摘要：
本文分析SDN技术特点和优势，提出基于SDN的CDN内容分发和业务调度优化方案，通过SDN思想与传统CDN的结合，构建新的内容分发控制平面，获得OTT全网拓扑数据，实现OTT内容的最优化和接口自动部署，节约带宽资源和提高分发效率；提出在OTT调度控制平面中增加CDN节点级负载和服务质量两个指标，实现对边缘节点的过载保护机制，提升终端用户业务调度灵活性和业务服务质量。
关键词:
SDN OTT CDN 内容分发 业务调度
1 引言
近几年，OTT业务的快速发展， 2013年国内OTT用户规模达到500万，年环比增长超过100%。国内电信运营商IPTV用户规模为2500万，年增长为25%，增长率落后于OTT，行业发展趋势和竞争压力，倒逼着运营商在推进IPTV业务的同时也发展OTT业务。2014年中国电信集团公司层面也退出了“悦me”品牌的OTT业务，各省电信公司也相继推出了智能机顶盒，如广东电信的EC6108智能机顶盒，提供了OTT业务；同时随着宽带光纤大带宽化的发展趋势，未来互联网和移动互联网，必将仍以高清、超高清和4K等视频流媒体来填充带宽，OTT业务是未来业务发展的发力点，而平台网络资源如何有效支撑OTT业务快速灵活发展需求是关键点，因此OTT平台网络合理布局重要性也进一步凸显。
OTT技术目标是实现节目内容高效分发到各OTT的CDN节点让用户流畅的体验到OTT节目，其中OTT的CDN技术是核心。传统的CDN是“中心节点——区域Cach一级缓存节点——边缘Cach二级缓存节点”或“中心节点——边缘Cach缓存节点”的层级节点。此架构下，在用户访问流程上，由于区域或边缘Cach缓存节点一般分布式部署在不同运营商不同城市，OTT机顶盒请求视频节目，通过DNS获取代理调度服务器地址，调度到离用户最近的CDN节点访问视频服务，但若某地区视频流并发访问量激增，则需要通过增设扩容流媒体服务器来支撑业务发展需求，该模式难以应对动态访问请求，且这种补丁式的解决方案常给工程建设和运维工作带来各种问题；在OTT内容分发上，中心节点把节目源推送到各级缓存节点过程存在带宽资源量的严重损耗，特别随着SP和频道数量增加以及未来蓝光、超高清和4K节目的不断上线，在承载网中分发的节目源消耗带宽越来越多。
总体来看，当前OTT CDN系统存在无法了解网络全局拓扑，无法感知网络状态信息，缺乏控制路由的手段与能力，无QoS保障；增设硬件的方式不仅带来后续的运维负担，配置的改变也会给用户体验带来影响；OTT上游缓存节点和下游同域缓存节点之间存在重复流量，浪费带宽资源；而这些问题的本质是由于CDN的网络开放程度不足，不具整体标准，难以形成中心化的控制及调度机制，导致性能瓶颈。
为解决OTT CDN开放程度不足等问题，需要在网络中加入管控机制，通过中间层的业务调度引擎实现一体化服务，而SDN【1，2】（Software Defined Networking）给我们提供了一种借鉴方法。SDN是一种基于软件可编程思想的网络架构，通过将控制平面与转发平面解耦，控制平面采用集中式统一调度，网络提供者可以根据需求，为用户实时动态分配资源，转发平面则专注于转发功能的实现，从而达成效率提升。同时SDN通过开放且完备的编程接口，打破厂商对设备的垄断，通过控制转发分离与灵活的可编程性，SDN具有高效灵活调度资源的能力，并解决可扩展性的问题。SDN的思想是实现IP层网络设备的控制转发分离、集中式控制和南北向开放API编程接口，可以提升基础网络的承载效率。但SDN的思想也可应用在高层应用服务上，例如在OTT CDN上采用SDN技术，可以实现CDN智能感知流量，实现流量统计与分析聚类，可针对需求及网络状态，实时调度底层计算资源，提升内容分发和业务调度的可用性，降低运营维护成本。
2 SDN技术及其特点
SDN是一种新型的网络架构，它的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，从而通过集中的控制器中的软件平台去实现可编程化控制底层硬件，实现对网络资源灵活的按需调配。SDN有狭义的和广义上的概念，狭义的SDN是指从OpenFlow发展而来的一种新的网络技术，其前身是斯坦福的用于企业集中安全控制的Ethane项目，2008年Nick Mckeown将其命名为OpenFlow，经由斯坦福Clean State项目大力推广，概念逐渐外延为SDN。 广义的SDN是满足控制转发分离、逻辑集中控制和开放API三个特征的新型网络架构和新的网络和应用软件实现方法论，而不是某种具体的网络技术【3,4,5】。
图1 SDN控制转发平面分离和集中式控制
图2 SDN开放API接口
