移動互聯(lián)網(wǎng)流量加速技術(shù)研究

劉華，金志堅

移動互聯(lián)網(wǎng)流量加速技術(shù)研究

劉華1，金志堅2

（1.中國移動通信集團(tuán)廣西有限公司，廣西 南寧 530022；2.中國電信股份有限公司廣西分公司，廣西 南寧 530022）

為了避免用戶流量迅速增長給移動通信網(wǎng)絡(luò)造成的影響，通過介紹移動通信網(wǎng)絡(luò)可用的流量控制、流量加速等管控技術(shù)，重點對流量加速相關(guān)的Cache、CDN、ICP調(diào)度優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和總結(jié)，并為運營商部署這些流量加速關(guān)鍵技術(shù)提供了方案和建議，以提升用戶感知。

移動互聯(lián)網(wǎng) 流量控制 流量加速

1 引言

隨著智能終端及移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量呈現(xiàn)爆炸式增長態(tài)勢。如何消除端到端業(yè)務(wù)鏈條的網(wǎng)絡(luò)瓶頸，利用有限網(wǎng)絡(luò)資源提升用戶感知，成為運營商亟需考慮的問題。本文著眼于用戶上網(wǎng)鏈路的優(yōu)化調(diào)整以及內(nèi)容的適配和加速，研究了可用于移動互聯(lián)網(wǎng)的流量控制和流量加速技術(shù)，并針對每種技術(shù)進(jìn)行了利弊分析，提出了可行的部署建議，從而解決了運營商采取傳統(tǒng)的“開源”或“節(jié)流”方式均不能兼顧提升投資收益和用戶上網(wǎng)感知的難題。

2 流量控制

流量控制屬于“節(jié)流”措施，通常包括數(shù)據(jù)控制和數(shù)據(jù)壓縮。

2.1 數(shù)據(jù)控制

數(shù)據(jù)控制技術(shù)是通過限制低價值業(yè)務(wù)用戶的速率來解決出口擁塞問題，保證高價值業(yè)務(wù)用戶的業(yè)務(wù)體驗。數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)包括采集、檢測、控制三大過程。DPI（Deep Packet Inspection，深度報文檢測）是通過深度分析報文凈荷中的特征進(jìn)行業(yè)務(wù)識別，對關(guān)鍵業(yè)務(wù)報文進(jìn)行分析、丟棄等操作，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的分析和控制。

雖然數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)具有部署快捷靈活、效果直接等優(yōu)點，但該方式往往“治標(biāo)不治本”，只能緩解現(xiàn)象而不能解決擁塞本質(zhì)問題，并且應(yīng)用協(xié)議眾多，DPI協(xié)議識別準(zhǔn)確度不足也會導(dǎo)致正常流量被“誤殺”，建議運營商只針對個別典型的業(yè)務(wù)進(jìn)行小范圍部署。

2.2 數(shù)據(jù)壓縮

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是通過在網(wǎng)內(nèi)部署數(shù)據(jù)壓縮服務(wù)器，判斷數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議，對支持的協(xié)議數(shù)據(jù)，通過智能壓縮對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后發(fā)送給移動終端，從而減少數(shù)據(jù)的傳送流量，節(jié)省整體的傳輸時間，以提升傳輸速率。

數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)需要客戶端軟件和服務(wù)器端配合。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)驗證，對HTTP（Hyper Text Transfer Protocol，超文本傳輸協(xié)議）進(jìn)行壓縮后（壓縮的內(nèi)容包括文本、圖片、Flash等），應(yīng)用效果一般?？紤]到數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)受使用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及應(yīng)用協(xié)議影響，效果提升存在一定的限制，建議運營商考慮與Web網(wǎng)關(guān)、Cache（緩存）系統(tǒng)、綜合網(wǎng)關(guān)等功能整合。

3 流量加速

流量加速的本質(zhì)是內(nèi)容資源管理和優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)手機(jī)終端的能力，利用Cache、CDN（Content Delivery Network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）、ICP（Internet Content Provider，因特網(wǎng)內(nèi)容提供商）調(diào)度優(yōu)化等技術(shù)進(jìn)行上網(wǎng)鏈路優(yōu)化、內(nèi)容適配和加速，可有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐率和用戶感知。

