Cache在移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與分析

吳修權(quán)，鐘其柱，羅耀滿

（中國移動通信集團廣東有限公司中山分公司，中山 528400）

1 引言

4G LTE網(wǎng)絡(luò)正式商用后，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)逐步擺脫了過去2G/3G時代下載速率低的瓶頸限制，迎來了爆發(fā)式的增長。移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展為移動網(wǎng)帶來了無盡的應(yīng)用空間，促進(jìn)了移動網(wǎng)絡(luò)寬帶化的深入發(fā)展。寬帶化、個性化以及內(nèi)容海量化已經(jīng)成為移動數(shù)據(jù)網(wǎng)發(fā)展的主旋律。流媒體、P2P等網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的應(yīng)用普及和在線視頻業(yè)務(wù)的大發(fā)展[1]，在帶來網(wǎng)絡(luò)流量激增的同時，也給網(wǎng)絡(luò)運營者、管理者帶來了很大的影響。目前移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)可分為視頻、瀏覽下載、即時通信、游戲等21個大類，24 000多個小類業(yè)務(wù)，如視頻業(yè)務(wù)包含騰訊視頻、3G影院、搜狐視頻等501個小類業(yè)務(wù)。海量內(nèi)容的可靠傳輸與高服務(wù)質(zhì)量保證和移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施所能提供存儲和傳輸能力之間的矛盾成為提升移動網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量的嚴(yán)重瓶頸之一。

終端用戶使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時一個重要的評估指標(biāo)就是數(shù)據(jù)下載速率，它直接關(guān)系到網(wǎng)頁是否能夠快速打開、網(wǎng)絡(luò)視頻流暢播放與否、網(wǎng)絡(luò)會話消息是否能夠解釋發(fā)送和接收等。目前移動互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化措施主要有新建IDC機房、新建CDN機房、核心網(wǎng)優(yōu)化及引入Cache高速緩存系統(tǒng)。從目前的實際情況來看，由于Cache高速緩存信息同時解決了移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)網(wǎng)外資源向網(wǎng)內(nèi)資源的轉(zhuǎn)移以及業(yè)務(wù)傳輸路徑的縮短（網(wǎng)外變網(wǎng)內(nèi)）兩個問題，從而有效的提升業(yè)務(wù)下載速率，是目前最為有效的優(yōu)化措施之一。它借用內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)CCN的一些網(wǎng)內(nèi)緩存策略的應(yīng)用[2，3]，可以根據(jù)業(yè)務(wù)訪問熱度和流行度，將部分內(nèi)容資源進(jìn)行緩存加速，對移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)內(nèi)容進(jìn)行差異化、個性化的配置和管理，在提升終端用戶業(yè)務(wù)使用體驗的同時，在一定程度上也節(jié)省了運營商網(wǎng)外出口帶寬。

2 移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

移動4G通信網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)幾部分。無線網(wǎng)主要負(fù)責(zé)電話終端的信號接入，核心網(wǎng)負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)內(nèi)容的交換及信令控制，互聯(lián)網(wǎng)提供終端訪問的業(yè)務(wù)內(nèi)容如視頻、新聞、歌曲等，而傳輸網(wǎng)是用做傳送通道的網(wǎng)絡(luò)，用來提供信號傳送和轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡(luò)。移動通信網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)節(jié)點包括智能終端UE、無線基站eNode B、業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)SAE-GW、分組數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)PWG、和內(nèi)容服務(wù)商SP以及傳輸鏈路中的路由器、網(wǎng)關(guān)防火墻等，參考圖1所示。

2.2 業(yè)務(wù)原理

與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)線接入Internet不同，移動互聯(lián)網(wǎng)主要通過電信網(wǎng)絡(luò)采用無線方式接入。移動互聯(lián)網(wǎng)的接入終端也從傳統(tǒng)的PC機轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苁謾CUE。但其接入及業(yè)務(wù)收發(fā)協(xié)議，與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)并無不同，均采用TCP/IP、HTTP等協(xié)議[4]。

智能終端UE通過三次握手完成TCP連接建立后，向SP內(nèi)容服務(wù)端發(fā)起業(yè)務(wù)申請，SP收到業(yè)務(wù)請求并相應(yīng)確認(rèn)后，準(zhǔn)備對應(yīng)的內(nèi)容資源，通過建立好的TCP鏈路將其傳送至智能終端，如圖1所示。

從圖1可以看出，一次業(yè)務(wù)請求中SP內(nèi)容服務(wù)端的響應(yīng)數(shù)據(jù)分組有多個，終端只有完全接收所有數(shù)據(jù)分組并正確解碼后才能實現(xiàn)最終的業(yè)務(wù)展現(xiàn)如視頻播放、網(wǎng)頁打開等。數(shù)據(jù)分組從SP內(nèi)容幅度發(fā)出到最終被智能終端接收需要經(jīng)過多個傳輸環(huán)節(jié)和設(shè)備，整個傳輸鏈路上的路由質(zhì)量和設(shè)備性能均能對數(shù)據(jù)分組的傳輸過程產(chǎn)生影響。按照數(shù)據(jù)分組順序傳送路由鏈路，可將整個傳輸時間大致分為T0到T12共13個階段，各階段含義如表1所示。

