省級電信運營商Cache系統建設方案探討

馮小芳

（江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，南京 210006）

1 概述

Cache是將用戶訪問或下載的熱點內容在存儲設備中保存一個副本，當內容再次被用戶訪問或下載時，不必連接到源站，而是由Cache中保留的副本直接提供服務，以達到加速訪問或下載，降低骨干網絡帶寬或運營商網間帶寬占用的目的。一般Cache分為Web Cache和P2P Cache。

隨著各運營商LTE網絡建設，提升用戶體驗成為爭搶4G用戶的關鍵舉措之一。某南方省電信公司在4G信號相近的情況下，使用同一款手機對移動和電信4G進行對比性測試，移動公司在微軟/蘋果官網/亞馬遜等國外網站、安卓APP下載、蘋果APP下載以及蘋果AppStore首頁加載速度等方面的用戶體驗均優于電信。另一方面，雖然電信網內重要IDC應用已基本引入，但目前大多數省份70%以上的IDC流量均調度到外省，而省際骨干網絡擴容建設進度明顯滯后，導致骨干鏈路擁塞，影響用戶體驗。

國際上各監管機構、運營商、互聯網企業和用戶本身對業務體驗的關注度不斷提升，通過建立測速網站與應用、委托第三方等手段測量寬帶服務的實際性能。我國寬帶發展聯盟定期發布的《中國寬帶速率狀況報告》表明用戶體驗速率與電信運營商簽約速率存在差異，主要報告指標有可用下載速率（體驗）、首屏呈現時間（體驗）、視頻下載速率（體驗）等。

縮短為用戶服務的距離，成為運營商提升用戶體驗的重要手段。通過建設Cache系統，可以靠近用戶提供服務，降低對端到端網絡質量的依賴性，較好的解決電信運營商在業務發展中面臨的上述問題。本文分析比較了Cache系統的三種用戶引導模式，結合電信運營商的網絡部署現狀，探討了省級Cache系統的網絡部署方案以及運營思路等，對電信運營商Cache系統的建設具有重要的借鑒意義。

2 用戶引導模式

目前Cache系統的用戶引導模式主要有3種：分光/DPI（深度分組檢測）方式、LDNS ForWard（DNS轉發）方式和PBR（策略路由）方式，簡要描述如下。

2.1 分光/DPI方式

通過在數據鏈路上部署分光設備及DPI設備，將用戶訪問數據進行解析處理，過濾出DNS解析協議、HTTP GET協議及P2P協議等，與Cache系統配置的域名白名單進行匹配，如滿足一致性條件，則向用戶返回重定向響應消息，后續由Cache系統為用戶提供服務。過濾功能可選由DPI系統或Cache系統承擔。

2.2 LDNS ForWard方式

在運營商LDNS中配置站點域名白名單，LDNS系統將匹配白名單的請求發送到Cache系統，Cache系統通過“302重定向”返回Cache平臺的IP地址，后續由Cache系統為用戶提供服務。

2.3 PBR方式

通過在核心路由器上開啟PBR功能，將滿足條件的用戶流量通過路由轉發至Cache系統，判斷依據可以是端口號、目標地址、源地址等，后續相關的上行、下行流量均經由Cache系統進行處理，無需向終端側發送重定向報文。

3種用戶引導模式各有其應用場景，對比如表1所示。

3 電信運營商網絡現狀

3.1 固網DPI

固網DPI設備從部署位置上可分為省出口路由器上行鏈路、城域網出口路由器上行至省出口路由器鏈路、城域網內部鏈路。DPI設備通常采用上行單向、并接的部署方式。

為了利用較少的DPI設備資源實現HTTP全流量的采集和分析，目前主要采用通過省/城域網CR設備的策略路由或端口鏡像的方式，將HTTP流量牽引或者鏡像到指定的鏈路/端口，實現集中的DPI采集和分析。

部分省分公司固網DPI設備在實現HTTP全流量的采集和分析功能的基礎上，將基于UDP/TCP 53端口的DNS域名解析消息也通過策略路由方式進行匯聚，可同時滿足Cache系統DNS重定向、HTTP重定向和P2P重定向的用戶引導需求。

表1 用戶引導模式對比表

3.2 移動網DPI

移動網DPI部署在PDSN（分組業務數據節點）、P-GW（PDN網關）至核心路由器的上行鏈路，通過分光方式實現移動網全數據流量的采集和分析，一般隨上行帶寬擴容同步擴容。

3.3 LDNS系統

各省電信采用全省集中式部署DNS系統，免費為用戶提供公共解析服務，同時滿足固定寬帶用戶及移動寬帶用戶的域名解析需求，一般部署在骨干網核心節點。

4 省級Cache系統建設方案

4.1 建設原則

在Cache系統設計的過程中，主要遵循以下原則：

（1）先進性原則：整體方案符合業界技術的發展趨勢，是業界公認的領先解決方案。

（2）高可靠性原則：系統宕機情況下，基本不影響現網用戶感知。

（3）可擴展性原則：隨著CP/SP不斷的變化，靈活調整緩存策略；易于跟隨用戶數量的增長對緩存系統進行平滑、在線擴容。

（4）可管理性原則：系統操作方便，具有充分的權限管理、日志管理、故障管理，并能夠實現故障自動報警。

（5）經濟性原則：能以較低的成本、較少的人員投入來維持系統運轉，提供高效能與高效益。

（6）綠色節能原則：系統設計滿足環保與節能的要求，低噪聲、低功耗、無污染。

4.2 總體部署方案

4.2.1 用戶引導模式選擇

對于Cache系統用戶引導模式的選擇，從技術方案適用性及運營維護等方面考慮如下：

（1）分光/DPI方案：現網固定網和移動網均已部署DPI系統，可滿足Cache系統重定向需求，但DPI方式攔截效率較低，逐包檢測和匹配造成系統開銷增大。

（2）LDNS ForWard方案：這種方案配置簡單，對LDNS升級改造量小，同時支持固定和移動用戶接入，可針對所有用戶實現策略統一更新，便于維護，適合開展后向運營；在DNS系統支持攜帶用戶IP地址的前提下，可以針對前向特定用戶進行加速，實現前向運營。

