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LTE移動網(wǎng)絡(luò)中的CDN關(guān)鍵技術(shù)研究

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LTE移動網(wǎng)絡(luò)中的CDN關(guān)鍵技術(shù)研究

1lte移動網(wǎng)絡(luò)CDN關(guān)鍵技術(shù)

1.1CDN節(jié)點(diǎn)下沉

傳統(tǒng)的CDN網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,物理路徑較長,容易影響用戶體驗(yàn),因此將CDN節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。由于運(yùn)營商基站數(shù)量較多,為節(jié)約建設(shè)成本,減少維護(hù)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(diǎn),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(diǎn)內(nèi)容。當(dāng)用戶請求熱點(diǎn)內(nèi)容時(shí),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(diǎn)內(nèi)容時(shí),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(jìn)行分析,將結(jié)果發(fā)送給CDN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匹配;③CDN節(jié)點(diǎn)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(diǎn)統(tǒng)計(jì)內(nèi)容A的訪問熱度,達(dá)到一定閾值時(shí),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(shí),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(diǎn)獲取內(nèi)容A;輯訛輥CDN節(jié)點(diǎn)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(shí),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(jìn)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(shí)延較大,如圖4所示。在LTE網(wǎng)絡(luò)中,隨著CDN節(jié)點(diǎn)下沉到核心網(wǎng)或者基站側(cè),可在CDN節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(yùn)行正常時(shí)(例如響應(yīng)時(shí)間低于閾值,解析成功率高于閾值),仍由本地DNS服務(wù)器進(jìn)行解析;當(dāng)本地DNS服務(wù)器運(yùn)行異常時(shí)(例如響應(yīng)時(shí)間高于閾值,解析成功率低于閾值),則由cdn節(jié)點(diǎn)的DNS緩存系統(tǒng)進(jìn)行解析。CDN的DNS緩存系統(tǒng)需要定期與本地DNS服務(wù)器進(jìn)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(shí)間約為原先的2/3,可以有效地降低DNS解析時(shí)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(yàn)。

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(jī),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(diǎn),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(jì)的,并沒有針對移動終端進(jìn)行優(yōu)化。因此,在LTE移動網(wǎng)絡(luò)中,由CDN節(jié)點(diǎn)對內(nèi)容源進(jìn)行優(yōu)化緩存,并且在移動終端中通過客戶端或者插件進(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(shí),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(diǎn)的內(nèi)容優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(shí)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(jìn)行優(yōu)化,從而減小數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。針對部分功能項(xiàng),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(shí)再進(jìn)行加載。壓縮列表頁圖標(biāo)大小,在不影響用戶的視覺體驗(yàn)下,通過對圖標(biāo)進(jìn)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(jìn)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(jī)構(gòu)的分析,視頻內(nèi)容在4G時(shí)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(jìn)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(diǎn)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(shí)攜帶相關(guān)參數(shù),由CDN節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(jìn)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(jì),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(diǎn)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(shí),控制用戶下載速率,保證用戶有10s以上的緩沖時(shí)間即可;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí),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(gè)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(dá)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(jī)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(diǎn)中對存儲的HLS視頻內(nèi)容進(jìn)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(jìn)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(diǎn)寶貴的存儲空間。

1.5計(jì)費(fèi)系統(tǒng)改造

在2G/3G/4G移動網(wǎng)絡(luò)中,計(jì)費(fèi)系統(tǒng)通常部署于核心網(wǎng),如果將CDN節(jié)點(diǎn)下沉至核心網(wǎng),不會影響計(jì)費(fèi)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)用戶實(shí)際消耗的流量,但是如果將CDN節(jié)點(diǎn)下沉至基站,則用戶的實(shí)際流量中有一部分是由基站的CDN節(jié)點(diǎn)緩存提供,未經(jīng)過核心網(wǎng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng),會造成運(yùn)營商的直接經(jīng)濟(jì)損失。因此,需要對計(jì)費(fèi)系統(tǒng)進(jìn)行改造,滿足CDN節(jié)點(diǎn)下沉到基站的需要。由于計(jì)費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜,若將計(jì)費(fèi)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(yùn)營維護(hù)成本較高,可通過在基站CDN節(jié)點(diǎn)中部署子系統(tǒng),統(tǒng)計(jì)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(jì)費(fèi)系統(tǒng)實(shí)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(diǎn),未來將出現(xiàn)大量大流量、高帶寬的業(yè)務(wù)。對運(yùn)營商而言,頻繁擴(kuò)容LTE網(wǎng)絡(luò)會消耗巨額的建設(shè)資金和運(yùn)營維護(hù)成本,性價(jià)比不高,基于已有的LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(kuò)容資金;另一方面可以提升服務(wù)質(zhì)量,增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。本文對LTE移動網(wǎng)絡(luò)中的CDN關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,提出了將CDN節(jié)點(diǎn)下沉至核心網(wǎng)/基站側(cè),對DNS解析進(jìn)行緩存加速,對內(nèi)容源進(jìn)行優(yōu)化并和終端智能適配,對視頻內(nèi)容進(jìn)行智能優(yōu)化,通過話單同步實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)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(shí)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(jì)效益,具有良好的實(shí)用性,可為中國電信等運(yùn)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

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