3.1 Cache

Cache的本質(zhì)是將用戶訪問的互聯(lián)網(wǎng)熱點資源作為副本緩存到本地，當(dāng)內(nèi)容資源再次被訪問時，由Cache中保留的副本直接提供，實現(xiàn)了“存儲換帶寬”、“一次外網(wǎng)訪問，多次內(nèi)網(wǎng)服務(wù)”。通過部署Cache功能，可大大減少網(wǎng)間和網(wǎng)內(nèi)的流量壓力，加快網(wǎng)絡(luò)訪問速度，并降低對其他運營商間互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的依賴。

Cache通常分為Web Cache和P2P（Peer-to-Peer，對等網(wǎng)絡(luò)） Cache，具體如圖1所示：

圖1 Cache系統(tǒng)示意圖

（1）Web Cache

Web Cache用來解決HTTP流量“小帶寬”需求問題，但不適用于包含動態(tài)內(nèi)容較多的網(wǎng)站及頁面。通過對用戶DNS（Domain Name System，域名系統(tǒng)）請求進(jìn)行重定向，最終將用戶訪問HTTP的請求引導(dǎo)到Cache，而不是源Internet。

如何將用戶引導(dǎo)到Cache，推薦采取以下措施：

1）部署Cache重定向設(shè)備

利用DPI設(shè)備，識別用戶發(fā)出的特定請求報文，Cache重定向設(shè)備將需加速的網(wǎng)站域名地址解析為Cache系統(tǒng)IP地址，回復(fù)給用戶。

2）部署智能DNS系統(tǒng)

由Local DNS根據(jù)用戶訪問的內(nèi)容，對于在加速白名單中的域名，直接在解析結(jié)果中向用戶返回Web Cache的IP地址，將應(yīng)用引導(dǎo)到Cache系統(tǒng)。

（2）P2P Cache

P2P Cache用來解決P2P流量“大帶寬”需求問題，基于對用戶請求的分析，緩存用戶最需要的熱點資源，通過對用戶的P2P業(yè)務(wù)請求進(jìn)行重定向，將用戶的下載請求引導(dǎo)到Cache。

目前存在以下3種重定向模式，建議優(yōu)選破解模式。

1）破解模式

對P2P交互報文進(jìn)行破解，對于已緩存的內(nèi)容加以引導(dǎo)，該方式在運營商側(cè)實現(xiàn)即可。

2）合作模式

與P2P服務(wù)提供商合作，在網(wǎng)內(nèi)部署節(jié)點，由P2P應(yīng)用進(jìn)行調(diào)度，該方式過度依賴P2P服務(wù)提供商，實施難度較大。

3）授權(quán)模式

Cache系統(tǒng)經(jīng)授權(quán)后可合法使用P2P私有協(xié)議，該方式過度依賴P2P服務(wù)提供商，對現(xiàn)網(wǎng)改造較大。

（3）部署建議

Web Cache不宜應(yīng)用于更新較快的網(wǎng)站和網(wǎng)頁，建議運營商優(yōu)選智能DNS系統(tǒng)，最終將用戶訪問HTTP的請求引導(dǎo)到Cache。P2P Cache為了避免對P2P服務(wù)提供商的依賴，建議可采用破解模式對已緩存的內(nèi)容進(jìn)行引導(dǎo)。

需要說明的是，Cache運營會存在由于緩存內(nèi)容不當(dāng)導(dǎo)致用戶無法訪問、版權(quán)和法律風(fēng)險等問題，需要重點關(guān)注。

3.2 CDN

CDN是由眾多服務(wù)器組成的分布式網(wǎng)絡(luò)。它是一種智能虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過一定規(guī)則將內(nèi)容源發(fā)布到最接近用戶的邊緣，用戶可以就近取得所需內(nèi)容，使得內(nèi)容傳輸速率更快、更穩(wěn)定，響應(yīng)更及時。

