视频CDN分发网络承载解决方案
2019-07-08 13:39:00
来源：新华三
一、 CDN分发网络模型
如图1所示，CDN的分发网络一般分为省干网络和地市城域网络两部分。通过省干网络中的省干节点接入一级CDN中心，城域网络由城域核心和城域汇聚组成，城域核心位置可以旁挂二级CDN中心，城域汇聚位置可以旁挂边缘CDN中心。在业务发展初期，用户数目较少时，可以只部署一级CDN中心，随着局部用户增多，再逐渐部署边缘CDN中心。
图1 CDN分发网络模型
CDN分发网络中存在两种数据流：一种是CDN中心之间的分发流，一般以组播方式实现，在中间网络不支持组播或者重用链路不多情况下，也可以通过单播方式；另一种是用户的点播流，对于用户的点播请求，系统会首先由距离用户最近的CDN中心负责推送点播流，如果该CDN中心没有用户请求的点播内容，会向上一级CDN中心请求，由上一级CDN中心分发下来后推送给用户。
二、 视频流量的特点
高带宽
与语音、数据业务相比，视频所占带宽是最高的。一方面源于单路视频的分辨率和码率在不断提高，目前，一般一路MPEG2编码的标清视频占用3.75M带宽，一路H.264编码720P的高清视频占用8M左右带宽，H.264编码的1080P的高清视频将占用12~16M带宽。另一方面点播的影视节目（电视剧、电影、综艺节目）长度一般为小时级，卫视直播节目则需要24小时，视频会话持续时间长也导致对带宽能力提出更高要求。
与此同时，随着视频接入点的不断增加，千万条支流汇聚起来，也会形成汹涌辽阔的干流带宽。
流量突发
视频压缩的主要原理是利用不同的压缩方式去除信息冗余，转换运动图像为图像序列，利用帧内编码压缩去除空间冗余，利用帧间互相依赖参考的关系压缩去除时间冗余。其中，由帧内编码组成的I帧包含图像原始信息最多，是最大的一种帧，由帧间编码组成的预测P帧、B帧则因仅包含相对的图像差别信息而小很多，当这些帧序列通过被包装成同样大小的IP包发送出来时，显然I帧会需要更多的IP包发送，并在瞬时造成报文突发。
图2就是在实际环境中抓取的一路3.75M视频流的流量波形图,可以看到，该路视频流的实际流量是4.1M，而其峰值流量是21.8M，也就是说峰值流量是平均流量的5.3倍。
图2 单路视频流的突发
当这种带有突发特征的多路视频流叠加在一起时就会累积形成更大的突发（如图3所示）。
图3 多路流的突发
丢包敏感
视频业务由于输出数据的高压缩比，在报文丢失的影响方面存在放大效应，普通IP业务一般丢包率控制在1%～2%以内，但对于视频业务来说这个控制指标远远不够，需要考虑更严格的0%～0.05%网络端到端丢包率设计。
三、 视频承载网络关键技术
以上所述的视频流量的特点，要求承载视频的网络具备一定的特性才能更好的满足要求。
1. 大吞吐量
视频高带宽、丢包敏感的特点，要求承载网络设备，尤其是处于核心或骨干位置的设备，需要能够满足大吞吐量、无阻塞线性转发以及具备一定端口密度的诉求。
无阻塞线性转发
无阻塞线性转发其实是强化交换机的全线速能力，指的是所有端口对任意大小字节的报文都以线速接收帧，并能在设备内部线速的处理。但传统高端设备以交换线卡连接Crossbar交换网，报文在Crossbar内部选路是基于事先配置好的规则，同一数据流在内部的运转路径是确定的(HASH算法)，因此会存在特殊情况下在交换不同级层上发生阻塞的现象。而新一代交换架构——三级CLOS交换则可支持完全无阻塞交换，因为它通过在系统内部采用动态选路方式和等长切片处理，能够将大规模密集流量在交换系统内部均匀交换，避免了阻塞带来的性能恶化与严重下降。
高密度
在CDN分发网中，以处于城域核心位置的设备为例，至少需要满足以下连接要求：
与每台推流服务器，存储服务器通过10GE口双连接。
