LTE移動網絡CDN關鍵技術研究

陳學亮，陳 戈，莊一嶸，海錦霞

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

工業和信息化部于2013年底發放了4G LTE移動網絡牌照，中國電信等運營商已開展LTE 網絡建設，國內的LTE 移動網絡將迎來迅猛發展。按照國家制定的“寬帶中國”戰略，到2020年，中國3G/4G 用戶總數將達12 億，國內的LTE 用戶將呈現出爆發式增長態勢。隨著LTE 網絡大規模部署和應用，未來基于HTTP的大流量、高帶寬業務（如移動視頻、文件下載、APP 更新等）占比將不斷增加，對LTE 移動網絡形成了巨大的流量壓力，LTE 網絡流量發展趨勢如圖1 所示，視頻貢獻了50%的MBB 網絡流量，全球移動視頻流量復合年均增長率超過75%。

CDN（Content Delivery Network，內容分發網絡）是一種新型的網絡構建方式，通常采用中心、區域、邊緣多級架構，在不同的網絡位置部署多個節點，主動將熱點視頻、音頻、圖文等內容推送到各級節點，或者根據用戶訪問熱度自動將熱門內容進行本地緩存，并可根據IP 地址、網絡流量、節點負載、響應時間等綜合信息進行優化調度。目前，CDN 技術已在固網中廣泛應用，包括IPTV、PC 視訊、移動流媒體、網頁加速、文件下載等業務。

CDN 使用戶可以就近獲取所需的內容，減輕了骨干網絡的帶寬壓力，優化了網絡流量，并且CDN縮短了用戶的訪問距離，可以大幅度提高用戶訪問的響應速度，能夠有效地保證用戶體驗和服務質量。針對LTE 移動網絡進行CDN 關鍵技術研究，能進一步提升LTE 移動網絡使用效率，增強移動用戶的業務體驗，應對LTE 網絡中的流量沖擊。

圖1 LTE 網絡流量發展趨勢

2 LTE 移動網絡CDN 關鍵技術

2.1 CDN 節點下沉

傳統的CDN 網絡邊緣節點通常部署于城域網內，對移動用戶而言，中間需要經過基站、核心網等多個網絡設備，物理路徑較長，容易影響用戶體驗，因此將CDN 節點下沉至核心網/基站側，可以很好地縮短用戶訪問路徑，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。

由于運營商基站數量較多，為節約建設成本，減少維護工作量，建議選擇用戶數量較多、容量較大的基站部署CDN 節點，部署方式為“分光+透明緩存”方式。將透明緩存設備（如刀片插板）集成到基站設備中，通過端口鏡像方式或DPI 分光設備將用戶流量引導至透明緩存設備，由透明緩存設備根據用戶訪問熱度，自動緩存熱點內容。當用戶請求熱點內容時，直接由透明緩存設備發送內容給用戶；當用戶請求非熱點內容時，則由用戶訪問源網站獲得內容。CDN 透明緩存設備工作原理如圖3 所示。

CDN 透明緩存設備業務流程如下。

①用戶發送HTTP 請求，訪問內容A，經過DPI設備；

②DPI 設備對HTTP 進行分析，將結果發送給CDN 節點進行匹配；

圖2 CDN 節點下沉至核心網和基站側示意

圖3 CDN 透明緩存設備業務流程

③CDN 節點搜索本地是否已緩存內容A（由于內容A 熱度不夠，并未緩存）；

④CDN 將“未緩存”結果返回給DPI 設備；

⑤DPI 設備通知用戶繼續訪問源網站；

⑥用戶直接連接到源網站，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 緩存到本地；

⑩當有其他用戶再次訪問該內容時，重復第①～③步，由于CDN 已透明緩存該內容，在第④步返回給DPI 設備的結果是“已緩存”，因此用戶直接向CDN 節點獲取內容A；

2.2 DNS 緩存加速

用戶在訪問網頁、視頻、音頻、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…，需要通過本地DNS 進行解析。在2G/3G 移動網絡中，DNS 服務器通常部署于城域網內，每次DNS 解析請求都要通過基站、核心網，因路徑較長而造成DNS 時延較大，如圖4 所示。

在LTE 網絡中，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 緩存系統，對移動用戶訪問流量中的DNS 協議進行監聽。為保證DNS 解析性能和可靠性，可設定一定的閾值，當本地DNS 服務器運行正常時（例如響應時間低于閾值，解析成功率高于閾值），仍由本地DNS 服務器進行解析；當本地DNS 服務器運行異常時（例如響應時間高于閾值，解析成功率低于閾值），則由CDN 節點的DNS 緩存系統進行解析。CDN的DNS 緩存系統需要定期與本地DNS 服務器進行同步，更新域名和IP 地址的映射關系。

圖4 DNS 解析流程

以圖4 為例估算，采用CDN的DNS 緩存系統加速后，每次DNS 解析均可節約80 ms，8 次DNS解析可節約0.64 s，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，提升用戶訪問速度，優化服務質量和業務體驗。

