5G背景下計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究

趙圣隆

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 山西 晉中 030619)

0 引言

隨著5G時(shí)代的到來,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用又邁上了一個(gè)新的臺(tái)階,結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù),在智慧城市、智慧交通、智能家居、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。其中網(wǎng)絡(luò)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)緩存等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)5G架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用,針對(duì)這一研究現(xiàn)狀,本研究在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上,對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)硬件資源虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network,SDN)架構(gòu)中的應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)在內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(content delivery network,CDN)分布式網(wǎng)絡(luò)緩存機(jī)制中的作用展開了深入研究,包括5G接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network functions virtualization,NFV)架構(gòu)功能部署、承載網(wǎng)SDN分層實(shí)現(xiàn)、CDN邊緣計(jì)算緩存機(jī)制構(gòu)建等。

1 5G概述

5G是在4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建的一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),相較于4G網(wǎng)絡(luò),5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能提出了更高的要求,在一些特定的局部場(chǎng)景中能夠?qū)崿F(xiàn)超高速率的數(shù)據(jù)傳輸,最低時(shí)延也達(dá)到了1 ms以下,并且支持更加廣泛的移動(dòng)性場(chǎng)景通信。5G采用了一系列新網(wǎng)絡(luò)技術(shù),包括高頻率帶、多天線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)切片等[1],以實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的延遲和更高的可靠性。5G架構(gòu)包括核心網(wǎng)、邊緣計(jì)算和無線接入等多個(gè)部分[2],這些部分相互協(xié)作,共同構(gòu)成了5G網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu),如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

在5G架構(gòu)中,將網(wǎng)絡(luò)劃分為三個(gè)功能層級(jí):接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)。接入網(wǎng)負(fù)責(zé)各類設(shè)備終端的信號(hào)接入,其中運(yùn)營(yíng)商基站是接入網(wǎng)的主要組成設(shè)備,這些基站設(shè)備包括又包括三個(gè)組成部分:基帶處理單元(building baseband unit,BBU),用于調(diào)制信號(hào);遠(yuǎn)端射頻單元(remote radio unit,RRU)用于處理射頻信息;射頻天線,用于線纜導(dǎo)行波與無線空間波的信息轉(zhuǎn)換。承載網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯聚與傳輸,為了確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r(shí)延、高響應(yīng),需要依賴兩項(xiàng)關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)功能:網(wǎng)絡(luò)切片與邊緣計(jì)算,網(wǎng)絡(luò)切片主要是利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能與網(wǎng)絡(luò)控制、軟件與硬件的解耦,以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可擴(kuò)展性和靈活性[3];邊緣計(jì)算則是通過網(wǎng)絡(luò)緩存等技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)資源與終端用戶的近距離關(guān)聯(lián),從而提高網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)速度和效率。核心網(wǎng)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理,該層功能被分成了多個(gè)模塊,包括用戶面、控制面和管理面,這些模塊可以獨(dú)立部署和升級(jí),從而實(shí)現(xiàn)更高的靈活性和可靠性。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)是一種將網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行抽象化、分離和隔離的技術(shù),可以將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)多租戶共享、資源利用率提高、網(wǎng)絡(luò)管理簡(jiǎn)化等優(yōu)勢(shì)。常見的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)包括虛擬局域網(wǎng)(virtual local area network,VLAN)、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(virtual private network,VPN)、虛擬路由器(virtual router,VRouter)等,其中VLAN可以將一臺(tái)交換機(jī)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)不同的用戶或應(yīng)用之間的隔離;VPN可以通過公共網(wǎng)絡(luò)連接不同的站點(diǎn)或用戶,實(shí)現(xiàn)安全的遠(yuǎn)程訪問和數(shù)據(jù)傳輸;VRouter可以將多個(gè)物理路由器虛擬化為一個(gè)邏輯路由器,提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。除此之外,應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)的虛擬化技術(shù)主要包括NFV和SDN。

