電力CDN業(yè)務(wù)需求分析及網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究

王一蓉，王思寧，鄒 穎，于波濤

（北京國電通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司 北京100070）

1 引言

“十二五”期間，國家電網(wǎng)公司信息系統(tǒng)應(yīng)用不斷深化，一級部署的大型管理信息系統(tǒng)數(shù)目不斷增加，覆蓋范圍廣，用戶數(shù)量龐大，軟硬件資源池、云計(jì)算等新技術(shù)對電力數(shù)據(jù)網(wǎng)提出了新的挑戰(zhàn)。國家電網(wǎng)公司的電力數(shù)據(jù)網(wǎng)覆蓋27家?。ㄊ校┕竞?1家直屬單位，網(wǎng)絡(luò)地域跨度大，網(wǎng)絡(luò)時延差距巨大，造成位于不同的網(wǎng)絡(luò)地域的用戶在面對集中式部署業(yè)務(wù)訪問時，服務(wù)質(zhì)量和效果差異巨大[1]。

電力CDN（content delivery network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）是指在電力數(shù)據(jù)通信網(wǎng)中，通過使用智能DNS（domain name system，域名系統(tǒng)）、負(fù)載均衡、內(nèi)容分發(fā)/管理等技術(shù)構(gòu)建電力CDN，有效控制數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量終結(jié)于CDN邊緣節(jié)點(diǎn)，節(jié)省數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)帶寬，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)加速及熱點(diǎn)內(nèi)容智能更新分發(fā)。全面解決由網(wǎng)絡(luò)帶寬資源緊張、用戶訪問量大、訪問突發(fā)性強(qiáng)、熱點(diǎn)內(nèi)容重復(fù)訪問等造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞、響應(yīng)慢等問題[2～4]，提高電力信息網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和服務(wù)質(zhì)量。

2 電力CDN業(yè)務(wù)需求

2.1 電力信息業(yè)務(wù)加速需求

對于集中部署的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，當(dāng)用戶的并發(fā)請求涌現(xiàn)時，不僅對服務(wù)器的響應(yīng)服務(wù)性能提出了挑戰(zhàn)，而且數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)核心帶寬也將成為應(yīng)用的瓶頸。統(tǒng)一門戶分發(fā)、動態(tài)內(nèi)容、視頻、大流量的流媒體數(shù)據(jù)、大文件傳輸?shù)却笕萘繑?shù)據(jù)訪問因此受到很大的影響[5]。表1對公司的主要一級部署業(yè)務(wù)類型進(jìn)行了歸類和分析。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)加速服務(wù)類型，可形成不同的加速策略，見表2。

表1 電力信息業(yè)務(wù)服務(wù)類型

表2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)加速策略

2.2 電力信息網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性需求

CDN技術(shù)能有效控制數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量終結(jié)于CDN邊緣節(jié)點(diǎn)，節(jié)省數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)帶寬，極大地緩解了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)骨干網(wǎng)投資建設(shè)的壓力。

國家電網(wǎng)公司信息系統(tǒng)一級集中部署，網(wǎng)絡(luò)用戶遍布大江南北，網(wǎng)絡(luò)地域跨度大，網(wǎng)絡(luò)時延差距巨大，地、市、縣等基層單位訪問速度偏慢，造成位于不同網(wǎng)絡(luò)地域的用戶在面對集中式數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)訪問時，服務(wù)質(zhì)量和效果差異巨大。應(yīng)用CDN技術(shù)，可以解決地市縣等基層單位及偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶訪問集中式數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和效果問題，減小網(wǎng)絡(luò)時延對業(yè)務(wù)應(yīng)用的影響。

2.3 電力信息系統(tǒng)安全性需求

基于分布式的CDN部署結(jié)構(gòu)，使得業(yè)務(wù)主站不會因受到黑客入侵和各種DDoS攻擊，影響對內(nèi)對外服務(wù)的連續(xù)性。同時，由于CDN中有健康檢測和眾多的服務(wù)站點(diǎn)，一個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時，用戶的請求會被自動解析到其他相對較近的健康節(jié)點(diǎn)上，以始終保證內(nèi)容可以被訪問到。

