視頻CDN分發網絡承載解決方案
2019-07-08 13:39:00
來源：新華三
一、 CDN分發網絡模型
如圖1所示，CDN的分發網絡一般分為省干網絡和地市城域網絡兩部分。通過省干網絡中的省干節點接入一級CDN中心，城域網絡由城域核心和城域匯聚組成，城域核心位置可以旁掛二級CDN中心，城域匯聚位置可以旁掛邊緣CDN中心。在業務發展初期，用戶數目較少時，可以只部署一級CDN中心，隨著局部用戶增多，再逐漸部署邊緣CDN中心。
圖1 CDN分發網絡模型
CDN分發網絡中存在兩種數據流：一種是CDN中心之間的分發流，一般以組播方式實現，在中間網絡不支持組播或者重用鏈路不多情況下，也可以通過單播方式；另一種是用戶的點播流，對于用戶的點播請求，系統會首先由距離用戶最近的CDN中心負責推送點播流，如果該CDN中心沒有用戶請求的點播內容，會向上一級CDN中心請求，由上一級CDN中心分發下來后推送給用戶。
二、 視頻流量的特點
高帶寬
與語音、數據業務相比，視頻所占帶寬是最高的。一方面源于單路視頻的分辨率和碼率在不斷提高，目前，一般一路MPEG2編碼的標清視頻占用3.75M帶寬，一路H.264編碼720P的高清視頻占用8M左右帶寬，H.264編碼的1080P的高清視頻將占用12~16M帶寬。另一方面點播的影視節目（電視劇、電影、綜藝節目）長度一般為小時級，衛視直播節目則需要24小時，視頻會話持續時間長也導致對帶寬能力提出更高要求。
與此同時，隨著視頻接入點的不斷增加，千萬條支流匯聚起來，也會形成洶涌遼闊的干流帶寬。
流量突發
視頻壓縮的主要原理是利用不同的壓縮方式去除信息冗余，轉換運動圖像為圖像序列，利用幀內編碼壓縮去除空間冗余，利用幀間互相依賴參考的關系壓縮去除時間冗余。其中，由幀內編碼組成的I幀包含圖像原始信息最多，是最大的一種幀，由幀間編碼組成的預測P幀、B幀則因僅包含相對的圖像差別信息而小很多，當這些幀序列通過被包裝成同樣大小的IP包發送出來時，顯然I幀會需要更多的IP包發送，并在瞬時造成報文突發。
圖2就是在實際環境中抓取的一路3.75M視頻流的流量波形圖,可以看到，該路視頻流的實際流量是4.1M，而其峰值流量是21.8M，也就是說峰值流量是平均流量的5.3倍。
圖2 單路視頻流的突發
當這種帶有突發特征的多路視頻流疊加在一起時就會累積形成更大的突發（如圖3所示）。
圖3 多路流的突發
丟包敏感
視頻業務由于輸出數據的高壓縮比，在報文丟失的影響方面存在放大效應，普通IP業務一般丟包率控制在1%～2%以內，但對于視頻業務來說這個控制指標遠遠不夠，需要考慮更嚴格的0%～0.05%網絡端到端丟包率設計。
三、 視頻承載網絡關鍵技術
以上所述的視頻流量的特點，要求承載視頻的網絡具備一定的特性才能更好的滿足要求。
1. 大吞吐量
視頻高帶寬、丟包敏感的特點，要求承載網絡設備，尤其是處于核心或骨干位置的設備，需要能夠滿足大吞吐量、無阻塞線性轉發以及具備一定端口密度的訴求。
無阻塞線性轉發
無阻塞線性轉發其實是強化交換機的全線速能力，指的是所有端口對任意大小字節的報文都以線速接收幀，并能在設備內部線速的處理。但傳統高端設備以交換線卡連接Crossbar交換網，報文在Crossbar內部選路是基于事先配置好的規則，同一數據流在內部的運轉路徑是確定的(HASH算法)，因此會存在特殊情況下在交換不同級層上發生阻塞的現象。而新一代交換架構——三級CLOS交換則可支持完全無阻塞交換，因為它通過在系統內部采用動態選路方式和等長切片處理，能夠將大規模密集流量在交換系統內部均勻交換，避免了阻塞帶來的性能惡化與嚴重下降。
高密度
在CDN分發網中，以處于城域核心位置的設備為例，至少需要滿足以下連接要求：
與每臺推流服務器，存儲服務器通過10GE口雙連接。
