基于SDN/NFV的vCDN網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)*

王凌志，喬 楚，程小芳

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

基于SDN/NFV的vCDN網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)*

王凌志，喬 楚，程小芳

（四川通信科研規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041）

全球信息化步伐的加快，使得視頻業(yè)務(wù)需求量出現(xiàn)井噴，從而對(duì)現(xiàn)有CDN網(wǎng)絡(luò)的承載、運(yùn)算、調(diào)度能力提出了更高要求。vCDN網(wǎng)絡(luò)所具備的智能化彈性調(diào)度機(jī)制，可大幅提升全網(wǎng)業(yè)務(wù)工作效率及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備利用率。分析業(yè)界現(xiàn)有CDN網(wǎng)絡(luò)存在的問題，結(jié)合SDN/NFV架構(gòu)特征，指出控制層關(guān)鍵性能與安全性、集中控制實(shí)現(xiàn)方式、接口協(xié)議歸一化及多控制器協(xié)同為代表的一系列技術(shù)突破點(diǎn)，提出基于SDN/NFV網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的vCDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其特點(diǎn)，以推進(jìn)以運(yùn)營(yíng)商CDN網(wǎng)絡(luò)為代表的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的未來轉(zhuǎn)型思路。

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)；虛擬化內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化；智能化

0 引 言

隨著全球邁入信息化時(shí)代步伐的提速，從起初被用作單純的娛樂消遣﹑溝通互聯(lián)，到成為人們?nèi)粘Ｉ瞟p工作不可分割的要素，互聯(lián)網(wǎng)正以令人瞠目的方式，引領(lǐng)著新時(shí)代的未來。內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)CDN（Content Delivery Network）作為新一代通信網(wǎng)絡(luò)改造的幕后推手，誕生至今與互聯(lián)網(wǎng)攜手歷經(jīng)二十載，目前被業(yè)界各方主要應(yīng)用于流媒體及視頻類業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)加速服務(wù)領(lǐng)域。

1 CDN現(xiàn)網(wǎng)面臨的問題

盡管通過CDN網(wǎng)絡(luò)的部署已基本實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)加速的最初愿景，但并非意味著CDN網(wǎng)絡(luò)沒有短板。業(yè)界目前主流的CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通常在以下方面仍有待完善和突破[1]。

第一，專用設(shè)備組網(wǎng)，存在大量私有接口，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致剛性網(wǎng)絡(luò)形成。

第二，被設(shè)備廠商深度捆綁，形成垂直式封閉架構(gòu)，設(shè)備拓展性差，利用率無法深度挖掘。

第三，業(yè)務(wù)創(chuàng)新受制于設(shè)備功能限制，開發(fā)﹑上線周期長(zhǎng)，業(yè)務(wù)間融合性差。

第四，多廠家設(shè)備差異導(dǎo)致組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)投資均無法進(jìn)一步得到控制。

2 CDN網(wǎng)絡(luò)SDN/NFV化驅(qū)動(dòng)力

不論是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)亦或是對(duì)CDN網(wǎng)絡(luò)，新信息時(shí)代的到來，均已對(duì)其提出更高﹑更新的要求。目前，CDN架構(gòu)體系正處于向下一代虛擬化vCDN架構(gòu)過渡的關(guān)鍵時(shí)期，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization）兩個(gè)當(dāng)下最受關(guān)注的新技術(shù)異軍突起。它們的出現(xiàn)為現(xiàn)有CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用未來轉(zhuǎn)型開啟了新的思路。

國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展面臨“兩難”的處境：一方面，“互聯(lián)網(wǎng)+”的大旗高速推動(dòng)著市場(chǎng)的發(fā)展，CDN網(wǎng)絡(luò)正享受著互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)這塊蛋糕帶來的滋潤(rùn)而蓬勃發(fā)展；但另一方面，正是因?yàn)榫薮蟮氖袌?chǎng)潛力，讓業(yè)界的利益各方看到數(shù)不盡的隱藏商機(jī)。在互聯(lián)網(wǎng)業(yè)向未來多樣化﹑生態(tài)化發(fā)展的同時(shí)，市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)幾近慘烈。作為承載業(yè)務(wù)的主流架構(gòu)，CDN網(wǎng)絡(luò)從“被動(dòng)順應(yīng)”向“主動(dòng)適應(yīng)”的自我重塑轉(zhuǎn)型已勢(shì)在必行。

