LTE移動網(wǎng)絡(luò)中的CDN關(guān)鍵技術(shù)研究
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1lte移動網(wǎng)絡(luò)CDN關(guān)鍵技術(shù)
1.1CDN節(jié)點下沉
傳統(tǒng)的CDN網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點通常部署于城域網(wǎng)內(nèi)，對移動用戶而言，中間需要經(jīng)過基站、核心網(wǎng)等多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，物理路徑較長，容易影響用戶體驗，因此將CDN節(jié)點下沉至核心網(wǎng)/基站側(cè)，可以很好地縮短用戶訪問路徑，提高響應(yīng)速度。在核心網(wǎng)、基站側(cè)部署CDN節(jié)點的組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。由于運營商基站數(shù)量較多，為節(jié)約建設(shè)成本，減少維護工作量，建議選擇用戶數(shù)量較多、容量較大的基站部署CDN節(jié)點，部署方式為“分光+透明緩存”方式。將透明緩存設(shè)備（如刀片插板）集成到基站設(shè)備中，通過端口鏡像方式或DPI分光設(shè)備將用戶流量引導(dǎo)至透明緩存設(shè)備，由透明緩存設(shè)備根據(jù)用戶訪問熱度，自動緩存熱點內(nèi)容。當(dāng)用戶請求熱點內(nèi)容時，直接由透明緩存設(shè)備發(fā)送內(nèi)容給用戶；當(dāng)用戶請求非熱點內(nèi)容時，則由用戶訪問源網(wǎng)站獲得內(nèi)容。CDN透明緩存設(shè)備工作原理如圖3所示。CDN透明緩存設(shè)備業(yè)務(wù)流程如下。①用戶發(fā)送HTTP請求，訪問內(nèi)容A，經(jīng)過DPI設(shè)備；②DPI設(shè)備對HTTP進行分析，將結(jié)果發(fā)送給CDN節(jié)點進行匹配；③CDN節(jié)點搜索本地是否已緩存內(nèi)容A（由于內(nèi)容A熱度不夠，并未緩存）；④CDN將“未緩存”結(jié)果返回給DPI設(shè)備；⑤DPI設(shè)備通知用戶繼續(xù)訪問源網(wǎng)站；⑥用戶直接連接到源網(wǎng)站，請求內(nèi)容A；⑦源網(wǎng)站返回內(nèi)容A；⑧CDN節(jié)點統(tǒng)計內(nèi)容A的訪問熱度，達到一定閾值時，向源網(wǎng)站請求內(nèi)容A；⑨CDN將獲取到的內(nèi)容A緩存到本地；⑩當(dāng)有其他用戶再次訪問該內(nèi)容時，重復(fù)第①~③步，由于CDN已透明緩存該內(nèi)容，在第④步返回給DPI設(shè)備的結(jié)果是“已緩存”，因此用戶直接向CDN節(jié)點獲取內(nèi)容A；輯訛輥CDN節(jié)點返回內(nèi)容A給用戶。
1.2DNS緩存加速
用戶在訪問網(wǎng)頁、視頻、音頻、圖片等內(nèi)容時，請求的URL通常是域名而非IP地址，例如www.taobao.com/XXXX…，需要通過本地DNS進行解析。在2G/3G移動網(wǎng)絡(luò)中，DNS服務(wù)器通常部署于城域網(wǎng)內(nèi)，每次DNS解析請求都要通過基站、核心網(wǎng)，因路徑較長而造成DNS時延較大，如圖4所示。在LTE網(wǎng)絡(luò)中，隨著CDN節(jié)點下沉到核心網(wǎng)或者基站側(cè)，可在CDN節(jié)點中增加DNS緩存系統(tǒng)，對移動用戶訪問流量中的DNS協(xié)議進行監(jiān)聽。為保證DNS解析性能和可靠性，可設(shè)定一定的閾值，當(dāng)本地DNS服務(wù)器運行正常時（例如響應(yīng)時間低于閾值，解析成功率高于閾值），仍由本地DNS服務(wù)器進行解析；當(dāng)本地DNS服務(wù)器運行異常時（例如響應(yīng)時間高于閾值，解析成功率低于閾值），則由cdn節(jié)點的DNS緩存系統(tǒng)進行解析。CDN的DNS緩存系統(tǒng)需要定期與本地DNS服務(wù)器進行同步，更新域名和IP地址的映射關(guān)系。以圖4為例估算，采用CDN的DNS緩存系統(tǒng)加速后，每次DNS解析均可節(jié)約80ms，8次DNS解析可節(jié)約0.64s，總體解析時間約為原先的2/3，可以有效地降低DNS解析時間，提升用戶訪問速度，優(yōu)化服務(wù)質(zhì)量和業(yè)務(wù)體驗。