（3）PBR方案：加速效果較好，但在Cache系統宕機時存在一定的安全風險。由于固網流量很大，不適用PBR方案；移動網目前流量雖小，但隨著4G流量爆發性增長后，這種方案所帶來的風險也更大。

因此，本文推薦采用LDNS ForWard方案實現帶有域名的小文件和大文件進行加速，基本能滿足現網大部分的流量加速需求；對于以IP地址標識的對象以及P2P加速，由于在下載過程前沒有DNS解析流程，故無法通過DNS重定向模式進行處理，可使用DPI方案進行適度補充。

4.2.2 合建與分建方式的選擇

針對電信移動網和固網兩張網絡，Cache系統可采取合建方案與分建方案，分別描述如下：

（1）合建方案：Cache系統同時為移動用戶和固定用戶提供服務，全網統一規劃內容源的引入策略，避免重復引入；通過統一調度平臺實現移動用戶和固定用戶的智能調度，有利于提升系統的整體資源利用率。

（2）分建方案：移動網和固網分別建設Cache系統，為各自用戶提供服務。這種方案將出現相同內容重復存儲，導致投資加大；且兩個系統互相獨立，不利于實現整體效益最大化。

因此，本文推薦采用合建方式。

4.3 Cache系統規劃方案

Cache系統由統一管理平臺、統一調度平臺及服務節點組成。統一管理平臺實現緩存策略的配置與下發、緩存內容的分發管理、系統的運營與管理等；統一調度平臺根據用戶IP、緩存服務器的位置及負載情況進行統一調度，分配最靠近用戶且性能最好的Cache節點響應用戶請求；服務節點靠近用戶提供加速服務，代理用戶去源站獲取內容并緩存熱點內容。

服務節點可由兩級節點組成，一級緩存節點負責緩存次熱點內容與集中回源，不直接面向用戶提供服務；二級緩存節點側重熱點內容緩存，響應用戶請求，并為用戶提供直接的服務。

考慮到成本因素及盈利模式的不確定性，初期可全省集中部署一級和二級緩存節點合設的Cache節點，通過骨干網節點或某城域網CR接入大網。用戶訪問已緩存的國際內容及省際內容時，不再經過省際骨干網絡，有比較好的加速效果。

后期根據業務發展，可逐步過渡到兩級架構，初期建設的Cache節點演變為一級節點，同時在移動核心網出口、城域網CR或業務控制層節點新建二級節點。此時用戶訪問互聯網內容的距離進一步縮短，端到端速率保障和用戶體驗進一步提升。

省級Cache系統的目標架構如圖1所示。

根據多廠家測試結果，本文建議蘋果AppStore專用緩存系統與通用緩存系統分開建設。其中，蘋果AppStore專用緩存系統解決蘋果AppStore的加速，而通用緩存系統主要解決網站、安卓類電子市場和視頻加速。

此外，由于小文件（如Web頁面、小圖片、小游戲等）具有高并發、高IO讀寫與海量文件存儲等特點，建議小文件與大文件緩存服務器分開部署，小文件服務器可采用性能更高的固態硬盤，大文件服務器可采用性能較低的SATA硬盤，也可利舊現網部分閑置的IPTV CDN節點資源。

圖1 省級Cache系統目標架構圖

4.4 運營方面的考慮

4.4.1 Cache系統的定位

Cache系統初期定位于提升客戶體驗，重點聚焦于與競爭對手相比用戶體驗較差的應用，如App電子市場和國際網站；后期逐步拓展到技術要求較高的應用，并實現基于非緩存技術的加速，如視頻加速、TCP優化和圖片壓縮等，并探討前向、后向運營模式，提升系統收益。

4.4.2 廠家的選擇

互聯網源站的相關內容及規則、運營商的緩存加速策略等都是不斷更新變化的，Cache系統須進行相應的迭代開發，因此在廠家的選擇上，除關注各廠家設備的加速性能外，還需重點關注廠家的研發實力、產品運營能力以及長期駐地支撐、快速響應等服務能力。

4.4.3 與IDC業務協同發展

Cache系統應支持與IDC業務的協同發展，不能形成業務收入的互相博弈。對于已引入本省電信的IDC資源，Cache系統可配置黑名單不進行緩存，以免影響IDC的業務收入；對于已引入外省電信的IDC資源，可結合本地用戶體驗適當進行緩存，避免省際鏈路擁塞導致用戶體驗下降。同時加強與重要ICP建立戰略合作機制，本地引入內容源，提供智能管道差異化保障產品，共同提升用戶體驗。

對于IDC機房資源緊張的情況，可與客戶進行協商，通過在端局（大量PSTN設備退網后，機房騰出較多的配套資源）部署Cache系統，與IDC流量進行合并結算。

5 結束語

電信運營商部署Cache系統已成為提升用戶體驗、降低網間結算費用、減少基礎網絡建設投資的有效手段。本文分析比較了Cache系統的3種用戶引導模式，結合電信運營商的網絡部署現狀，探討了Cache系統的網絡部署方案以及運營思路等，對省級電信運營商Cache系統的建設具有重要的借鑒意義。后續電信運營商還應進一步探討適當的前后后向運營模式，對Cache系統的運營支撐能力進行一定的定制化開發，讓平臺產生更大的直接經濟效益。