NFV是由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(European Telecommunication Standard Institute,ETSI)提出的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)專用物理設(shè)備虛擬化共享的標(biāo)準(zhǔn)化解決框架[4],目的是將物理設(shè)備與運(yùn)行其上的業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)解耦,通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)提供一套通用的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署方案,允許各類網(wǎng)絡(luò)功能,如路由、防火墻、負(fù)載均衡等可以軟件的形式運(yùn)行在虛擬的通用硬件之上,而不是專用設(shè)備上。這種架構(gòu)可以有效提高網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性、可擴(kuò)展性和可管理性,同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的成本和復(fù)雜性。

SDN是一種新型的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),核心思路也是要利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的解耦[5],以提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的靈活性。與NFV不同的是,NFV負(fù)責(zé)的是具體的網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)備解耦,SDN是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠矫娼怦?實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的解耦[6]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)緩存是一種將常用的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地緩存中,以提高訪問速度和減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的技術(shù),其核心思想是以時(shí)間換空間、以局部換全部,通過預(yù)判、調(diào)度等機(jī)制提前將可能要訪問到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和本地存儲(chǔ),將面向廣域的數(shù)據(jù)訪問轉(zhuǎn)換為面向局部的本地訪問或鄰近訪問。網(wǎng)絡(luò)緩存對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)擁塞、內(nèi)容分發(fā)效率,降低傳輸時(shí)延都具有十分重要的意義,常用的網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)包括瀏覽器緩存、代理服務(wù)器緩存和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等。瀏覽器緩存是基于HTTP傳輸協(xié)議構(gòu)建的一種WEB服務(wù)緩存機(jī)制,該機(jī)制允許將HTTP請(qǐng)求的響應(yīng)結(jié)果在一定有效期內(nèi)緩存至本地瀏覽器,之后HTTP請(qǐng)求相同結(jié)果時(shí),即可從本地瀏覽器緩存中快速獲取;代理服務(wù)器緩存是指在網(wǎng)絡(luò)中部署代理服務(wù)器,為鄰近范圍內(nèi)的客戶端提供數(shù)據(jù)緩存服務(wù),同時(shí)為了滿足海量數(shù)據(jù)的緩存服務(wù),可由緩存服務(wù)器集群組建緩存資源池來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的緩存,涉及的核心問題包括兩個(gè)方面:一是緩存資源池的位置部署;二是緩存資源的有效調(diào)度。緩存資源池的位置部署決定了哪類資源緩存至哪的問題,即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)哪類數(shù)據(jù)信息的緩存;緩存資源的調(diào)度則主要解決新舊緩存資源的更新、替代問題。CDN是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上結(jié)合虛擬化技術(shù)構(gòu)建虛擬的智能網(wǎng)絡(luò),通過邊緣服務(wù)器部署進(jìn)行邊緣數(shù)據(jù)緩存,將源站內(nèi)容直接發(fā)布至距離用戶最近的緩存節(jié)點(diǎn),以盡可能保證用戶鄰近訪問,從而提高數(shù)據(jù)緩存的命中率與網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度。

3 虛擬化技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

3.1 網(wǎng)絡(luò)硬件資源的虛擬化

NFV主要工作在5G網(wǎng)絡(luò)的接入網(wǎng),作用是實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)各類信息采集終端的專用設(shè)備硬件與軟件功能的解耦[7],其架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 NFV架構(gòu)示意圖

NFV架構(gòu)主要包括四個(gè)組成部分:運(yùn)營(yíng)/業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化模塊、硬件資源虛擬池化和NFV虛擬管理器。