2.4 降低源內(nèi)容網(wǎng)站、IDC服務(wù)器設(shè)備投入

CDN在提供業(yè)務(wù)加速、解決流量突發(fā)問題的同時，可以減少網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)投資。原內(nèi)容網(wǎng)站無需投資昂貴的各類服務(wù)器、占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬、設(shè)立大量的鏡像站點(diǎn)，從而大大降低網(wǎng)站的建設(shè)和運(yùn)維成本。

圖1 全局流量調(diào)度系統(tǒng)示意

圖2 電力CDN系統(tǒng)動態(tài)內(nèi)容加速部署模型

3 CDN關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于節(jié)點(diǎn)負(fù)載和鏈路狀態(tài)調(diào)度的全局流量調(diào)度系統(tǒng)

在電力CDN系統(tǒng)中，調(diào)度控制層的網(wǎng)絡(luò)感知模塊對網(wǎng)絡(luò)鏈路狀況進(jìn)行偵測，并將數(shù)據(jù)交由智能調(diào)度模塊進(jìn)行處理，通過運(yùn)營管理層的網(wǎng)絡(luò)管理模塊與智能調(diào)度模塊進(jìn)行交互，完成節(jié)點(diǎn)負(fù)載狀態(tài)的偵測。如圖1所示，雖然緩存節(jié)點(diǎn)A在物理位置上距離客戶端較近，但是智能DNS根據(jù)緩存節(jié)點(diǎn)負(fù)載和鏈路狀態(tài)發(fā)現(xiàn)緩存節(jié)點(diǎn)B的節(jié)點(diǎn)能力較節(jié)點(diǎn)A強(qiáng)，而且邏輯距離（如路由跳數(shù)、鏈路帶寬等）離客戶端更近，智能DNS將用戶請求重定向至緩存節(jié)點(diǎn)B。

3.2 基于HTTP的全業(yè)務(wù)CDN加速技術(shù)

大部分電力信息應(yīng)用都是基于HTTP的，研究基于HTTP業(yè)務(wù)的電力CDN系統(tǒng)能在不改動客戶端配置和電力網(wǎng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞那疤嵯拢峁┚W(wǎng)絡(luò)加速服務(wù)?；贖TTP的全業(yè)務(wù)CDN加速技術(shù)包括基于HTTP的Web動態(tài)/靜態(tài)內(nèi)容分發(fā)及加速技術(shù)、流媒體點(diǎn)播/直播內(nèi)容分發(fā)及加速技術(shù)、文件下載加速技術(shù)。

（1）Web頁面動/靜態(tài)內(nèi)容分發(fā)及加速

對于網(wǎng)站的靜態(tài)內(nèi)容，可以通過CDN的主動推送（push）或被動下拉（pull）的方式發(fā)布到最接近用戶的網(wǎng)絡(luò)“邊緣”，利用調(diào)度策略將用戶重定向到離用戶最近的節(jié)點(diǎn)，使用戶就近取得這些靜態(tài)資源，緩解骨干網(wǎng)壓力，提高用戶訪問服務(wù)器的響應(yīng)速度。

動態(tài)內(nèi)容的提供需要有后臺數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用邏輯程序的支持，采用邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)庫復(fù)制的思想，研究動態(tài)內(nèi)容的加速技術(shù)[6]。緩存節(jié)點(diǎn)將應(yīng)用程序和響應(yīng)的業(yè)務(wù)組件直接在CDN的邊緣服務(wù)器中計(jì)算，直接在靠近用戶的地方生成動態(tài)Web內(nèi)容，緩解源站后臺服務(wù)器的負(fù)載壓力，提高系統(tǒng)的整體性能。動態(tài)內(nèi)容加速部署模型如圖2所示。

（2）流媒體點(diǎn)播/直播內(nèi)容分發(fā)及加速

通過HTTP progressive download流媒體傳輸協(xié)議和切片技術(shù)，利用HTTP承載流媒體點(diǎn)播和直播功能，讓流媒體文件和Web內(nèi)容能進(jìn)行一致部署[7]，這些媒體切片文件能在電力CDN上進(jìn)行分發(fā)，以達(dá)到流媒體直播/點(diǎn)播加速的效果。

（3）文件下載加速

從不同的信息網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)站下載文件是電力信息網(wǎng)用戶最常見的行為之一，包括視頻文件、軟件及補(bǔ)丁等。文件下載加速分為push和pull兩種方式。push方式由源站將文件推送至各緩存節(jié)點(diǎn)（如補(bǔ)丁發(fā)布系統(tǒng)）；pull方式由緩存節(jié)點(diǎn)將一些常被下載的內(nèi)容緩存至本地。用戶在下載資源時，可就近從緩存節(jié)點(diǎn)上下載，加快用戶下載文件速度的同時，避免文件在網(wǎng)絡(luò)上的重復(fù)傳輸，節(jié)省寶貴的骨干網(wǎng)帶寬資源。