3 SDN/NFV架構(gòu)的CDN網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)原則

技術(shù)的演進(jìn)往往是在摸索中前行的漫長(zhǎng)過程。該過程必定會(huì)有很長(zhǎng)的階段是新老系統(tǒng)并存的格局，如何確保SDN/NFV技術(shù)穩(wěn)定落地并以“新”帶“老”，引導(dǎo)CDN網(wǎng)絡(luò)最大化發(fā)揮現(xiàn)網(wǎng)資源的效能，是網(wǎng)絡(luò)新老架構(gòu)并存階段最為重要的課題之一。

從全局來看，CDN向vCDN網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，應(yīng)當(dāng)遵循以下主要原則[1-2]：

第一，在技術(shù)﹑資金及人力等生產(chǎn)要素可達(dá)的前提下，優(yōu)先基于SDN/NFV的方式來部署未來CDN系統(tǒng)與業(yè)務(wù)，以保持業(yè)務(wù)與系統(tǒng)向新架構(gòu)下的良性遷移。

第二，敢于突破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模式禁錮，如組網(wǎng)模式﹑運(yùn)維模式等，保持開放心態(tài)迎接新運(yùn)營(yíng)模式的注入，大膽探索演進(jìn)新思路。

第三，注重網(wǎng)絡(luò)東西向（針對(duì)不同專業(yè)和廠家而言）的融合開放性，避免在vCDN網(wǎng)絡(luò)中再次形成新型封閉式組網(wǎng)。

4 基于SDN/NFV架構(gòu)的vCDN網(wǎng)絡(luò)

新一代網(wǎng)絡(luò)建設(shè)重在強(qiáng)調(diào)構(gòu)建轉(zhuǎn)控分離﹑全局控制集中化的開放化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如圖1所示。在這種體系內(nèi)部，vCDN資源可以被抽象地視為一種虛擬化的網(wǎng)絡(luò)能力；vCDN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不再關(guān)注網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡﹑業(yè)務(wù)調(diào)度及網(wǎng)絡(luò)管理等業(yè)務(wù)邏輯能力，而是將注意力更多地轉(zhuǎn)移至數(shù)據(jù)緩存﹑業(yè)務(wù)快速轉(zhuǎn)發(fā)等方面，提升硬件設(shè)備效能；引入具備強(qiáng)大能力的SDN控制器，將網(wǎng)絡(luò)的控制權(quán)集中交由其歸一化管理，形成統(tǒng)一的控制平面，全局統(tǒng)籌調(diào)度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力的按需分配，構(gòu)建新型彈性網(wǎng)絡(luò)體系[3-4]。

圖1 基于SDN/NFV的CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4.1 網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化，與業(yè)務(wù)邏輯解耦

隨著轉(zhuǎn)控分離的實(shí)現(xiàn)，vCDN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各單元之間職責(zé)更加分明，網(wǎng)絡(luò)層次及業(yè)務(wù)調(diào)度流程均得到進(jìn)一步整合。就網(wǎng)絡(luò)能力而言，底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等職責(zé)，控制層設(shè)備也只需專注于全局的調(diào)度與管理，處于兩個(gè)不同平面的硬件設(shè)備能力均得到最大程度的發(fā)揮；就網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)而言，不同網(wǎng)絡(luò)層面間設(shè)備分工明確，各司其職，業(yè)務(wù)流程較現(xiàn)有CDN架構(gòu)也進(jìn)一步簡(jiǎn)化，從而提升了全網(wǎng)服務(wù)能力和效率[3,5]。

4.2 控制權(quán)收斂，全局統(tǒng)籌

基于SDN/NFV構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，由于統(tǒng)一SDN控制器的引入，將底層硬件設(shè)備的控制權(quán)剝離并收斂，如圖2所示。這種邏輯上的集中控制模式，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的全網(wǎng)調(diào)度策略﹑路由算法及業(yè)務(wù)需求等進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化和靈活調(diào)配，利于全局負(fù)載均衡﹑全網(wǎng)業(yè)務(wù)調(diào)度及QoS動(dòng)態(tài)管控等網(wǎng)絡(luò)智能化改造的實(shí)現(xiàn)。

圖2 轉(zhuǎn)控分離與控制集中化

站在宏觀角度來看，集中控制方式使全網(wǎng)在邏輯上可被視為一個(gè)整體，這有利于網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性和自動(dòng)化需求的實(shí)現(xiàn)。若路由或調(diào)度策略需要改動(dòng)，只需通過控制器下達(dá)事先編排好的業(yè)務(wù)指令即可，而無須再到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)單臺(tái)硬件設(shè)備進(jìn)行更新配置，大幅提升了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理靈活性和便捷性，為現(xiàn)有成熟網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維模式探索未來演進(jìn)方案開啟了新的思路?；赟DN/NFV的vCDN網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)，如圖3所示[5]。

