LTE行動網路中的CDN關鍵技術研究的論文

　　1LTE行動網路CDN關鍵技術

　　1.1CDN節點下沉

　　傳統的CDN網路邊緣節點通常部署於都會網路內，對移動使用者而言，中間需要經過基站、核心網等多個網路裝置，物理路徑較長，容易影響使用者體驗，因此將CDN節點下沉至核心網/基站側，可以很好地縮短使用者訪問路徑，提高響應速度。在核心網、基站側部署CDN節點的組網架構如圖2所示。由於運營商基站數量較多，為節約建設成本，減少維護工作量，建議選擇使用者數量較多、容量較大的基站部署CDN節點，部署方式為“分光+透明快取”方式。將透明快取裝置（如刀片插板）整合到基站裝置中，透過埠映象方式或DPI分光裝置將使用者流量引導至透明快取裝置，由透明快取裝置根據使用者訪問熱度，自動快取熱點內容。當用戶請求熱點內容時，直接由透明快取裝置傳送內容給使用者；當用戶請求非熱點內容時，則由使用者訪問源網站獲得內容。CDN透明快取裝置工作原理如圖3所示。CDN透明快取裝置業務流程如下。①使用者傳送HTTP請求，訪問內容A，經過DPI裝置；②DPI裝置對HTTP進行分析，將結果傳送給CDN節點進行匹配；③CDN節點搜尋本地是否已快取內容A（由於內容A熱度不夠，並未快取）；④CDN將“未快取”結果返回給DPI裝置；⑤DPI裝置通知使用者繼續訪問源網站；⑥使用者直接連線到源網站，請求內容A；⑦源網站返回內容A；⑧CDN節點統計內容A的訪問熱度，達到一定閾值時，向源網站請求內容A；⑨CDN將獲取到的內容A快取到本地；⑩當有其他使用者再次訪問該內容時，重複第①~③步，由於CDN已透明快取該內容，在第④步返回給DPI裝置的結果是“已快取”，因此使用者直接向CDN節點獲取內容A；輯訛輥CDN節點返回內容A給使用者。

　　1.2DNS快取加速

　　使用者在訪問網頁、影片、音訊、圖片等內容時，請求的URL通常是域名而非IP地址，例如http://www.taobao.com/XXXX…，需要透過本地DNS進行解析。在2G/3G行動網路中，DNS伺服器通常部署於都會網路內，每次DNS解析請求都要透過基站、核心網，因路徑較長而造成DNS時延較大，如圖4所示。在LTE網路中，隨著CDN節點下沉到核心網或者基站側，可在CDN節點中增加DNS快取系統，對移動使用者訪問流量中的DNS協議進行監聽。為保證DNS解析效能和可靠性，可設定一定的閾值，當本地DNS伺服器執行正常時（例如響應時間低於閾值，解析成功率高於閾值），仍由本地DNS伺服器進行解析；當本地DNS伺服器執行異常時（例如響應時間高於閾值，解析成功率低於閾值），則由CDN節點的DNS快取系統進行解析。CDN的DNS快取系統需要定期與本地DNS伺服器進行同步，更新域名和IP地址的對映關係。以圖4為例估算，採用CDN的DNS快取系統加速後，每次DNS解析均可節約80ms，8次DNS解析可節約0.64s，總體解析時間約為原先的2/3，可以有效地降低DNS解析時間，提升使用者訪問速度，最佳化服務質量和業務體驗。

　　1.3內容源最佳化及終端適配

　　目前移動使用者使用的終端通常為基於蘋果iOS、谷歌Android等作業系統的智慧手機，和電腦相比，具有螢幕尺寸小、解析度低、CPU頻率低、記憶體小、儲存容量小等特點，而網際網路的海量內容大部分都是為電腦訪問設計的，並沒有針對移動終端進行最佳化。因此，在LTE行動網路中，由CDN節點對內容源進行最佳化快取，並且在移動終端中透過客戶端或者外掛進行適配，能夠根據使用者終端的情況，動態最佳化內容呈現方式，降低使用者終端和基站、核心網間的資料流量，釋放更多的空口資源。在CDN節點內部署內容最佳化模組或系統，該系統可配置白名單對使用者經常訪問的熱門網站進行預處理最佳化和快取，例如，針對網頁、圖片等元素生成多種螢幕大小和解析度的備份內容。移動終端在請求內容時，可在URL裡附加螢幕大小、解析度、網路質量等引數，由CDN節點的內容最佳化系統進行分析並返回合適的備份內容。具體最佳化方法如下。跟蹤系統呼叫發現哪些幀在處理上耗時較長，透過最佳化頁面佈局等，提升客戶端頁面渲染效能，減少客戶端處理時間。減小介面資料返回，透過減少首頁資料返回，以分頁獲取後續資料的方式進行最佳化，從而減小資料傳輸時間。針對部分功能項，如排行和分類列表等頁面圖片採用延遲載入。由於一屏只能展示4~5條資料，所以可以採用圖片延遲載入，第一屏只下載要展示的相關資料圖片，網路傳輸的資料大小將大為減小，後續圖片在滾動頁面時再進行載入。壓縮列表頁圖示大小，在不影響使用者的視覺體驗下，透過對圖示進行壓縮最佳化，使圖片大小減少。增加請求壓縮，針對自升級等攜帶大請求資料的介面請求進行壓縮處理，一方面可以節省使用者流量，另一方面加快了客戶端的響應速度。