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)化技術(shù)

為充分利用CDN中的節(jié)點(diǎn)和帶寬資源，采用內(nèi)容分片技術(shù)，將大數(shù)據(jù)量文件進(jìn)行內(nèi)容分片，通過創(chuàng)建多條服務(wù)端和接收端之間的連接路徑，對文件進(jìn)行多路徑并行下載，提高帶寬利用率。文件分片和多徑傳輸過程如圖3所示。

4 電力CDN體系架構(gòu)

4.1 總體架構(gòu)

根據(jù)上述電力CDN業(yè)務(wù)需求及關(guān)鍵技術(shù)研究，本文將內(nèi)容分發(fā)、網(wǎng)絡(luò)感知、數(shù)據(jù)挖掘、傳輸優(yōu)化、智能DNS[8]、流媒體處理等技術(shù)融入電力CDN系統(tǒng)，形成靈活可擴(kuò)展、可管理、高性能的電力CDN體系架構(gòu)。電力CDN功能邏輯架構(gòu)分為內(nèi)容分發(fā)層、運(yùn)營管理層、傳輸服務(wù)層和調(diào)度控制層4個功能層，如圖4所示。

圖3 多路徑傳輸示意

圖4 電力CDN系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

·內(nèi)容分發(fā)層[9]負(fù)責(zé)內(nèi)容的存儲、管理以及全網(wǎng)分發(fā)，由內(nèi)容管理、內(nèi)容存儲、內(nèi)容分發(fā)3個功能模塊組成。

·運(yùn)營管理層負(fù)責(zé)CDN管理。運(yùn)營管理層中的統(tǒng)計(jì)分析模塊負(fù)責(zé)采集CDN的帶寬流量數(shù)據(jù)、流量緩存數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)流量比例、頁面訪問的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行用戶行為分析并提供給外部數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)安全模塊負(fù)責(zé)用戶認(rèn)證、內(nèi)容安全等。

·傳輸服務(wù)層負(fù)責(zé)處理終端用戶的各種業(yè)務(wù)請求，實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)傳輸優(yōu)化。

·調(diào)度控制層是基于內(nèi)容熱度、用戶時空位置、用戶行為、網(wǎng)絡(luò)測量的上報(bào)數(shù)據(jù)決定以何種策略調(diào)度內(nèi)容、調(diào)度哪些內(nèi)容、節(jié)點(diǎn)如何選取。調(diào)度控制層由網(wǎng)絡(luò)感知和智能調(diào)度模塊組成。

結(jié)合電力信息系統(tǒng)架構(gòu)及電力數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，本文提出二級電力CDN架構(gòu)。以公司總部北京作為中心節(jié)點(diǎn)，采用雙機(jī)熱備份的方式部署智能DNS和運(yùn)營管理平臺；在各省公司和（或）地市公司部署邊緣緩存節(jié)點(diǎn)，為相關(guān)片區(qū)的用戶提供加速服務(wù)，如圖5所示。以反向代理的方式在電力網(wǎng)上部署電力CDN，實(shí)現(xiàn)按需加速多個不同的電力信息網(wǎng)中的內(nèi)容網(wǎng)站。

（1）中心節(jié)點(diǎn)

中心節(jié)點(diǎn)是整個CDN運(yùn)行、管理和維護(hù)的核心。利用電力通信專網(wǎng)豐富的SDH、OTN大帶寬網(wǎng)絡(luò)資源，滿足CDN中心層對骨干網(wǎng)絡(luò)鏈路的速度要求，實(shí)現(xiàn)和每個邊緣節(jié)點(diǎn)跳數(shù)最短的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。作為CDN的核心，中心節(jié)點(diǎn)并不直接參與對末端用戶的服務(wù)，而是作為CDN運(yùn)作的中樞，起到兩個關(guān)鍵作用。

·負(fù)責(zé)對電力CDN系統(tǒng)的網(wǎng)元進(jìn)行管理，為整體的電力CDN運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控，遠(yuǎn)程配置和故障上報(bào)及恢復(fù)等能力。

