帶寬、低時延的業務需求將驅動應用內容部署的本地化。同時，伴隨控制面與轉發面分離的網絡架構演進需求，傳統專有封閉的設備體系也正在逐步瓦解，轉向基于通用硬件的云化開放體系。因此，借助云化技術的多接入邊緣計算（MEC——Multi-Access Edge Computing）平臺成為運營商的必然選擇。

在目前的通信網絡中，移動網絡數據需要經過移動核心網路由至Internet，由于移動核心網往往部署于省會或省內中心城市，導致大量發生在網絡邊緣的業務數據流量需要進行長距離的路由迂回，在增加業務時延的同時，也消耗了網絡帶寬，增加了核心網設備的壓力。在5G邊緣網絡中引入MEC設備，邊緣網絡可以根據應用信息（應用標識、IP地址+端口、數據流規則）進行本地數據分流，實現業務的就近接入，減少網絡擁塞，降低業務時延。業務內容本地化，可以幫助第三方應用改善用戶體驗，從而實現應用與網絡價值的最大化。借此機會，運營商可以實現從管道建設者到業務生態引領者的轉型。

3.2 視頻CDN在5G邊緣網絡中的部署

伴隨著智能終端數量的增長和多媒體業務的發展，移動視頻業務成為重要的數據增長點，對于移動視頻CDN的部署需求也更加迫切。傳統移動網絡（2G/3G/4G）的核心網設備通常部署于省會或省中心城市，導致移動CDN無法靠近用戶部署，移動數據流必須在省內進行大范圍的迂回。5G和邊緣計算技術的部署，使得視頻CDN可以下沉至移動邊緣網絡。事實上，CDN也是與邊緣計算結合最緊密的技術，兩者擁有相同的技術理念，即“服務靠近用戶”，ETSI MEC工作組在2014年9月剛開始研究MEC的時候，就將CDN作為邊緣計算的主要應用場景之一。

相比固定寬帶IPTV業務，移動視頻的資源更加豐富，業務形態更加多樣，業務流程更加復雜，用戶管理更為精細。由于當前移動終端均采用私網IP地址，移動CDN無法像互聯網CDN一樣進行基于用戶IP的業務分流。因此，針對5G邊緣網絡，必須基于業務調度和用戶管理機制探尋一種新的業務分流方案。

4 業務分流方案探討

根據5G邊緣網絡特點和OTT視頻服務商的業務管理方式，移動視頻CDN的的業務分流主要有以下3種方案。

4.1 基于PCC的策略配置

現網中，策略控制和計費（PCC——Policy Control and Charging）設備已經廣泛部署，因此可以基于PCC的控制機制實現視頻CDN業務的分流。為了實現對業務分流的控制，要在5G核心網中部署AF、NEF、PCF等網元，AF直接或通過NEF向PCF發送業務策略請求，請求中包含了業務應用標識、網絡名稱、切片標識等信息，PCF將請求信息轉換成業務策略并發送給SMF，SMF將基于業務策略，綜合終端簽約信息、用戶位置以及路由規則為用戶選擇最近的UPF，進行數據分流，從而實現對邊緣網絡中本地視頻業務的訪問。主要流程如圖1所示。

圖1 基于PCC的策略配置流程

此方案通過標準的PCC流程，完成了針對特定用戶和特定業務的策略配置，以實現以下目標。

a）視頻流量的本地疏導：將視頻流量疏導至5G邊緣網絡，降低網絡時延，改善業務體驗。

b）QoS和計費：通過PCC實現用戶或數據流的QoS管理和計費。

c）網絡能力開放：核心網通過NEF實現網絡信息的開放。

目前，由于NEF網元尚未在核心網絡中部署，MEC平臺的功能尚不完善，目前本方案的部署仍存在較大困難。

4.2 基于MEC本地配置的分流

在MEC服務器上配置本地分流規則，通過DNS導流等方式，將特定業務的視頻請求轉發至部署于網絡邊緣的視頻平臺，為用戶提供本地視頻服務。

由于部署于網絡邊緣的視頻平臺未存儲全量視頻數據，因此，邊緣視頻服務平臺需要判斷可否為用戶提供視頻服務，對于無法提供服務的用戶請求，有以下2種處理方式。

a）邊緣視頻平臺通過Internet向中心視頻服務器發送二次業務請求，中心服務器接到請求后，將視頻流發送至邊緣平臺，并轉發給用戶，具體流程如圖2（a）所示。

b）邊緣視頻平臺將用戶請求發回MEC，由MEC經移動核心網向中心視頻服務器發送二次業務請求，中心服務器通過移動核心網直接向用戶提供視頻服務，具體流程如圖2（b）所示。

基于MEC本地配置的分流方案，業務流程簡單，易于在現網條件下部署。采用此方案，邊緣服務平臺需要對用戶進行認證和鑒權，判斷用戶請求的業務內容可否在本地觸發，因此，要在網絡邊緣配置用戶信息（級別、權限、交費情況等），并與中心服務器實時同步更新。

4.3 基于第三方應用的自主分流

圖2 基于MEC本地配置的分流

通過核心網向第三方視頻服務商開放用戶及網絡信息，如用戶位置、基站ID、MEC覆蓋區域等，由第三方的中心服務器控制APP進行業務調度，實現數據分流，業務流程如圖3所示。

圖3 基于第三方應用的自主分流

a）智能終端APP發起業務請求，請求域名指向服務商的中心服務器，MEC根據DNS解析結果，經核心網將請求發送至中心服務器。

b）中心服務器根據5G核心網開放的業務信息，獲知用戶所在區域已部署邊緣服務器，且用戶訪問的視頻已下沉至邊緣。

c）中心服務器回復APP業務請求，要求進行業務重定向。

d）終端APP發起重定向業務請求，請求域名指向邊緣服務器，MEC根據DNS的解析結果，將請求發送至邊緣服務器。

e）邊緣服務器接受業務請求，并向APP發送視頻流。

此方案由中心服務器進行用戶認證和鑒權，減輕了邊緣服務器的業務負擔，保證了認證和鑒權的一致性及用戶信息的安全。此方案需要向第三方開放用戶和業務信息，由于缺乏相應標準，運營商需要與視頻服務商協商定制業務流程，并需要考慮用戶隱私、網絡現狀、終端操作系統等多方面因素。

4.4 方案總結

上述3種方案在網絡架構、用戶管理、業務流程等方面均存在較大的差異，對于網絡和邊緣服務器的要求也不同，3種方案的優缺點總結如表1所示。

方案1代表了網絡和業務部署的發展方向，將是未來的主流方案；方案2易于部署，可以加強運營商網絡對業務的控制，但是，視頻服務商尤其是大型視頻服務商難以接受業務控制權的轉移和用戶信息的下沉；方案3需要與每個視頻服務商協商進行業務定制，難以大規模推廣，但可作為短期試點或熱點用戶覆蓋方案，為特定行業和特定區域的用戶提供優質的視頻服務。

表1 方案對比

5 結束語

移動視頻將是5G時代的重要的流量增長點，視頻CDN在移動網絡邊緣的部署，將會降低迅速增長的數據流量給移動核心網和骨干傳送網絡帶來的沖擊，改善移動視頻業務體驗。目前，移動通信網內尚未進行視頻CDN的大規模推廣，但是運營商和視頻服務商已經開始進行方案探索和業務試點。本文對5G網絡架構和CDN的現狀進行了分析，根據移動視頻業務的特點，對邊緣CDN的部署方式進行了探討，提出了業務分流解決方案，并對提出的方案進行了分析。