硬件資源虛擬化用于實(shí)現(xiàn)硬件資源的抽象化和邏輯映射,抽象化的硬件資源主要分為三類:計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源,將這三類資源匯聚為邏輯資源池,并與硬件資源之間建立映射關(guān)系。通過虛擬化資源池的構(gòu)建就可以為網(wǎng)絡(luò)提供虛擬計(jì)算、虛擬存儲(chǔ)、虛擬網(wǎng)絡(luò)等功能服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化模塊用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元的虛擬化實(shí)例管理,在5G網(wǎng)絡(luò)中接入終端以基站為單位進(jìn)行組織和管理,這些基站就可以看作是不同的網(wǎng)元,依據(jù)其功能不同,5G網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元有很多,例如接入和移動(dòng)性管理功能網(wǎng)元,主要提供終端接入時(shí)的設(shè)備認(rèn)證、權(quán)力鑒定等功;會(huì)話管理功能網(wǎng)元負(fù)責(zé)接入設(shè)備的IP分配、隧道維護(hù)、UP功能選擇、QoS控制等功能。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化模塊對(duì)虛擬化的硬件功能實(shí)例化為邏輯網(wǎng)元,并以網(wǎng)元為單元進(jìn)行管理和資源調(diào)度。

運(yùn)營(yíng)/業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)具有兩方面功能:一是對(duì)傳統(tǒng)的、未虛擬化的網(wǎng)絡(luò)硬件資源提供環(huán)境支撐和管理;二是對(duì)虛擬化的網(wǎng)元實(shí)例進(jìn)行編排與管理,該功能需與NFV虛擬管理器交互實(shí)現(xiàn)。

NFV管理器由NFV調(diào)度器、NFV編排器、NFV虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理器組成。該模塊通過與運(yùn)營(yíng)/業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)的交互協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)NFV虛擬化系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)的部署、調(diào)度、編排等功能。

3.2 SDN架構(gòu)

SDN服務(wù)架構(gòu)部署在承載網(wǎng),主要用于解決5G網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)層與控制層的高耦合問題,是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的關(guān)鍵技術(shù)[8]。SDN采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了邏輯分層,分為了數(shù)據(jù)平面、控制平面與應(yīng)用平面三個(gè)層級(jí),如圖3所示。

圖3 SDN層級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)平面為SDN架構(gòu)的硬件底層,主要由路由器、交換機(jī)等物理設(shè)備和虛擬設(shè)備構(gòu)成,專用于承載網(wǎng)中數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)、信道狀態(tài)收集和;控制平面以SDN控制器為核心,對(duì)數(shù)據(jù)平面的物理資源進(jìn)行虛擬化映射,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包協(xié)議封裝與解析、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置、全局資源調(diào)度、負(fù)載均衡等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的管理,并通過南向接口向數(shù)據(jù)平面發(fā)送控制指令;應(yīng)用平面負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略的部署,多種SDN應(yīng)用的開發(fā)和拓展,并通過北向接口下發(fā)至控制平面。通過SDN架構(gòu)可以有效改善承載網(wǎng)的靈活可控、可編程、可拓展等性能,大大提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率。

4 網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)的應(yīng)用

4.1 CDN分布式網(wǎng)絡(luò)緩存機(jī)制的構(gòu)建思路

5G網(wǎng)絡(luò)主要采用的是CDN分布式網(wǎng)絡(luò)緩存機(jī)制[9],機(jī)制構(gòu)建思路:首先在NFV、SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的支撐下,針對(duì)不同設(shè)備功能做切片細(xì)分,例如針對(duì)提供移動(dòng)數(shù)據(jù)、語(yǔ)義服務(wù)進(jìn)行移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)切片,針對(duì)智能駕駛中車載數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)絡(luò)切片;其次在網(wǎng)絡(luò)邊緣部署分布式網(wǎng)絡(luò)緩存節(jié)點(diǎn),通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)將緩存節(jié)點(diǎn)抽象為虛擬資源池,并由虛擬資源池向網(wǎng)絡(luò)切片提供資源服務(wù);最后通過部署在緩存節(jié)點(diǎn)的邊緣計(jì)算機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)緩存的資源調(diào)度與管理。