·負(fù)責(zé)CDN的內(nèi)容分發(fā)管理，把需要服務(wù)的內(nèi)容通過合適的格式和方式，分發(fā)到所有的邊緣節(jié)點(diǎn)。

（2）邊緣節(jié)點(diǎn)

邊緣節(jié)點(diǎn)是為用戶直接提供服務(wù)的節(jié)點(diǎn)。理想狀況下，邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)部署在盡可能靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。邊緣節(jié)點(diǎn)主要完成的功能包括：

·面對大量用戶直接提供服務(wù)；

·通過分布式服務(wù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力的提高，實(shí)現(xiàn)對大并發(fā)服務(wù)的需求；

·國家電網(wǎng)公司的CDN邊緣節(jié)點(diǎn)應(yīng)部署在各省公司、直屬單位的網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)處。

邊緣節(jié)點(diǎn)采用三級存儲架構(gòu)，根據(jù)內(nèi)容的訪問熱度、重要性、TTL（time to live，生存期）等因素對數(shù)據(jù)的生命周期進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)分級存儲和多級存儲設(shè)備間的數(shù)據(jù)自動遷移，如圖6所示。將內(nèi)存、固態(tài)盤、硬盤這3種存儲介質(zhì)搭建為一個混合存儲陣列，既利用了內(nèi)存、固態(tài)盤的高性能優(yōu)點(diǎn)，又兼顧硬盤驅(qū)動器的高容量、低成本好處。

第3層（L3）采用成本小、讀取速率相對較低（240 Mbit/s左右）的硬盤，存放了系統(tǒng)提供的所有緩存數(shù)據(jù)。

第2層（L2）采用成本相對硬盤高、讀取速率較高（4 Gbit/s左右）的固態(tài)硬盤。本方案對用戶請求進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，采用一定的算法計(jì)算數(shù)據(jù)的熱度，將熱度達(dá)到一定閾值的文件存放于此層，并定期進(jìn)行熱度的統(tǒng)計(jì)和資源的更新。

圖5 電力CDN架構(gòu)

圖6 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部存儲架構(gòu)

第1層（L1）采用讀取速率最高（160 Gbit/s左右）的內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。該層存儲的數(shù)據(jù)是最及時/最敏感(“最熱”)的數(shù)據(jù)，如80%的用戶最常訪問的20%的資源。對于用戶剛請求的數(shù)據(jù)，若該數(shù)據(jù)是從L3或L2讀入，內(nèi)存也會在一定時間內(nèi)將這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行保存，以供其他有可能請求此數(shù)據(jù)的用戶快速獲取。若一定時間過后，該數(shù)據(jù)未能達(dá)到存放于L1的熱度值，系統(tǒng)會將其從內(nèi)存中刪除。

4.2 電力CDN管控平臺

電力CDN管控平臺功能模塊如圖7所示。管控平臺由網(wǎng)元管理、性能管理、拓?fù)涔芾?、告警管理、網(wǎng)元配置、報(bào)表管理、安全管理7部分組成，為整體的CDN運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)提供了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)控、遠(yuǎn)程配置和故障上報(bào)及恢復(fù)的能力。用戶可以通過該平臺來查看當(dāng)前CDN系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)行情況，包括CDN系統(tǒng)部署架構(gòu)的展示，當(dāng)前系統(tǒng)配置信息、各網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)性能信息、告警信息的查看等，并支持對CDN的配置信息進(jìn)行修改。

5 電力CDN安全防護(hù)研究

5.1 承載網(wǎng)安全

CDN承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全主要考慮以下3點(diǎn)。

·抑制網(wǎng)絡(luò)異常流量，保證所需的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

·雙流抑制功能，在網(wǎng)絡(luò)上突發(fā)雙路直播流時，自動抑制，處理為一路直播流。

·防DoS攻擊，限制單位時間內(nèi)來自同一個IP地址的TCP建立鏈接請求數(shù)，限制來自同一個IP地址的并發(fā)連接總數(shù)等，支持自動解除鎖定功能。

5.2 管理系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

管理系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)主要考慮如下3點(diǎn)。

·認(rèn)證安全：實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理，根據(jù)需要選用挑戰(zhàn)/響應(yīng)認(rèn)證、基于IC key的認(rèn)證和智能卡認(rèn)證等認(rèn)證方式，并考慮使用專網(wǎng)或者虛擬專網(wǎng)進(jìn)行隔離保護(hù)。

