LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中的CDN關(guān)鍵技術(shù)研究的論文
1LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )CDN關(guān)鍵技術(shù)
1.1CDN節點(diǎn)下沉
傳統的CDN網(wǎng)絡(luò )邊緣節點(diǎn)通常部署于城域網(wǎng)內，對移動(dòng)用戶(hù)而言，中間需要經(jīng)過(guò)基站、核心網(wǎng)等多個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備，物理路徑較長(cháng)，容易影響用戶(hù)體驗，因此將CDN節點(diǎn)下沉至核心網(wǎng)/基站側，可以很好地縮短用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)路徑，提高響應速度。在核心網(wǎng)、基站側部署CDN節點(diǎn)的組網(wǎng)架構如圖2所示。由于運營(yíng)商基站數量較多，為節約建設成本，減少維護工作量，建議選擇用戶(hù)數量較多、容量較大的基站部署CDN節點(diǎn)，部署方式為“分光+透明緩存”方式。將透明緩存設備（如刀片插板）集成到基站設備中，通過(guò)端口鏡像方式或DPI分光設備將用戶(hù)流量引導至透明緩存設備，由透明緩存設備根據用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)熱度，自動(dòng)緩存熱點(diǎn)內容。當用戶(hù)請求熱點(diǎn)內容時(shí)，直接由透明緩存設備發(fā)送內容給用戶(hù)；當用戶(hù)請求非熱點(diǎn)內容時(shí)，則由用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)源網(wǎng)站獲得內容。CDN透明緩存設備工作原理如圖3所示。CDN透明緩存設備業(yè)務(wù)流程如下。①用戶(hù)發(fā)送HTTP請求，訪(fǎng)問(wèn)內容A，經(jīng)過(guò)DPI設備；②DPI設備對HTTP進(jìn)行分析，將結果發(fā)送給CDN節點(diǎn)進(jìn)行匹配；③CDN節點(diǎn)搜索本地是否已緩存內容A（由于內容A熱度不夠，并未緩存）；④CDN將“未緩存”結果返回給DPI設備；⑤DPI設備通知用戶(hù)繼續訪(fǎng)問(wèn)源網(wǎng)站；⑥用戶(hù)直接連接到源網(wǎng)站，請求內容A；⑦源網(wǎng)站返回內容A；⑧CDN節點(diǎn)統計內容A的訪(fǎng)問(wèn)熱度，達到一定閾值時(shí)，向源網(wǎng)站請求內容A；⑨CDN將獲取到的內容A緩存到本地；⑩當有其他用戶(hù)再次訪(fǎng)問(wèn)該內容時(shí)，重復第①~③步，由于CDN已透明緩存該內容，在第④步返回給DPI設備的結果是“已緩存”，因此用戶(hù)直接向CDN節點(diǎn)獲取內容A；輯訛輥CDN節點(diǎn)返回內容A給用戶(hù)。
1.2DNS緩存加速
用戶(hù)在訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)頁(yè)、視頻、音頻、圖片等內容時(shí)，請求的URL通常是域名而非IP地址，例如http://www.taobao.com/XXXX…，需要通過(guò)本地DNS進(jìn)行解析。在2G/3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中，DNS服務(wù)器通常部署于城域網(wǎng)內，每次DNS解析請求都要通過(guò)基站、核心網(wǎng)，因路徑較長(cháng)而造成DNS時(shí)延較大，如圖4所示。在LTE網(wǎng)絡(luò )中，隨著(zhù)CDN節點(diǎn)下沉到核心網(wǎng)或者基站側，可在CDN節點(diǎn)中增加DNS緩存系統，對移動(dòng)用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)流量中的DNS協(xié)議進(jìn)行監聽(tīng)。為保證DNS解析性能和可靠性，可設定一定的閾值，當本地DNS服務(wù)器運行正常時(shí)（例如響應時(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；當本地DNS服務(wù)器運行異常時(shí)（例如響應時(shí)間高于閾值，解析成功率低于閾值），則由CDN節點(diǎn)的DNS緩存系統進(jìn)行解析。CDN的DNS緩存系統需要定期與本地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緩存系統加速后，每次DNS解析均可節約80ms，8次DNS解析可節約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(hù)訪(fǎng)問(wèn)速度，優(yōu)化服務(wù)質(zhì)量和業(yè)務(wù)體驗。