圖1 移動互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流程圖

表1 端到端數(shù)據(jù)包傳送階段路由劃分表

針對以上各個階段的傳輸時延，運營商主要采用優(yōu)化內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)元節(jié)點性能、內(nèi)網(wǎng)傳輸路由及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略、提升空口無線路由鏈路質(zhì)量等傳統(tǒng)方法來減低數(shù)據(jù)傳輸時延，這些傳統(tǒng)優(yōu)化手段既受限于廠家設(shè)備制式限制、物理傳輸路由限制導(dǎo)致可落地實施的措施有限，又受限于無線空口傳輸質(zhì)量提升工作的長期性和艱巨性，使得數(shù)據(jù)傳輸時延優(yōu)化工作效果不太理想；同時運營商因無法控制SP服務(wù)器性能而嘗試采取建設(shè)IDC機房，提供主機托管服務(wù)或者通過自建CDN的方式將Top網(wǎng)站內(nèi)容引進(jìn)內(nèi)網(wǎng)的方式來改善熱點業(yè)務(wù)的SP性能，但由于需要和目標(biāo)內(nèi)容提供商進(jìn)行逐個溝通取得內(nèi)容提供商的同意授權(quán)，協(xié)商耗時大且引進(jìn)的內(nèi)容不一定和本區(qū)域用戶的喜好相匹配，實際效果也不太理想。此外針對智能終端性能提升工作，更是一項長期性、系統(tǒng)性的艱巨工作，需要從引導(dǎo)用戶使用習(xí)慣、會同手機廠商推廣高性能終端等多方面進(jìn)行，實際可行性有待商榷。

3 Cache的應(yīng)用與分析

3.1 Cache系統(tǒng)介紹

Cache是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)不可缺少的組成部分，它是為了解決高速CPU和低速DRAM間速度匹配問題、提高系統(tǒng)性能的一項重要配置，通常由靜態(tài)存儲器SRAM構(gòu)成[5]。由于它采用了與CPU同樣的制作工藝，成本極高，導(dǎo)致其只能在重點網(wǎng)絡(luò)、重點設(shè)備和核心部位使用，以便尋求成本與網(wǎng)絡(luò)性能二者之間的平衡。本文所介紹的互聯(lián)網(wǎng)高速緩存Cache系統(tǒng)，借鑒了計算機系統(tǒng)Cache的原理，解決SP內(nèi)容服務(wù)商（高速CPU）和手機終端用戶（低速DRAM）之間以及傳輸路徑速率匹配問題。它包含以下幾個子系統(tǒng)：重定向子系統(tǒng)、調(diào)度子系統(tǒng)、緩存子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)。

3.1.1 重定向子系統(tǒng)

重定向子系統(tǒng)，采用分析重定向技術(shù)，通過深度分析用戶行為和對用戶所請求的內(nèi)容進(jìn)行解析，得出用戶行為分析結(jié)果，從而將用戶的請求定向、控制在指定范圍內(nèi)，實現(xiàn)對流量、內(nèi)容的管理和控制。

3.1.2 緩存子系統(tǒng)

緩存子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的重要組成部分，運用智能緩存技術(shù)，將互聯(lián)網(wǎng)熱點資源緩存到本地。用戶在下載時可以優(yōu)先從緩存子系統(tǒng)里獲取想要的資源。緩存子系統(tǒng)最大限度地節(jié)約了網(wǎng)外訪問和下載業(yè)務(wù)量，極大地減少了網(wǎng)絡(luò)之間的信令損耗和數(shù)據(jù)的傳輸時延。

3.1.3 調(diào)度子系統(tǒng)

調(diào)度子系統(tǒng)運用負(fù)載均衡、緩存記錄搜索、熱點內(nèi)容管理調(diào)度等技術(shù)，是緩存子系統(tǒng)的調(diào)度控制中心。

3.1.4 管理子系統(tǒng)

通過設(shè)置各種參數(shù)，提供多種管理策略，保證系統(tǒng)工作，同時可以對運行狀態(tài)和各種數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，提供報表分析、性能監(jiān)控、配置管理等模塊功能。

3.2 Cache原理

以一次下載請求為例，終端用戶發(fā)起Get請求，重定向子系統(tǒng)監(jiān)聽到該請求報文達(dá)到緩存基本條件并查詢調(diào)度子系統(tǒng)，如該請求滿足下載標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)送重定向報文給內(nèi)網(wǎng)用戶，并通知緩存子系統(tǒng)響應(yīng)的緩存設(shè)備準(zhǔn)備為該用戶提供服務(wù)。內(nèi)網(wǎng)用戶接到重定向信息后會連接緩存子系統(tǒng)進(jìn)行資源請求。當(dāng)緩存子系統(tǒng)上有該資源時則直接對用戶提供下載服務(wù)；若沒有則緩存子系統(tǒng)將代理用戶去外網(wǎng)下載，同時也向該用戶提供服務(wù)，數(shù)據(jù)下載流程如圖2所示。