1.3內(nèi)容源優(yōu)化及終端適配
目前移動用戶使用的終端通常為基于蘋果iOS、谷歌Android等操作系統(tǒng)的智能手機，和電腦相比，具有屏幕尺寸小、分辨率低、CPU頻率低、內(nèi)存小、存儲容量小等特點，而互聯(lián)網(wǎng)的海量內(nèi)容大部分都是為電腦訪問設(shè)計的，并沒有針對移動終端進行優(yōu)化。因此，在LTE移動網(wǎng)絡(luò)中，由CDN節(jié)點對內(nèi)容源進行優(yōu)化緩存，并且在移動終端中通過客戶端或者插件進行適配，能夠根據(jù)用戶終端的情況，動態(tài)優(yōu)化內(nèi)容呈現(xiàn)方式，降低用戶終端和基站、核心網(wǎng)間的數(shù)據(jù)流量，釋放更多的空口資源。在CDN節(jié)點內(nèi)部署內(nèi)容優(yōu)化模塊或系統(tǒng)，該系統(tǒng)可配置白名單對用戶經(jīng)常訪問的熱門網(wǎng)站進行預(yù)處理優(yōu)化和緩存，例如，針對網(wǎng)頁、圖片等元素生成多種屏幕大小和分辨率的備份內(nèi)容。移動終端在請求內(nèi)容時，可在URL里附加屏幕大小、分辨率、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等參數(shù)，由CDN節(jié)點的內(nèi)容優(yōu)化系統(tǒng)進行分析并返回合適的備份內(nèi)容。具體優(yōu)化方法如下。跟蹤系統(tǒng)調(diào)用發(fā)現(xiàn)哪些幀在處理上耗時較長，通過優(yōu)化頁面布局等，提升客戶端頁面渲染性能，減少客戶端處理時間。減小接口數(shù)據(jù)返回，通過減少首頁數(shù)據(jù)返回，以分頁獲取后續(xù)數(shù)據(jù)的方式進行優(yōu)化，從而減小數(shù)據(jù)傳輸時間。針對部分功能項，如排行和分類列表等頁面圖片采用延遲加載。由于一屏只能展示4~5條數(shù)據(jù)，所以可以采用圖片延遲加載，第一屏只下載要展示的相關(guān)數(shù)據(jù)圖片，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小將大為減小，后續(xù)圖片在滾動頁面時再進行加載。壓縮列表頁圖標(biāo)大小，在不影響用戶的視覺體驗下，通過對圖標(biāo)進行壓縮優(yōu)化，使圖片大小減少。增加請求壓縮，針對自升級等攜帶大請求數(shù)據(jù)的接口請求進行壓縮處理，一方面可以節(jié)省用戶流量，另一方面加快了客戶端的響應(yīng)速度。
1.4視頻智能優(yōu)化
根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)權(quán)威機構(gòu)的分析，視頻內(nèi)容在4G時代將成為主流應(yīng)用，其流量將超過Web瀏覽，在2017年將占據(jù)60%以上的流量，因此，針對視頻內(nèi)容進行智能優(yōu)化對LTE移動網(wǎng)絡(luò)有著重要的意義。優(yōu)化方法包括以下內(nèi)容。
（1）視頻轉(zhuǎn)碼技術(shù)，與終端智能適配CDN節(jié)點將熱門的視頻內(nèi)容轉(zhuǎn)換為多種封裝格式、編碼格式和分辨率的視頻文件，例如，將FLV轉(zhuǎn)換為MP4、TS等封裝格式，將MPEG2轉(zhuǎn)換為H.264編碼格式，將1080P轉(zhuǎn)換為720P、D5等分辨率等，結(jié)合2.3節(jié)中提到的終端適配技術(shù)，當(dāng)終端請求內(nèi)容時攜帶相關(guān)參數(shù)，由CDN節(jié)點進行分析并返回適配的視頻內(nèi)容。