SDN的总体架构如图1和图2所示。在图1中，SDN分为转发平面和控制平面，转发平面由通用化的网络转发设备组成，接受控制平面的指令，执行报文的转发及网络层的操作等；控制平面即SDN控制器，通过南向接口实现对转发面设备的集中管理和控制。在图2中，SDN控制器更可以灵活定义网络，实现网络抽象化、虚拟化，通过北向接口为上层的应用提供网络能力调用接口，实现了网络能力的开放。SDN架构带来了以下变化：
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控制平面和转发平面的分离，使得转发平面的功能趋于简单，对设备的软、硬件需求趋于通用化，网络的结构、层次将更加简单；
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集中的SDN控制器，可实现大量网元的管理和控制，可拥有全局的网络视图，可基于全局视图实施网络规划设计、网络优化、运维管理；
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控制平面可采用软件灵活定义网络，网络将更加智能，能更好感知网络和业务，网络资源的整合成为可能，与IT设施的协同成为可能；
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SDN控制器可通过北向接口为上层应用提供网络服务，使得应用可获得所需的网络资源或可管理控制相应的网络资源，应用和网络的联系将更加紧密。
3 基于SDN的OTT CDN技术
OTT CDN的核心目标是实现节目内容在CDN应用网络中高效分发和实现OTT用户流畅播放OTT视频节目，其焦点是视频流数据的高效转发，而实现视频数据高效转发的前提是CDN具备全局合理的分发和调度策略。广义的SDN架构能够实现集中式的控制平面，获得全网拓扑以及实现流量优化控制，能够有效补充OTT CDN技术的不足，进而提升内容分发能力，改善用户视频体验。
3.1 内容分发机制优化
现网OTT CDN的节目方法方向是预配置模式，基于HLS或RTSP协议的直播频道从中心节目源预配置固定方向和固定数量推送至指定的CDN节点，如下图：
图3现网OTT HLS等节目推流模型
预配置定向和定量的方式，在OTT CDN规模小的时候，可支撑业务发展，但随着CDN规模的扩容，预配置模式一方面是极大浪费骨干网和城域网带宽资源，以及每次调整配置，都需要付出巨大的运维工作量，且该模式无法适应业务的灵活动态智能调整，无法支撑业务发展需求。例如，有1个SP，有100路频道，按3M、5M和8M三种码流提供服务，假设有200个CDN边缘节点分布在不同城市和不同运营商网络内，则要实现CDN的完整覆盖，则需要分发的总频道数量是60000路（3种码流 x 100路 x 200个CDN），总骨干网流量需要占用312G流量（100路 x（3M+5M+8M）x6万路），而这还未考虑一个CDN节点内部单台流媒体服务器性能无法支撑高并发需求而增加拷贝频道分布。要支撑大规模OTT CDN业务部署，需要改变现有CDN的预配置模式，我们提出一种基于SDN的CDN频道智能动态分发机制。
基于SDN的CDN频道智能动态分发机制，在每个CDN节点之上，增加节目分发集中控制平面，CDN内部每台流媒体服务器，和节目分发控制平面通过API接口进行通信，API接口可采用既有的Soap协议，控制平面对CDN边缘节点的节目分发数量和热度的统一监控，并提供统一的智能动态配置功能，实现以最省带宽和计算资源，快速收敛出节目频道分发的策略，在审核确认后，智能进行节目引流数量和引流方向的最优配置和调优。如下图：
图4 CDN内容分发控制平面
上图中，新增CDN内容分发控制平面，控制平面实现如下功能：
- CDN控制平面获取分发拓扑：CDN流媒体设备向CDN内容分发控制平面注册，上报内容分发现状，控制平面获得传统CDN难以获取的全网内容分发拓扑。
- 内容分发策略最优化和自动化：CDN内容分发控制平面根据内容分发拓扑数据，可快速制定节目分发的最佳策略，并实现把策略通过可视化操作界面，通过API接口下发CDN流媒体服务进行配置，实现配置策略的最优化和配置的自动化，极大提升运维和运营效率。
- 内容分发策略智能化：CDN内容分发控制平面根据周期性监控流媒体服务器上报的内容分发运行状态、业务并发量，智能计算出系统全网CDN实时负荷，并触发内容分发策略的更新。 利用CDN内容分发控制平面，CDN源节点只需一份或少量几份HLS流先推边缘节点，再由边缘节点向同级边缘节点和本节点内部进行二次推流，实现带宽资源的节约和部署效率的极大提升。例如在实现CDN相同的覆盖下，多个边缘缓存CDN节点可根据所处的运营商网络共享1份或少数几份HLS流，频道推流数量分发数量下降到原来的10%或更少，总骨干网流量仅需占用不到30G流量；原来配置一个节点的分发工作涉及所有HLS频道，可能耗时8个小时，现在通过分发控制平面由系统接口完成，耗时只需几分钟，极大节约带宽成本和运维成本。