　　1.4影片智慧最佳化

　　根據網際網路權威機構的分析，影片內容在4G時代將成為主流應用，其流量將超過Web瀏覽，在2017年將佔據60%以上的流量，因此，針對影片內容進行智慧最佳化對LTE行動網路有著重要的意義。最佳化方法包括以下內容。

　　（1）影片轉碼技術，與終端智慧適配CDN節點將熱門的影片內容轉換為多種封裝格式、編碼格式和解析度的影片檔案，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等解析度等，結合2.3節中提到的終端適配技術，當終端請求內容時攜帶相關引數，由CDN節點進行分析並返回適配的.影片內容。

　　（2）影片動態緩衝，感知網路變化目前移動影片內容主要是基於HTTP，而且大部分採用的是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影片內容直至完成。然而根據統計，有相當比例的使用者只會觀看影片的一部分，持續下載會佔用空口資源。因此，在CDN節點中可採取影片動態緩衝技術，根據行動網路的變化情況動態調節，例如當網路繁忙時，控制使用者下載速率，保證使用者有10s以上的緩衝時間即可；當網路空閒時，讓使用者下載速率最大化，快速下載剩餘的影片內容，儘快釋放空口資源。

　　（3）HLS影片內容最佳化目前，移動影片內容部分採用了蘋果公司的HLS（HTTPLiveStreaming）技術，即每個影片內容存在多種位元速率的副本，由客戶端根據網路頻寬情況動態選擇相應的副本。影片內容的位元速率若是高畫質或者超高畫質可以達到10Mbit/s以上。對於LTE行動網路而言，一方面容易造成使用者頻寬過高佔用空口資源，另一方面手機螢幕較小難以體現超高畫質影片優勢，因此可以在CDN節點中對儲存的HLS影片內容進行最佳化，分析HLS影片內容的M3U8索引檔案，刪除其中不適用的位元速率資訊以及對應的副本檔案。對HLS影片內容進行精簡，可以最佳化使用者頻寬和空口占用率，並且節省了CDN節點寶貴的儲存空間。

　　1.5計費系統改造

　　在2G/3G/4G行動網路中，計費系統通常部署於核心網，如果將CDN節點下沉至核心網，不會影響計費系統統計使用者實際消耗的流量，但是如果將CDN節點下沉至基站，則使用者的實際流量中有一部分是由基站的CDN節點快取提供，未經過核心網計費系統，會造成運營商的直接經濟損失。因此，需要對計費系統進行改造，滿足CDN節點下沉到基站的需要。由於計費系統實現較為複雜，若將計費系統也下沉到基站，首先技術難度較大，其次建設和運營維護成本較高，可透過在基站CDN節點中部署子系統，統計使用者的流量使用情況，並定期以話單格式上傳至核心網計費系統實現同步。

　　2結束語

　　隨著LTE行動網路的大規模建設和部署，由於LTE網路高頻寬的特點，未來將出現大量大流量、高頻寬的業務。對運營商而言，頻繁擴容LTE網路會消耗鉅額的建設資金和運營維護成本，價效比不高，基於已有的LTE網路進行流量最佳化，一方面可以提高LTE網路使用效率，節約擴容資金；另一方面可以提升服務質量，增強使用者體驗。本文對LTE行動網路中的CDN關鍵技術進行了深入研究，提出了將CDN節點下沉至核心網/基站側，對DNS解析進行快取加速，對內容源進行最佳化並和終端智慧適配，對影片內容進行智慧最佳化，透過話單同步實現計費系統改造等關鍵技術，能夠有效降低LTE骨幹網和核心網的流量壓力，提高空口資源利用率，縮短使用者請求的響應時間，改善使用者的4G業務感知。本文介紹的方法對LTE行動網路改動較小，以較小的建設和改造成本帶來較大的經濟效益，具有良好的實用性，可為中國電信等運營商建設和部署LTE行動網路提供參考依據。