1.3內容源優(yōu)化及終端適配
目前移動(dòng)用戶(hù)使用的終端通常為基于蘋(píng)果iOS、谷歌Android等操作系統的智能手機，和電腦相比，具有屏幕尺寸小、分辨率低、CPU頻率低、內存小、存儲容量小等特點(diǎn)，而互聯(lián)網(wǎng)的海量?jì)热荽蟛糠侄际菫殡娔X訪(fǎng)問(wèn)設計的，并沒(méi)有針對移動(dòng)終端進(jìn)行優(yōu)化。因此，在LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中，由CDN節點(diǎn)對內容源進(jìn)行優(yōu)化緩存，并且在移動(dòng)終端中通過(guò)客戶(hù)端或者插件進(jìn)行適配，能夠根據用戶(hù)終端的情況，動(dòng)態(tài)優(yōu)化內容呈現方式，降低用戶(hù)終端和基站、核心網(wǎng)間的數據流量，釋放更多的空口資源。在CDN節點(diǎn)內部署內容優(yōu)化模塊或系統，該系統可配置白名單對用戶(hù)經(jīng)常訪(fǎng)問(wèn)的熱門(mén)網(wǎng)站進(jìn)行預處理優(yōu)化和緩存，例如，針對網(wǎng)頁(yè)、圖片等元素生成多種屏幕大小和分辨率的備份內容。移動(dòng)終端在請求內容時(shí)，可在URL里附加屏幕大小、分辨率、網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量等參數，由CDN節點(diǎn)的內容優(yōu)化系統進(jìn)行分析并返回合適的備份內容。具體優(yōu)化方法如下。跟蹤系統調用發(fā)現哪些幀在處理上耗時(shí)較長(cháng)，通過(guò)優(yōu)化頁(yè)面布局等，提升客戶(hù)端頁(yè)面渲染性能，減少客戶(hù)端處理時(shí)間。減小接口數據返回，通過(guò)減少首頁(yè)數據返回，以分頁(yè)獲取后續數據的方式進(jìn)行優(yōu)化，從而減小數據傳輸時(shí)間。針對部分功能項，如排行和分類(lèi)列表等頁(yè)面圖片采用延遲加載。由于一屏只能展示4~5條數據，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)數據圖片，網(wǎng)絡(luò )傳輸的數據大小將大為減小，后續圖片在滾動(dòng)頁(yè)面時(shí)再進(jìn)行加載。壓縮列表頁(yè)圖標大小，在不影響用戶(hù)的視覺(jué)體驗下，通過(guò)對圖標進(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據的接口請求進(jìn)行壓縮處理，一方面可以節省用戶(hù)流量，另一方面加快了客戶(hù)端的響應速度。
1.4視頻智能優(yōu)化
根據互聯(lián)網(wǎng)權威機構的分析，視頻內容在4G時(shí)代將成為主流應用，其流量將超過(guò)Web瀏覽，在2017年將占據60%以上的流量，因此，針對視頻內容進(jìn)行智能優(yōu)化對LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )有著(zhù)重要的意義。優(yōu)化方法包括以下內容。
�。�1）視頻轉碼技術(shù)，與終端智能適配CDN節點(diǎn)將熱門(mén)的視頻內容轉換為多種封裝格式、編碼格式和分辨率的視頻文件，例如，將FLV轉換為MP4、TS等封裝格式，將MPEG2轉換為H.264編碼格式，將1080P轉換為720P、D5等分辨率等，結合2.3節中提到的終端適配技術(shù)，當終端請求內容時(shí)攜帶相關(guān)參數，由CDN節點(diǎn)進(jìn)行分析并返回適配的.視頻內容。
�。�2）視頻動(dòng)態(tài)緩沖，感知網(wǎng)絡(luò )變化目前移動(dòng)視頻內容主要是基于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(hù)端會(huì )按照可用的最大速率請求下載視頻內容直至完成。然而根據統計，有相當比例的用戶(hù)只會(huì )觀(guān)看視頻的一部分，持續下載會(huì )占用空口資源。因此，在CDN節點(diǎn)中可采取視頻動(dòng)態(tài)緩沖技術(shù)，根據移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的變化情況動(dòng)態(tài)調節，例如當網(wǎng)絡(luò )繁忙時(shí)，控制用戶(hù)下載速率，保證用戶(hù)有10s以上的緩沖時(shí)間即可；當網(wǎng)絡(luò )空閑時(shí)，讓用戶(hù)下載速率最大化，快速下載剩余的視頻內容，盡快釋放空口資源。