實現推流服務器與存儲服務器之間的10GE連通。
上行與省中心通過10GE連接。
下行實現與多臺匯聚設備的連接。
因此，設備需要具備一定的10GE與GE端口密度，尤其當覆蓋范圍內用戶數比較多時，下行與上行鏈路都跟隨增加，所需端口密度要求更高。
另外，由于視頻分發的過程多以組播方式完成，因此，組播的復制轉發性能也很重要，對于框式設備，一般要求要支持基于板內、板間、交換網的三級組播復制功能。
2. 較大緩存
根據在嚴酷場景下的模擬分析，對于突發很大的視頻流，在假設多路視頻流遭遇正碰（即各路視頻流的波峰都同時到來）且不出現丟包的情況下，千兆端口利用率與所需緩存的關系如圖4所示：
圖4 突發流量下端口利用率與緩存需求的關系
在實際的環境中，雖然多路視頻出現正碰要看幾率，突發程度也與視頻推流服務器有關，在某些時間段所需的緩存會比模擬的最嚴酷情況要小，但是設備要適應各種情況并獲得較高的端口利用率，還是有必要提供較大緩存。也就是說，承載視頻流的網絡設備，尤其存在"多端口打一端口"或"高速打低速"場景的設備，必須具備較大的緩存。
新一代的核心交換平臺一般不再采用傳統的出端口緩存方式，而是結合虛擬輸出隊列(VoQ)技術采用入端口緩存，在每個入端口方向配置大容量緩存，在出端口配置較小緩存，采用Credit來控制每個端口入方向的數據向出端口的突發，每個出端口向其他入端口分配Credit數量，當出端口線速向外轉發數據時，如果入方向過來的數據速度較快，在達到或超過出端口設定的突發門限時，出端口不再為入端口分配Credit，從而使得入端口的數據緩存在本地的大容量Buffer中，當出端口的排隊下降到門限以下，繼續向入端口分配Credit，使得緩存的數據得以繼續轉發（如圖5所示）。
圖5 分布式入口大緩存
在分布式入口緩存機制下，各端口的數據在出端口擁塞時都能在本地緩存，因而緩存容量是與入端口數成正比的線性關系。這種交換緩存架構能夠自動調節"多打一"與"高速打低速"的瞬時突發流量擁塞壓力，是提供視頻承載所需緩存的有效方式。
3. 高可靠性
視頻流量一般持續時間較長,又對丟包比較敏感,所以承載網絡需要長時間、穩定可靠的運行。采用橫向虛擬化技術，可將每兩臺設備虛擬成一臺設備，從而將設備之間的備份轉換成主控板與備份板之間的備份，并通過對跨框聚合的支持，實現鏈路在聚合級別的負載分擔和備份，從而大大縮短故障恢復時間。以上技術不僅在單播網絡上有效，在CDN分發網絡常見的組播網絡中也同樣有效。
在圖6的兩種RP的備份方案中，左側采用的是MSDP+同IP地址的方案。兩RP之間建立MSDP PEER關系，實現SA（Source Active，信源有效）信息的交換，同時將兩RP的Loopback地址設置為同一個IP地址（即Anycast RP的IP地址），并注入到IGP中。這樣，兩個RP之間借助單播的等價路由達到了既負載分擔又互相備份的目的。右側采用的是IRF+聚合的方案。兩臺設備經過IRF技術虛擬化成為一個邏輯的RP，該設備通過跨框聚合與上下游設備相連。該方案明顯的提升在于兩臺設備的備份轉變為一臺設備內部的主備板倒換，上下游鏈路的故障轉變為聚合的切換。
圖6 RP備份的兩種方式
通過測試，兩種方案故障切換的收斂時間數據如表1所示：
表1 RP備份兩種方式故障收斂時間對比
可以看出，虛擬化組網下，設備和鏈路的故障切換被控制在鏈路層次，不涉及路由級別的變化，所以虛擬化組網相比MSDP組網而言，無需啟用MSDP可以簡化組網，而且加速切換過程，提供更高的可靠性。
結束語
視頻逐漸成為互聯網流量的主宰者，作為承載視頻流量的網絡，需要根據其高帶寬、流量突發與丟包時延敏感的特點，重新審視網絡設備，確保通過大吞吐量、較大緩存和高可靠性的新一代的設備承載，以保證視頻在網絡環節的暢通穩定。
(文/張天潔 史計達）