圖7 CDN管控平臺功能

·信息傳輸安全：可以采用對稱加密算法進(jìn)行信息的加密傳輸，防止信息被非法竊聽。

·文件傳輸支持安全：文件傳輸需支持使用SFTP（secure file transfer protocol，安全文件傳送協(xié)議）。內(nèi)容發(fā)布中需支持包含MD5（message digest algorithm 5，消息摘要算法第5版）信息，內(nèi)容注入后，CDN做文件校驗(yàn)。

5.3 CDN設(shè)備安全

CDN節(jié)點(diǎn)設(shè)備需保證安全[10]，主要有以下4點(diǎn)。

·及時更新操作系統(tǒng)漏洞；關(guān)閉不使用的服務(wù)和端口；禁止或替換有潛在安全漏洞的程序。

·提供防DoS、DDoS、端口掃描攻擊能力。

·建立身份識別機(jī)制，設(shè)置數(shù)據(jù)訪問權(quán)限；系統(tǒng)具備完善的日志功能，登記所有對系統(tǒng)的訪問記錄。

·通過安全的數(shù)據(jù)備份策略，有效地保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。

5.4 防盜鏈設(shè)計(jì)

為防止服務(wù)器上的內(nèi)容被非法盜取、保護(hù)服務(wù)器硬件設(shè)備，在向用戶提供服務(wù)前，網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺需要進(jìn)行防下載機(jī)制的檢測，防止非法用戶的盜鏈，具體防盜鏈流程如圖8所示。

圖8 防盜鏈機(jī)制示意

門戶網(wǎng)站和CDN共享密鑰，同時使用對稱算法AES進(jìn)行加解密。門戶網(wǎng)站在返回給用戶的URL中增加anti-leech key防盜鏈字符串，用戶采用包含防盜鏈信息的URL到CDN中請求內(nèi)容播放，CDN進(jìn)行URL檢查，保證用戶訪問的合法性。

6 電力CDN實(shí)驗(yàn)床設(shè)計(jì)

根據(jù)電力CDN關(guān)鍵技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、管控平臺等分析，在北京、天津、上海三地構(gòu)建了電力CDN實(shí)驗(yàn)床。電力CDN實(shí)驗(yàn)床采用核心層和接入層兩層結(jié)構(gòu)，設(shè)置1個中心節(jié)點(diǎn)、6個邊緣節(jié)點(diǎn)、1個網(wǎng)元管理節(jié)點(diǎn)、1個流媒體生成節(jié)點(diǎn)、1個CDN服務(wù)器檢測節(jié)點(diǎn)。其中在北京部署主/備中心節(jié)點(diǎn)、4個緩存節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)元管理節(jié)點(diǎn)、流媒體生成節(jié)點(diǎn)、CDN服務(wù)器測試節(jié)點(diǎn)；分別在天津、上海部署1個緩存節(jié)點(diǎn)。電力CDN實(shí)驗(yàn)床技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 電力CDN實(shí)驗(yàn)床技術(shù)指標(biāo)

7 結(jié)束語

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)[11]、云計(jì)算的高速發(fā)展，CDN系統(tǒng)建設(shè)在電信運(yùn)營商、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商中加速成熟完善。隨著智能電網(wǎng)信息通信業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，CDN實(shí)現(xiàn)電力信息化業(yè)務(wù)加速的需求也日益迫切。在進(jìn)一步推進(jìn)CDN技術(shù)在電力信息通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程中，仍需要重點(diǎn)研究面向電力信息業(yè)務(wù)的CDN業(yè)務(wù)接口規(guī)范、CDN體系在電力安全防護(hù)體系中的技術(shù)實(shí)現(xiàn)、CDN技術(shù)與電力安全接入平臺的協(xié)同工作、面向三地災(zāi)備中心的CDN系統(tǒng)要求、CDN技術(shù)與電力云架構(gòu)的協(xié)同等課題。電力CDN的部署，使電力信息通信資源得到了最大限度的利用，將大大推動電力信息通信業(yè)務(wù)的發(fā)展。

1 張健，文愛軍.國家電網(wǎng)公司信息化建設(shè)一級部署方案.電力信息化，2011(4)Z hang J,Wen A J,First-order deployment scheme of information construction in state grid corporation.Electric Power IT,2011(4)

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