（2）視頻動態(tài)緩沖，感知網(wǎng)絡(luò)變化目前移動視頻內(nèi)容主要是基于HTTP，而且大部分采用的是HTTPProgressiveDownload方式，即漸進式邊下載邊播放方式，客戶端會按照可用的最大速率請求下載視頻內(nèi)容直至完成。然而根據(jù)統(tǒng)計，有相當(dāng)比例的用戶只會觀看視頻的一部分，持續(xù)下載會占用空口資源。因此，在CDN節(jié)點中可采取視頻動態(tài)緩沖技術(shù)，根據(jù)移動網(wǎng)絡(luò)的變化情況動態(tài)調(diào)節(jié)，例如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)繁忙時，控制用戶下載速率，保證用戶有10s以上的緩沖時間即可；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時，讓用戶下載速率最大化，快速下載剩余的視頻內(nèi)容，盡快釋放空口資源。
（3）HLS視頻內(nèi)容優(yōu)化目前，移動視頻內(nèi)容部分采用了蘋果公司的HLS（HTTPLiveStreaming）技術(shù)，即每個視頻內(nèi)容存在多種碼率的副本，由客戶端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況動態(tài)選擇相應(yīng)的副本。視頻內(nèi)容的碼率若是高清或者超高清可以達到10Mbit/s以上。對于LTE移動網(wǎng)絡(luò)而言，一方面容易造成用戶帶寬過高占用空口資源，另一方面手機屏幕較小難以體現(xiàn)超高清視頻優(yōu)勢，因此可以在CDN節(jié)點中對存儲的HLS視頻內(nèi)容進行優(yōu)化，分析HLS視頻內(nèi)容的M3U8索引文件，刪除其中不適用的碼率信息以及對應(yīng)的副本文件。對HLS視頻內(nèi)容進行精簡，可以優(yōu)化用戶帶寬和空口占用率，并且節(jié)省了CDN節(jié)點寶貴的存儲空間。
1.5計費系統(tǒng)改造
在2G/3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)中，計費系統(tǒng)通常部署于核心網(wǎng)，如果將CDN節(jié)點下沉至核心網(wǎng)，不會影響計費系統(tǒng)統(tǒng)計用戶實際消耗的流量，但是如果將CDN節(jié)點下沉至基站，則用戶的實際流量中有一部分是由基站的CDN節(jié)點緩存提供，未經(jīng)過核心網(wǎng)計費系統(tǒng)，會造成運營商的直接經(jīng)濟損失。因此，需要對計費系統(tǒng)進行改造，滿足CDN節(jié)點下沉到基站的需要。由于計費系統(tǒng)實現(xiàn)較為復(fù)雜，若將計費系統(tǒng)也下沉到基站，首先技術(shù)難度較大，其次建設(shè)和運營維護成本較高，可通過在基站CDN節(jié)點中部署子系統(tǒng)，統(tǒng)計用戶的流量使用情況，并定期以話單格式上傳至核心網(wǎng)計費系統(tǒng)實現(xiàn)同步。
2結(jié)束語
隨著LTE移動網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)和部署，由于LTE網(wǎng)絡(luò)高帶寬的特點，未來將出現(xiàn)大量大流量、高帶寬的業(yè)務(wù)。對運營商而言，頻繁擴容LTE網(wǎng)絡(luò)會消耗巨額的建設(shè)資金和運營維護成本，性價比不高，基于已有的LTE網(wǎng)絡(luò)進行流量優(yōu)化，一方面可以提高LTE網(wǎng)絡(luò)使用效率，節(jié)約擴容資金；另一方面可以提升服務(wù)質(zhì)量，增強用戶體驗。本文對LTE移動網(wǎng)絡(luò)中的CDN關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，提出了將CDN節(jié)點下沉至核心網(wǎng)/基站側(cè)，對DNS解析進行緩存加速，對內(nèi)容源進行優(yōu)化并和終端智能適配，對視頻內(nèi)容進行智能優(yōu)化，通過話單同步實現(xiàn)計費系統(tǒng)改造等關(guān)鍵技術(shù)，能夠有效降低LTE骨干網(wǎng)和核心網(wǎng)的流量壓力，提高空口資源利用率，縮短用戶請求的響應(yīng)時間，改善用戶的4G業(yè)務(wù)感知。本文介紹的方法對LTE移動網(wǎng)絡(luò)改動較小，以較小的建設(shè)和改造成本帶來較大的經(jīng)濟效益，具有良好的實用性，可為中國電信等運營商建設(shè)和部署LTE移動網(wǎng)絡(luò)提供參考依據(jù)。
作者：陳學(xué)亮 陳戈 莊一嶸 海錦霞 單位：中國電信股份有限公司廣州研究院