4.2 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算是部署在5G網(wǎng)絡(luò)邊緣服務(wù)器上的一種數(shù)據(jù)緩存調(diào)度機(jī)制,邊緣服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)中最靠近終端用戶的服務(wù)節(jié)點(diǎn),主要解決的問題是通過網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)向終端用戶提供高效率、低時(shí)延的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)。5G網(wǎng)絡(luò)終端用戶通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互和資源共享,移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)大致可以劃分為核心網(wǎng)與邊緣網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分,部署于邊緣網(wǎng)絡(luò)位置的服務(wù)器就稱為邊緣服務(wù)器。假定用戶卸載的所有任務(wù)資源均可被邊緣服務(wù)器執(zhí)行和管理,就可認(rèn)為邊緣服務(wù)器達(dá)到了最佳的性能狀態(tài),但這顯然是不可能的,因此應(yīng)盡可能提高邊緣服務(wù)器的資源緩存命中率,而邊緣計(jì)算就是CDN分布式網(wǎng)絡(luò)緩存效率保障的關(guān)鍵。

邊緣計(jì)算機(jī)制的實(shí)現(xiàn)主要涉及兩個(gè)方面:

一是網(wǎng)絡(luò)模型的搭建,網(wǎng)絡(luò)模型搭建目前最常采用的是分層式多服務(wù)器協(xié)同模式。該模式采用云服務(wù)與多個(gè)邊緣服務(wù)器分層協(xié)同的方式組成了有限區(qū)域內(nèi)的邊緣計(jì)算系統(tǒng),以提供統(tǒng)一的資源緩存、調(diào)度服務(wù)。相較于邊緣服務(wù)器,云服務(wù)具有更加優(yōu)越的存儲(chǔ)和運(yùn)算性能,因此以云服務(wù)為中心層,多邊緣服務(wù)器為區(qū)域節(jié)點(diǎn)為用戶提供分層式的緩存服務(wù),可以有效保障邊緣計(jì)算系統(tǒng)的服務(wù)可靠性。當(dāng)用戶獲取的資源邊緣服務(wù)器無法滿足時(shí),用戶即可直接向云服務(wù)請(qǐng)求資源,而各個(gè)邊緣服務(wù)器之間也可以相互進(jìn)行通信,以達(dá)到協(xié)同目的。

二是核心算法的選擇,算法主要目的是實(shí)現(xiàn)邊緣節(jié)點(diǎn)上緩存資源的合理預(yù)測(cè)和調(diào)度,以提高用戶請(qǐng)求的命中率。邊緣計(jì)算的算法有很多,大致可以分為特征預(yù)測(cè)與過程推導(dǎo)兩類,特征預(yù)測(cè)是指通過提取用戶的人工特征,例如用戶類別、社交網(wǎng)絡(luò)類型、上下文信息等,從特征中分析用戶喜好與操作習(xí)慣,從而預(yù)測(cè)用戶的訪問需求,并進(jìn)行相應(yīng)資源的調(diào)度分配;過程推導(dǎo)是通過對(duì)用戶信息轉(zhuǎn)發(fā)過程的記錄、特征提取和建模,將預(yù)測(cè)結(jié)果的計(jì)算過程轉(zhuǎn)化為速率函數(shù)的計(jì)算過程,用不同的速率函數(shù)來描述各種預(yù)測(cè)結(jié)果的可能性,可能性越大則表示相關(guān)數(shù)據(jù)的訪問命中率越高。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,5G是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)最為重大的一次技術(shù)變革,為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?；诖吮尘?本研究結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,并對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討,包括NFV架構(gòu)功能在網(wǎng)絡(luò)硬件資源虛擬化中的應(yīng)用、SDN網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理、CDN分布式網(wǎng)絡(luò)緩存機(jī)制的構(gòu)建,以及邊緣計(jì)算緩存機(jī)制的部署等內(nèi)容,為5G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了一定的參考經(jīng)驗(yàn)。