3.3 Cache應(yīng)用

互聯(lián)網(wǎng)高速緩存系統(tǒng)Cache，布放在EPC網(wǎng)絡(luò)之后、本地通信網(wǎng)防火墻之前，采用分光或者鏡像方式進(jìn)行旁路部署，如圖3所示。

通過將流量大、訪問頻繁的內(nèi)容緩存在內(nèi)網(wǎng)本地系統(tǒng)，可有效縮短T1/11階段傳輸路由長度和T0/12階段時延（SP內(nèi)容從網(wǎng)外轉(zhuǎn)換至網(wǎng)內(nèi)），從而降低網(wǎng)外業(yè)務(wù)訪問和數(shù)據(jù)下載量，縮短熱點業(yè)務(wù)下載時延，有效提高數(shù)據(jù)下載速率，提升本地網(wǎng)內(nèi)用戶上網(wǎng)體驗?；ヂ?lián)網(wǎng)高速緩存技術(shù)都屬于被動緩存，只有在內(nèi)網(wǎng)用戶發(fā)出請求連接并達(dá)到一定條件后才進(jìn)行相應(yīng)資源的下載緩存，下載內(nèi)容完全取決于內(nèi)網(wǎng)用戶的請求。

圖2 數(shù)據(jù)下載流程

圖3 Cahce部署示意圖

3.4 效果

某市核心網(wǎng)根據(jù)組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將現(xiàn)有核心網(wǎng)網(wǎng)元根據(jù)業(yè)務(wù)承載及設(shè)備容量性能，借鑒局域網(wǎng)概念將分為不同的LAN組，以實現(xiàn)LAN內(nèi)資源的共享。鑒于該市移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速增長及業(yè)務(wù)保障需要，及時啟動對了互聯(lián)網(wǎng)高速緩存系統(tǒng)Cache的建設(shè)。2016年12月21日，該市核心網(wǎng)對LAN8引入Cache資源。Cache功能啟用后，LAN8的視頻速率由之前的5.24 Mbit/s迅速提升至7.06 Mbit/s（均為20日前后的7天均值），速率提升1.82 Mbit/s，漲幅約34.7%。而同時期LAN9和LAN10的視頻速率基本無變化，如圖4所示。

同樣LAN8引入Cache資源設(shè)備后，該設(shè)備可以對錯誤碼進(jìn)行重定向，將HTTP狀態(tài)碼大于400的錯誤碼重定向至400以下，從承載業(yè)務(wù)的不同LAN的視頻響應(yīng)成功率來看，LAN8視頻響應(yīng)成功率由95.24%提升至97.43%，成功率提升2.19個百分點。而同期LAN9和LAN10的視頻響應(yīng)成功率基本無變化，如圖5所示。

4 總結(jié)

Cache高速緩存系統(tǒng)通過旁路方式布放在本地通信網(wǎng)的防火墻附近，緩存下載熱點業(yè)務(wù)內(nèi)容，將其業(yè)務(wù)資源從網(wǎng)外轉(zhuǎn)移到網(wǎng)內(nèi)，在實現(xiàn)目標(biāo)業(yè)務(wù)資源位置轉(zhuǎn)移的同時，也縮短了熱點業(yè)務(wù)傳輸路徑的長度，對移動通信網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)下載速率的改善和優(yōu)化有著直接的顯著作用，其重定向功能對業(yè)務(wù)訪問成功率指標(biāo)也有較好的改善效果。從實際應(yīng)用來看，下載速率約有35%的改善，業(yè)務(wù)訪問成功率約有2.3%的提升（與成功率本身較高有關(guān)，普遍大于90%）。為目前移動運營商改善互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)質(zhì)量最為有效的手段之一。但Cache高速緩存系統(tǒng)的應(yīng)用也存在著一些限制，如資源緩存下載條件設(shè)置及緩存下載文件保存替換條件。這些條件的設(shè)置直接影響到資源緩存內(nèi)容的準(zhǔn)確度和緩存系統(tǒng)容量配置的大小。同時由于Cache資源的引入，致使部分網(wǎng)外訪問和下載業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)接至網(wǎng)內(nèi)，可能對SP服務(wù)商的業(yè)務(wù)推廣產(chǎn)生一定影響，需要我們在以后的實際工作中進(jìn)一步分析和優(yōu)化，尋找二者之間的平衡。

圖4 2016年12月21日前后視頻速率7天均值

圖5 2016年12月21日前后視頻響應(yīng)成功率均值

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