（1）CDN應(yīng)用模式

目前CDN應(yīng)用模式分為自建、租用和混合三類，具體說明如下：

1）自建模式

企業(yè)自建CDN并為自身業(yè)務(wù)提供服務(wù)，如電信運營商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。

該模式的優(yōu)點如下：

◆針對性強(qiáng)，可以與業(yè)務(wù)結(jié)合得更緊密，系統(tǒng)控制權(quán)及技術(shù)可自主掌控，方便靈活調(diào)整；

◆安全性高，無需將內(nèi)容發(fā)布至第三方；

◆一次性投入，不必定期支付費用。

該模式的缺點如下：

◆需投入額外的研發(fā)成本與時間，成本較高；

◆節(jié)點數(shù)通常較少。

2）租用服務(wù)模式

租用專業(yè)CDN運營商的CDN服務(wù)，如藍(lán)汛、網(wǎng)宿等。

該模式的優(yōu)點如下：

◆商用產(chǎn)品成熟度高，初期可快速實施部署；

◆運營及技術(shù)積累深，服務(wù)團(tuán)隊專業(yè)；

◆服務(wù)成本逐年降低，投入產(chǎn)出比較高；

◆節(jié)點規(guī)模大，冗余性、可靠性更高。

該模式的缺點如下：

◆支出總成本較高；

◆安全性不如自建CDN系統(tǒng)。

3）自建與租用共存模式

部分互聯(lián)網(wǎng)站點通過自建CDN提供服務(wù)，但為增加覆蓋區(qū)域、應(yīng)對高峰流量、實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速上線等原因，同時也會租用第三方CDN，如新浪、騰訊、搜狐等。

（2）自建CDN實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)內(nèi)容的加速

基于自建CDN實現(xiàn)流量加速舉例如圖2所示，通過整合現(xiàn)網(wǎng)Cache節(jié)點、部署新的CDN服務(wù)節(jié)點，引入全網(wǎng)管控中心、內(nèi)容中心構(gòu)建新的CDN體系，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)層內(nèi)容在網(wǎng)內(nèi)的加速。

圖2 基于自建CDN實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)內(nèi)容的加速

具體說明如下：

1）CDN獲取內(nèi)容熱點、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷

CDN通過DPI、DNS日志等手段獲取用戶

熱點和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷等信息，判斷哪些內(nèi)容熱點需

要進(jìn)行分發(fā)。

2）CDN分發(fā)內(nèi)容

CDN根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)容節(jié)點負(fù)荷、鏈路質(zhì)量，

形成分發(fā)策略，將內(nèi)容分發(fā)至各內(nèi)容節(jié)點。

3）CDN調(diào)度用戶最優(yōu)訪問

CDN根據(jù)網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)容節(jié)點負(fù)荷、質(zhì)量、距

離，形成調(diào)度策略，將用戶調(diào)度至最優(yōu)內(nèi)容節(jié)點

訪問。

（3）第三方CDN實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)內(nèi)容的加速

基于第三方CDN實現(xiàn)流量加速舉例如圖3所示，通過租用第三方CDN服務(wù)，在網(wǎng)內(nèi)部署CDN服務(wù)節(jié)點或建立專用電路，由第三方CDN將內(nèi)容分發(fā)至靠近運營商網(wǎng)內(nèi)，并引導(dǎo)用戶訪問，加快用戶的訪問速度。

圖3 基于第三方CDN實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)內(nèi)容的加速

（4）第三方CDN實現(xiàn)外網(wǎng)用戶訪問網(wǎng)內(nèi)內(nèi)容的加速

基于第三方CDN實現(xiàn)外網(wǎng)用戶訪問網(wǎng)內(nèi)內(nèi)容的加速舉例如圖4所示，通過租用第三方CDN服務(wù)，可以實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)資源（如中國移動同一門戶、自有業(yè)務(wù)）面向網(wǎng)外用戶的分發(fā)，避免網(wǎng)間鏈路訪問質(zhì)量差引發(fā)的訪問延時等問題。