圖3 基于SDN/NFV的vCDN網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)

4.3 接口開放化

北向接口是SDN控制器面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的開放接口，其職責(zé)主要是使業(yè)務(wù)應(yīng)用能夠靈活﹑按需地調(diào)用網(wǎng)絡(luò)資源和能力。以何種標(biāo)準(zhǔn)來統(tǒng)一定義和規(guī)范北向接口，業(yè)界雖尚未達(dá)成統(tǒng)一結(jié)論，但需具備充分的開放性﹑便捷性與靈活性。這已經(jīng)成為未來的北向接口規(guī)范的基本原則，勢(shì)必會(huì)加快新業(yè)務(wù)的上線周期和注入時(shí)間，以迎合未來復(fù)雜多變的快節(jié)奏業(yè)務(wù)創(chuàng)新需求。

5 現(xiàn)網(wǎng)SDN/NFV化的突破點(diǎn)

盡管SDN/NFV架構(gòu)對(duì)未來基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)意義深遠(yuǎn)，甚至是革命性的，但隨著業(yè)界對(duì)該架構(gòu)技術(shù)研究的深入，一些具體的問題和難題也逐漸浮出。這些對(duì)現(xiàn)有CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)SDN/NFV化演進(jìn)構(gòu)成的挑戰(zhàn)，都有待業(yè)界共同努力，以尋求更好的解決辦法。

5.1 控制層關(guān)鍵性能與安全性

作為SDN/NFV體系架構(gòu)下的“大腦”，SDN控制器的核心地位彰顯無遺。它自身性能和穩(wěn)定性等基礎(chǔ)性能的好壞，直接決定了SDN/NFV體系是否能夠發(fā)揮最大效能。通過目前業(yè)界SDN實(shí)驗(yàn)室的不同廠家間設(shè)備的測(cè)試結(jié)果來看，部分SDN關(guān)鍵指標(biāo)（流表容量﹑流表轉(zhuǎn)發(fā)速率與時(shí)延等）在不同設(shè)備上呈現(xiàn)出明顯差異，難以穩(wěn)定滿足SDN架構(gòu)的高性能轉(zhuǎn)發(fā)需求，距全面商用的標(biāo)準(zhǔn)仍有一定差距。因此，就技術(shù)層面而言，基于SDN體系架構(gòu)內(nèi)的專用芯片架構(gòu)及方案還有較大改進(jìn)和優(yōu)化空間[6-7]。

此外，集中化控制如同一把雙刃劍，在帶來全網(wǎng)智能﹑統(tǒng)籌管理便利的同時(shí)，也使得控制器的穩(wěn)定性和安全性成為全網(wǎng)和諧運(yùn)行的痛點(diǎn)。一旦SDN控制器發(fā)生任何可能的安全性風(fēng)險(xiǎn)，隨之帶來的將是不可想象的全網(wǎng)性能力劣化甚至癱瘓。如何有效規(guī)避可能存在的控制器負(fù)載過大﹑控制器失效等風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)控制器自身以及控制器與應(yīng)用層/轉(zhuǎn)發(fā)層之間的安全問題，建立一套獨(dú)立﹑完善的保障機(jī)制，如制定主/備控制器策略﹑基于負(fù)載均衡機(jī)制的集群化SDN控制器等，將是SDN/NFV演進(jìn)過程中有待探索和論證的焦點(diǎn)。

5.2 集中控制的實(shí)現(xiàn)方式

對(duì)于SDN/NFV體系的逐步引入與普及，SDN控制器將成為業(yè)界廠商角逐的焦點(diǎn)。控制器自身的架構(gòu)體系還未統(tǒng)一，而SDN體系中控制層的性能又關(guān)乎整體網(wǎng)絡(luò)的性能。對(duì)于不同領(lǐng)域﹑不同專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)而言，SDN控制器的實(shí)現(xiàn)方式與內(nèi)部層次架構(gòu)均大相徑庭，硬件設(shè)備也可能由不同的通用或?qū)I(yè)控制器共同組成。因此，各網(wǎng)絡(luò)間﹑各廠家間不同控制器之間的協(xié)同仍將是值得研究的課題。