3.2 终端业务调度优化
OTT调度常用DNS轮询负载均衡技术【6】，DNS的思想是把用户调度到用户最近的CDN节点。现网OTT的终端接入业务调度，我们使用下述模型进行刻画：模型中有F函数和G函数，F函数描述了机顶盒接入时，DNS调度系统根据用户终端的IP地址，调度到本DNS对OTT域名解析出的地址的CDN系统，把机顶盒首先调度到预配置的CDN（i）节点。模型中G函数描述了机顶盒调度到一个CND（i）节点后，在节点内部对流媒体服务器的寻址调度，调度过程是一个四元组合模式，即依据节点内服务器是否有请求的节目内容、服务器的健康度（如CPU、内存是否超限或磁盘是否故障）、本台服务器并发用户数是否超License和选择负载（如流量）最轻的服务器为用户提供视频服务，F和G函数分别实现了CDN节点级和节点内部的寻址调度过程。
上述CDN调度机制存在的最大瓶颈在于由于OTT业务有突发性（如OTT内容节目冷热切换快或有突发的焦点节目、以及某些时间段用户物理位置接入点变化大），由于CDN节点在短时间内无法满足业务突发需求进行扩容，因此容易造成局部CDN节点服务拥塞进而可能导致OTT业务服务质量下降。要解决该瓶颈，实现支撑突发业务时对OTT CDN节点进行软扩容和在业务闲时对CDN节点进行缩容以节能省成本，需要对OTT终端的业务调度策略需进行优化。
本文提出了一种基于SDN思想的业务调度策略优化机制，即增加CDN节点出口带宽负载和节点视频服务质量的多维调度机制，提升了CDN节点的服务质量可靠性和简化了IP预配置，具体模型如下：
CDN节点级的负载和节点级质量调度：引入节点级负载和节点级服务质量两个调度变量，实现系统对CDN节点总负载和节点服务质量进行识别，若负载或服务质量指标超过合理阀值，则F’函数进行递归重新计算直到选择更合适的CDN节点，再进入G函数进行节点内部的服务器寻址调度，最终为用户分配一个最优的CDN节点和一台流媒体服务器提供视频服务。
要实现OTT系统能根据节点级总负载和节点级整体服务质量两个指标进行最优化调度，可通过控制平面对流媒体服务器上报的单机负载和终端服务器质量进行采集和综合计算，计算得到的结果开放给调度模块使用，流程如下图所示。
图5 节点级负载和服务质量指标纳入调度机制
其中，OTT用户终端的服务质量指标的采集和计算，参考我们的另外的研究论文【7】。 至此，我们基于SDN的控制和数据转发分离、上游集中控制、API接口开放的理念，提出了基于SDN的OTT CDN内容分发和业务调度优化方案，该方案可极大节约OTT内容分发的带宽成本和运维成本，提升了用户业务调度的灵活性和视频服务质量，也为我们进行OTT系统的升级改造提供了方向。
4 结束语
狭义的SDN主要应用在IP网络层，现网存量的网络设备是无法支持控制和数据转发的分离等特点，因此在短时间内，要实现IP基础网络的SDN架构是不现实的，但SDN的思想却可以给高层的应用服务借鉴，实现软件功能模块的解耦合，进而降低应用服务的复杂性、提升扩展能力和部署效率等，因此本文把SDN的思想应用到了OTT业务上。
传统OTT CDN的内容分发消耗带宽大、分发难度大，CDN业务调度无法解决局部边缘节点突发业务量大过载的现状，导致OTT建设和运维运营成本高、用户体验感知不佳等问题。本文提出基于SDN的CDN内容分发和业务调度优化方案，通过SDN与传统CDN的结合，构建新的内容分发控制平面，获得OTT全网拓扑数据，动态计算和分配资源，实现OTT内容的最优化和接口自动部署，节约了带宽资源和提升了节目分发效率；通过升级OTT业务调度模型，提出在OTT调度控制平面中增加CDN节点级负载和服务质量两个指标，实现对边缘节点的过载保护机制，进而提升终端用户业务服务质量。
参考文献
- Sixto Ortiz Jr.;”Software-Defined Networking: On the Verge of a Breakthrough”; IEEE Computer, JULY 2013
- 闵应骅；我所理解的“软件定义的网络” [J]；国际IT传媒品牌；2014年
- 吴强等；基于 SDN 技术的数据中心基础网络构建[J]；电信科学，2013 年
- 赵慧玲等；SDN—未来网络演进的重要趋势[J]；电信科学，2012 年
- 吕高锋等；LabelCast:一种普适的SDN转发平面抽象[J]；计算机学报,2012年
- 王云岚等；基于DNS的负载均衡算法研究[J]；计算机工程与应用；2002
- 邵壮丰等；广东IPTV业务服务质量提升研究[J]；电信科学；2012