（5）運營商CDN部署建議

圖4 基于第三方CDN實現(xiàn)外網(wǎng)用戶訪問網(wǎng)內(nèi)內(nèi)容的加速

為了保證數(shù)據(jù)安全且做到業(yè)務(wù)可控，在網(wǎng)絡(luò)投資不受限的情況下，建議運營商優(yōu)選基于自建CDN實現(xiàn)流量加速；在網(wǎng)絡(luò)投資受限的情況下，建議運營商優(yōu)選基于第三方CDN實現(xiàn)流量加速。

3.3 ICP調(diào)度優(yōu)化

通過ICP調(diào)度優(yōu)化可以為用戶上網(wǎng)提供最優(yōu)鏈路，優(yōu)化用戶上網(wǎng)路由，提升用戶感知。ICP調(diào)度優(yōu)化通常針對HTTP用戶和P2P用戶進(jìn)行，實現(xiàn)原理如下：

（1）HTTP用戶調(diào)度原理

ICP針對HTTP用戶進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化原理，具體流程舉例如圖5所示。該流程包括：DNS解析流程（步驟1至6）、ICP調(diào)度流程（步驟7至8）、訪問服務(wù)器流程（步驟9）。

具體實現(xiàn)過程如下：

1）通過解析流程，本地DNS向163.com授權(quán)服務(wù)器發(fā)起針對www.163.com的域名解析請求；

2）通過ICP調(diào)度流程，163.com授權(quán)服務(wù)器發(fā)現(xiàn)全網(wǎng)共存在三處服務(wù)器，同時發(fā)現(xiàn)用戶來自于中國移動，返回中國移動網(wǎng)內(nèi)服務(wù)器地址；

3）通過訪問服務(wù)器流程，用戶訪問位于中國移動網(wǎng)內(nèi)的163頁面內(nèi)容。

（2）P2P視頻調(diào)度原理

ICP針對P2P用戶進(jìn)行調(diào)度優(yōu)化原理，具體流程舉例如圖6所示。該流程包括：DNS解析流程（步驟1至8）、ICP調(diào)度流程（步驟9至10）、訪問服務(wù)器流程（步驟11）。

具體步驟如下：

步驟1：用戶打開暴風(fēng)影音軟件，軟件發(fā)起針對暴風(fēng)影音調(diào)度服務(wù)器的域名解析請求；

步驟2至8：本地DNS通過根服務(wù)器、COM服務(wù)器、暴風(fēng)影音授權(quán)服務(wù)器，逐級遞歸，獲得暴風(fēng)影音調(diào)度服務(wù)器的IP地址a.a.a.a；

步驟9：用戶向調(diào)度服務(wù)器發(fā)起Peer請求；

步驟10：調(diào)度服務(wù)器根據(jù)用戶源IP，發(fā)現(xiàn)其位于中國移動網(wǎng)內(nèi)，將歸屬于中國移動網(wǎng)內(nèi)的用戶地址返給用戶訪問服務(wù)器；

步驟11：用戶利用獲得的其他用戶IP地址進(jìn)行視頻資源共享。

（3）部署建議

運營商在部署ICP調(diào)度時，應(yīng)盡可能地減少網(wǎng)間訪問。建議基于以下配置規(guī)則：

1）對于跨網(wǎng)調(diào)度，建議按照本網(wǎng)、對等網(wǎng)和付費網(wǎng)的優(yōu)先次序進(jìn)行；

2）對于跨區(qū)調(diào)度，建議依次按照本大區(qū)內(nèi)、相鄰大區(qū)間疏導(dǎo)的優(yōu)先次序進(jìn)行。

3.4 其他加速技術(shù)

（1）引入IDC

IDC（Internet Data Center，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）是運營商利用已有的通信網(wǎng)絡(luò)、帶寬資源等，建立標(biāo)準(zhǔn)化的電信專業(yè)級機(jī)房環(huán)境，為企業(yè)、政府提供服務(wù)器托管、租用以及相關(guān)增值等方面的服務(wù)。