5.3 接口/協(xié)議歸一化

雖然開放化﹑統(tǒng)一化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前景，且SDN的標(biāo)準(zhǔn)化組織ONF已經(jīng)提出以基于IT思路的模型/模板方式實(shí)現(xiàn)接口統(tǒng)一的思路（北向接口以RESTful為主，OpenFlow不再是唯一的南向接口），將來廠家只需開放自己的模型即能實(shí)現(xiàn)互通[6]。但由于各自利益所趨，廠商間制定的接口方案相對(duì)獨(dú)立，彼此間的支持程度互有差異﹑各有長(zhǎng)短，很難簡(jiǎn)單判定某個(gè)廠商的方案更能作為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。因此，在眾多復(fù)雜因素的影響下，廠商間因自身利益各自為戰(zhàn)的局面難以在短時(shí)間內(nèi)消除。對(duì)于SDN統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系如何建立一系列具體問題，業(yè)界還將存在很大爭(zhēng)議。此外，在廠家間設(shè)備互操作性方面，由于廠商對(duì)SDN標(biāo)準(zhǔn)支持的程度不同，也很難在短時(shí)間內(nèi)在彼此間實(shí)現(xiàn)完全互開放與互操作。

5.4 多控制器協(xié)同

多控制器協(xié)同，又一個(gè)SDN/NFV演進(jìn)中面臨的關(guān)鍵問題。如今的通信行業(yè)幾乎都已進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段，業(yè)務(wù)范圍的拓寬對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的可拓展性都提出了很高要求。對(duì)單個(gè)SDN控制器而言，其硬件設(shè)備的能力畢竟有限，亦不能單純采用硬件堆疊方式對(duì)其進(jìn)行無限制的擴(kuò)容。因此，在后期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)發(fā)展中，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)多個(gè)SDN控制平面之間協(xié)同配合的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。以通信運(yùn)營(yíng)商為例，將來的CDN網(wǎng)﹑核心網(wǎng)﹑承載網(wǎng)等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)雖各司其職并均由專屬的控制器進(jìn)行管控和調(diào)配，但當(dāng)出現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)間需要協(xié)同合作的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景時(shí)，相應(yīng)的通信交互就需借助不同的SDN控制器之間的通信接口來實(shí)現(xiàn)。這種通信接口被業(yè)界定義為SDN控制器的東西向接口。

由于業(yè)界尚未制定統(tǒng)一的接口協(xié)議規(guī)范對(duì)SDN控制器的東西向接口進(jìn)行定義和描述，跨控制器間接口協(xié)議如何實(shí)現(xiàn)，跨網(wǎng)跨域間的業(yè)務(wù)調(diào)度與流量穿越的策略如何配置等，仍將會(huì)是下一階段多控制器協(xié)同課題中需要重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。可見，能否對(duì)東西向接口標(biāo)準(zhǔn)做出規(guī)范并完善，將直接關(guān)系到“多網(wǎng)絡(luò)平面間能力互助﹑構(gòu)建通信‘生態(tài)大網(wǎng)’”全局目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié) 語

SDN/NFV架構(gòu)體系是一種開放﹑靈活的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，基于該架構(gòu)的vCDN網(wǎng)絡(luò)能夠很好地迎合未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從“運(yùn)維”向“運(yùn)營(yíng)”的職能角色轉(zhuǎn)變?；ヂ?lián)網(wǎng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)井噴式的發(fā)展格局已然形成，大視頻業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)共融生態(tài)化發(fā)展的藍(lán)圖成為必然趨勢(shì)。新型業(yè)務(wù)模式的出現(xiàn)對(duì)CDN網(wǎng)絡(luò)的承載﹑運(yùn)算﹑調(diào)度能力等基礎(chǔ)指標(biāo)提出了更高要求，而vCDN網(wǎng)絡(luò)所具備的能力智能化彈性調(diào)度機(jī)制，可大幅提升全網(wǎng)工作效率及網(wǎng)絡(luò)利用率。就技術(shù)而言，向vCDN架構(gòu)的全面演進(jìn)并非單純依靠SDN/NFV技術(shù)的注入就能實(shí)現(xiàn)，未來與云計(jì)算等更多前沿技術(shù)的共融創(chuàng)新﹑新老網(wǎng)絡(luò)能否平滑過渡均為演進(jìn)路上的關(guān)鍵點(diǎn)。

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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

TN929.1

A

1002-0802(2016)-11-1499-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.11.016

王凌志（1980—），男，學(xué)士，主要研究方向?yàn)镾DN和NFV相關(guān)技術(shù)﹑CDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)﹑CDN架構(gòu)未來演進(jìn)探索；

喬 楚（1984—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)通信技術(shù)研究﹑CDN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)﹑未來CDN架構(gòu)演進(jìn)及新技術(shù)融合研究；

程小芳（1981—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)﹑IPTV領(lǐng)域及其未來演進(jìn)研究及咨詢?cè)O(shè)計(jì)。

2016-07-12；

2016-10-13 Received date:2016-07-12;Revised date:2016-10-13