实现推流服务器与存储服务器之间的10GE连通。
上行与省中心通过10GE连接。
下行实现与多台汇聚设备的连接。
因此，设备需要具备一定的10GE与GE端口密度，尤其当覆盖范围内用户数比较多时，下行与上行链路都跟随增加，所需端口密度要求更高。
另外，由于视频分发的过程多以组播方式完成，因此，组播的复制转发性能也很重要，对于框式设备，一般要求要支持基于板内、板间、交换网的三级组播复制功能。
2. 较大缓存
根据在严酷场景下的模拟分析，对于突发很大的视频流，在假设多路视频流遭遇正碰（即各路视频流的波峰都同时到来）且不出现丢包的情况下，千兆端口利用率与所需缓存的关系如图4所示：
图4 突发流量下端口利用率与缓存需求的关系
在实际的环境中，虽然多路视频出现正碰要看几率，突发程度也与视频推流服务器有关，在某些时间段所需的缓存会比模拟的最严酷情况要小，但是设备要适应各种情况并获得较高的端口利用率，还是有必要提供较大缓存。也就是说，承载视频流的网络设备，尤其存在"多端口打一端口"或"高速打低速"场景的设备，必须具备较大的缓存。
新一代的核心交换平台一般不再采用传统的出端口缓存方式，而是结合虚拟输出队列(VoQ)技术采用入端口缓存，在每个入端口方向配置大容量缓存，在出端口配置较小缓存，采用Credit来控制每个端口入方向的数据向出端口的突发，每个出端口向其他入端口分配Credit数量，当出端口线速向外转发数据时，如果入方向过来的数据速度较快，在达到或超过出端口设定的突发门限时，出端口不再为入端口分配Credit，从而使得入端口的数据缓存在本地的大容量Buffer中，当出端口的排队下降到门限以下，继续向入端口分配Credit，使得缓存的数据得以继续转发（如图5所示）。
图5 分布式入口大缓存
在分布式入口缓存机制下，各端口的数据在出端口拥塞时都能在本地缓存，因而缓存容量是与入端口数成正比的线性关系。这种交换缓存架构能够自动调节"多打一"与"高速打低速"的瞬时突发流量拥塞压力，是提供视频承载所需缓存的有效方式。
3. 高可靠性
视频流量一般持续时间较长,又对丢包比较敏感,所以承载网络需要长时间、稳定可靠的运行。采用横向虚拟化技术，可将每两台设备虚拟成一台设备，从而将设备之间的备份转换成主控板与备份板之间的备份，并通过对跨框聚合的支持，实现链路在聚合级别的负载分担和备份，从而大大缩短故障恢复时间。以上技术不仅在单播网络上有效，在CDN分发网络常见的组播网络中也同样有效。
在图6的两种RP的备份方案中，左侧采用的是MSDP+同IP地址的方案。两RP之间建立MSDP PEER关系，实现SA（Source Active，信源有效）信息的交换，同时将两RP的Loopback地址设置为同一个IP地址（即Anycast RP的IP地址），并注入到IGP中。这样，两个RP之间借助单播的等价路由达到了既负载分担又互相备份的目的。右侧采用的是IRF+聚合的方案。两台设备经过IRF技术虚拟化成为一个逻辑的RP，该设备通过跨框聚合与上下游设备相连。该方案明显的提升在于两台设备的备份转变为一台设备内部的主备板倒换，上下游链路的故障转变为聚合的切换。
图6 RP备份的两种方式
通过测试，两种方案故障切换的收敛时间数据如表1所示：
表1 RP备份两种方式故障收敛时间对比
可以看出，虚拟化组网下，设备和链路的故障切换被控制在链路层次，不涉及路由级别的变化，所以虚拟化组网相比MSDP组网而言，无需启用MSDP可以简化组网，而且加速切换过程，提供更高的可靠性。
结束语
视频逐渐成为互联网流量的主宰者，作为承载视频流量的网络，需要根据其高带宽、流量突发与丢包时延敏感的特点，重新审视网络设备，确保通过大吞吐量、较大缓存和高可靠性的新一代的设备承载，以保证视频在网络环节的畅通稳定。
(文/张天洁 史计达）