�。�3）HLS視頻內容優(yōu)化目前，移動(dòng)視頻內容部分采用了蘋(píng)果公司的HLS（HTTPLiveStreaming）技術(shù)，即每個(gè)視頻內容存在多種碼率的副本，由客戶(hù)端根據網(wǎng)絡(luò )帶寬情況動(dòng)態(tài)選擇相應的副本。視頻內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(dòng)網(wǎng)絡(luò )而言，一方面容易造成用戶(hù)帶寬過(guò)高占用空口資源，另一方面手機屏幕較小難以體現超高清視頻優(yōu)勢，因此可以在CDN節點(diǎn)中對存儲的HLS視頻內容進(jìn)行優(yōu)化，分析HLS視頻內容的M3U8索引文件，刪除其中不適用的碼率信息以及對應的副本文件。對HLS視頻內容進(jìn)行精簡(jiǎn)，可以?xún)?yōu)化用戶(hù)帶寬和空口占用率，并且節省了CDN節點(diǎn)寶貴的存儲空間。
1.5計費系統改造
在2G/3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )中，計費系統通常部署于核心網(wǎng)，如果將CDN節點(diǎn)下沉至核心網(wǎng)，不會(huì )影響計費系統統計用戶(hù)實(shí)際消耗的流量，但是如果將CDN節點(diǎn)下沉至基站，則用戶(hù)的實(shí)際流量中有一部分是由基站的CDN節點(diǎn)緩存提供，未經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)計費系統，會(huì )造成運營(yíng)商的直接經(jīng)濟損失。因此，需要對計費系統進(jìn)行改造，滿(mǎn)足CDN節點(diǎn)下沉到基站的需要。由于計費系統實(shí)現較為復雜，若將計費系統也下沉到基站，首先技術(shù)難度較大，其次建設和運營(yíng)維護成本較高，可通過(guò)在基站CDN節點(diǎn)中部署子系統，統計用戶(hù)的流量使用情況，并定期以話(huà)單格式上傳至核心網(wǎng)計費系統實(shí)現同步。
2結束語(yǔ)
隨著(zhù)LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的大規模建設和部署，由于LTE網(wǎng)絡(luò )高帶寬的特點(diǎn)，未來(lái)將出現大量大流量、高帶寬的業(yè)務(wù)。對運營(yíng)商而言，頻繁擴容LTE網(wǎng)絡(luò )會(huì )消耗巨額的建設資金和運營(yíng)維護成本，性?xún)r(jià)比不高，基于已有的LTE網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行流量?jì)?yōu)化，一方面可以提高LTE網(wǎng)絡(luò )使用效率，節約擴容資金；另一方面可以提升服務(wù)質(zhì)量，增強用戶(hù)體驗。本文對LTE移動(dòng)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節點(diǎn)下沉至核心網(wǎng)/基站側，對DNS解析進(jìn)行緩存加速，對內容源進(jìn)行優(yōu)化并和終端智能適配，對視頻內容進(jìn)行智能優(yōu)化，通過(guò)話(huà)單同步實(shí)現計費系統改造等關(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(hù)請求的響應時(shí)間，改善用戶(hù)的4G業(yè)務(wù)感知。本文介紹的方法對LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )改動(dòng)較小，以較小的建設和改造成本帶來(lái)較大的經(jīng)濟效益，具有良好的實(shí)用性，可為中國電信等運營(yíng)商建設和部署LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )提供參考依據。
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