2.3 內容源優化及終端適配

目前移動用戶使用的終端通常為基于蘋果iOS、谷歌Android 等操作系統的智能手機，和電腦相比，具有屏幕尺寸小、分辨率低、CPU 頻率低、內存小、存儲容量小等特點，而互聯網的海量內容大部分都是為電腦訪問設計的，并沒有針對移動終端進行優化。因此，在LTE 移動網絡中，由CDN 節點對內容源進行優化緩存，并且在移動終端中通過客戶端或者插件進行適配，能夠根據用戶終端的情況，動態優化內容呈現方式，降低用戶終端和基站、核心網間的數據流量，釋放更多的空口資源。

在CDN 節點內部署內容優化模塊或系統，該系統可配置白名單對用戶經常訪問的熱門網站進行預處理優化和緩存，例如，針對網頁、圖片等元素生成多種屏幕大小和分辨率的備份內容。移動終端在請求內容時，可在URL 里附加屏幕大小、分辨率、網絡質量等參數，由CDN 節點的內容優化系統進行分析并返回合適的備份內容。具體優化方法如下。

● 跟蹤系統調用發現哪些幀在處理上耗時較長，通過優化頁面布局等，提升客戶端頁面渲染性能，減少客戶端處理時間。

● 減小接口數據返回，通過減少首頁數據返回，以分頁獲取后續數據的方式進行優化，從而減小數據傳輸時間。

● 針對部分功能項，如排行和分類列表等頁面圖片采用延遲加載。由于一屏只能展示4～5條數據，所以可以采用圖片延遲加載，第一屏只下載要展示的相關數據圖片，網絡傳輸的數據大小將大為減小，后續圖片在滾動頁面時再進行加載。

● 壓縮列表頁圖標大小，在不影響用戶的視覺體驗下，通過對圖標進行壓縮優化，使圖片大小減少。

● 增加請求壓縮，針對自升級等攜帶大請求數據的接口請求進行壓縮處理，一方面可以節省用戶流量，另一方面加快了客戶端的響應速度。

2.4 視頻智能優化

根據互聯網權威機構的分析，視頻內容在4G時代將成為主流應用，其流量將超過Web 瀏覽，在2017年將占據60%以上的流量，因此，針對視頻內容進行智能優化對LTE 移動網絡有著重要的意義。優化方法包括以下內容。

（1）視頻轉碼技術，與終端智能適配

CDN 節點將熱門的視頻內容轉換為多種封裝格式、編碼格式和分辨率的視頻文件，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1 080P 轉換為720P、D5 等分辨率等，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參數，由CDN 節點進行分析并返回適配的視頻內容。

（2）視頻動態緩沖，感知網絡變化

目前移動視頻內容主要是基于HTTP，而且大部分采用的是HTTP Progressive Download 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視頻內容直至完成。然而根據統計，有相當比例的用戶只會觀看視頻的一部分，持續下載會占用空口資源。因此，在CDN 節點中可采取視頻動態緩沖技術，根據移動網絡的變化情況動態調節，例如當網絡繁忙時，控制用戶下載速率，保證用戶有10 s 以上的緩沖時間即可；當網絡空閑時，讓用戶下載速率最大化，快速下載剩余的視頻內容，盡快釋放空口資源。

（3）HLS 視頻內容優化

目前，移動視頻內容部分采用了蘋果公司的HLS（HTTP Live Streaming）技術，即每個視頻內容存在多種碼率的副本，由客戶端根據網絡帶寬情況動態選擇相應的副本。視頻內容的碼率若是高清或者超高清可以達到10 Mbit/s 以上。對于LTE 移動網絡而言，一方面容易造成用戶帶寬過高占用空口資源，另一方面手機屏幕較小難以體現超高清視頻優勢，因此可以在CDN 節點中對存儲的HLS 視頻內容進行優化，分析HLS 視頻內容的M3U8 索引文件，刪除其中不適用的碼率信息以及對應的副本文件。對HLS 視頻內容進行精簡，可以優化用戶帶寬和空口占用率，并且節省了CDN 節點寶貴的存儲空間。

2.5 計費系統改造

在2G/3G/4G 移動網絡中，計費系統通常部署于核心網，如果將CDN 節點下沉至核心網，不會影響計費系統統計用戶實際消耗的流量，但是如果將CDN節點下沉至基站，則用戶的實際流量中有一部分是由基站的CDN 節點緩存提供，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。

由于計費系統實現較為復雜，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，可通過在基站CDN 節點中部署子系統，統計用戶的流量使用情況，并定期以話單格式上傳至核心網計費系統實現同步，流程示意如圖5 所示。

3 結束語

隨著LTE 移動網絡的大規模建設和部署，由于LTE 網絡高帶寬的特點，未來將出現大量大流量、高帶寬的業務。對運營商而言，頻繁擴容LTE 網絡會消耗巨額的建設資金和運營維護成本，性價比不高，基于已有的LTE 網絡進行流量優化，一方面可以提高LTE 網絡使用效率，節約擴容資金；另一方面可以提升服務質量，增強用戶體驗。

本文對LTE 移動網絡中的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 解析進行緩存加速，對內容源進行優化并和終端智能適配，對視頻內容進行智能優化，通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 骨干網和核心網的流量壓力，提高空口資源利用率，縮短用戶請求的響應時間，改善用戶的4G 業務感知。

圖5 流量話單同步示意圖

本文介紹的方法對LTE 移動網絡改動較小，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 移動網絡提供參考依據。

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