該方式適用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶規(guī)模較大的運營商，運營商通常會邀請流量TOP N（如TOP300）的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)入駐IDC機(jī)房，將互聯(lián)網(wǎng)熱點資源存儲在本地，減少跨網(wǎng)訪問的費用和時延，從而提升用戶感知。

圖5 HTTP用戶調(diào)度原理

圖6 P2P視頻調(diào)度原理

（2）引入第三方網(wǎng)絡(luò)

運營商可以通過第三方公司的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)節(jié)點和其他運營商實現(xiàn)間接互聯(lián)，在骨干網(wǎng)間出口擁塞的情況下較好地提升業(yè)務(wù)質(zhì)量。

該方式適用于省內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)出口帶寬不足的運營商，通過第三方公司的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)節(jié)點和其他運營商實現(xiàn)間接互聯(lián)。例如，對于中國移動來說，第三方電路是指通過除中國電信、中國聯(lián)通之外的第三方運營商疏通CMNET網(wǎng)外流量的互聯(lián)網(wǎng)接入方式，通過配置路由策略，引入第三方電路訪問網(wǎng)外內(nèi)容，可以擴(kuò)展省內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)出口帶寬，快速疏通本省網(wǎng)間訪問流量，從而提升業(yè)務(wù)訪問速率。

（3）與大型CP/SP進(jìn)行對等直連

CP（Content Provider，內(nèi)容提供商）為運營商提供內(nèi)容服務(wù)；SP（Service Provider，服務(wù)提供商）和運營商合作，與運營商建立相連的服務(wù)平臺，為手機(jī)用戶提供一系列信息服務(wù)。

該方式適用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶規(guī)模較大的運營商，運營商可通過與大型互聯(lián)網(wǎng)CP/SP進(jìn)行傳輸鏈路直接互聯(lián)，流量疏導(dǎo)不再通過其他運營商的骨干網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)流量本網(wǎng)化，從而提升業(yè)務(wù)訪問速率。

4 結(jié)束語

移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流程涉及端到端眾多業(yè)務(wù)流程和節(jié)點。為實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的流量最優(yōu)化，針對運營商的實際情況，本文研究了基于數(shù)據(jù)流量管控技術(shù)的多種流量加速技術(shù)，并為運營商部署Cache、CDN、ICP調(diào)度優(yōu)化以及IDC等關(guān)鍵流量加速技術(shù)提出了解決方案和建議。下一步，可在此成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究不同流量管控手段、不同協(xié)議的流量疏導(dǎo)和流量加速技術(shù)，實現(xiàn)不同加速技術(shù)之間的協(xié)同。

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Research on Traffic Acceleration Technique in Mobile Internet

LIU Hua1, JIN Zhijian2
(1. China Mobile Group Guangxi Co., Ltd., Nanning 530022, China; 2. China Telecom Co., Ltd., Guangxi Branch, Nanning 530022, China)

In order to avoid the influence of the rapid growth of user traffic on mobile communication networks, the traffic control and traffic acceleration techniques available to mobile communication networks were introduced. Key optimization and scheduling techniques such as Cache, CDN and ICP relevant to traffic acceleration were investigated and summarized. The solution and proposal to deploy mentioned above key traffic acceleration techniques for operators were provided to enhance user perception.

mobile Internet data control traffic acceleration

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.16.004

TN915.43

A

1006-1010(2017)16-0017-06

劉華,金志堅. 移動互聯(lián)網(wǎng)流量加速技術(shù)研究[J]. 移動通信, 2017,41(16): 17-22.

劉華：中級工程師，工科學(xué)士畢業(yè)于北方工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任中國移動通信集團(tuán)廣西有限公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)專家，從事通信領(lǐng)域工作12年以上，主要研究方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)。

金志堅：高級工程師，工科學(xué)士畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，碩士畢業(yè)于武漢大學(xué)，現(xiàn)任中國電信股份有限公司廣西分公司網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化高級主管，從事通信領(lǐng)域工作15年以上，主要研究方向為移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、優(yōu)化技術(shù)。

2017-04-26

責(zé)任編輯：袁婷 yuanting@mbcom.cn