CDN與Cache的技術特點及融合思路

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CDN與Cache的技術特點及融合思路

宋兵

（中國移動通信集團設計院有限公司安徽分公司，合肥 230041）

摘 要結合現階段需求，重點分析了CDN與Cache的技術特點、分散建設模式下存在問題，并提出了CDN與Cache的融合思路。

關鍵詞Cache; CDN; 調度

1　概述

視頻流早已成為互聯網最主要流量，隨著視頻業務高清化及OTT等業務的發展，運營商網絡壓力越來越大。通過網絡擴容或部署DPI進行封堵難以解決根本問題，而CDN與Cache可實現將內容引入網內，并推送至用戶邊緣，這在提高本網率、提升用戶體驗、節省傳輸帶寬、降低網間流量等方面均可發揮重要作用。

而當各省獨自建設網絡時，會缺少對內容、管理及調度上的協同，CDN與Cache的差異、能否融合以及融合型CDN的建設思路是本文重點探討的問題。

2　CDN與Cache的技術比較

2.1 CDN與Cache的技術特點

CDN可以實現將分散于互聯網各處的內容匯聚于網內，并推送至靠近用戶的邊緣節點，就近為用戶提供服務。Cache是通過分光或DNS重定向方式截取用戶的正常互聯網訪問需求，根據用戶的請求熱度對內容進行緩存，再次發起請求時，將用戶的請求重定向至Cache系統，由Cache系統向用戶提供服務。兩者既有相似也有不同點，從業務流程的差異上可比較出兩者的技術特點。

2.1.1 CDN的業務流程

在未使用CDN時，用戶的域名解析請求通過本地DNS定向至源站授權DNS，授權DNS將資源的IP地址返回至用戶，用戶向此IP發起訪問請求。而當使用CDN后，源站授權DNS并不是將資源的IP地址直接返回用戶，而是返回一條CNAME記錄至本地DNS(因與源站的簽約合作關系，所以源站會這么做)，然后本地DNS定向請求至CDN的流量調度系統，流量調度系統負責將網內最優的服務節點的IP地址返回給用戶。流程如圖1所示。

2.1.2 Cache的業務流程

以WebCache為例，解析用戶原始請求，發送重定向報文引導用戶訪問本地的緩存系統，若已緩存，直接下發至用戶。若未緩存，下載至緩存系統為用戶提供服務。 業務流程如圖2所示。

（1）用戶發起對某域名的DNS解析請求；

（2）本地DNS在轉發策略中將需要加速的域名列表指向WebCache的重定向子系統；

（3）重定向子系統將域名解析為緩存子系統IP地址，并返回至用戶；

（4）用戶向緩存子系統IP地址發起HTTP請求；

（5）緩存子系統根據請求的URL返回相應內容。

通過上述流程可看出，CDN方式與源站有關(源站授權DNS)，而Cache與源站無關；CDN適合對簽約內容的主動注入，Cache主要實現對熱點資源的被動緩存。

2.2 CDN與Cache的比較分析

目前，兩者在運營商均有大規模的部署應用。結合技術特點以及在網絡中的實際部署情況分析，二者在支持文件類型及分級部署的架構上相似，但在業務支持、緩存方式、調度方式以及控制、回源和運營方面存在差異，如表1所示。

3　建設模式分析

隨著寬帶用戶規模和網絡流量的快速增長，各省運營商陸續進行互聯網電視CDN、省內Cache等相關平臺的建設，為本省互聯網用戶提供加速服務。在流量本網率的提升方面效果明顯，但也存在一些問題。

表1　CDN與Cache的比較

圖1　CDN的業務訪問流程

圖2　WebCache的業務訪問流程

3.1 重復的緩存和回源，增加建設成本

主要存在CDN與Cache間內容的重復、不同省份間內容的重復。重復內容造成硬件平臺的重復投資，另外相同內容多次回源形成了結算的增加。

3.2 豎井式發展，缺乏調度協同

省內在進行內容引入時，在調度機制上框定了本省的地址范圍，即使相鄰省份的訪問也是被內容源站所調度，往往難以得到最優的訪問路徑，即對于A省已引入的資源與B省難以有效共享。此外，多個省份往往與同一個內容源站進行簽約合作，這也增加了經濟和人力上的重復開銷。

3.3 規模效應不明顯

因為缺少統一的內容管理和調度機制，難以形成CDN與Cache間、不同省份間資源的協同，形成龐大的規模效應。

因此，優化建設模式、整合內容資源、統一管理和調度，使內容源自全網、服務于全網，建設一個融合型CDN已成為發展趨勢。

4　融合思路建議

4.1 關鍵問題分析

4.1.1 融合不是取代，兩者將長期共存

CDN面向自有業務及簽約互聯網內容，根據業務需求以主動授權方式進行分發加速。Cache面向開放的互聯網內容，是非簽約內容。CDN主要負責大型的、服務流量靠前的內容源站以簽約的方式引入。數百萬計的龐大規模使得CDN不可能更無必要去完成對所有網站的引入。因此，當CDN覆蓋不到時、或新增內容CDN來不及覆蓋時，由Cache完成其中的熱點資源的引入。兩者在引入內容的范圍上互為補充，而如何實現Cache基于訪問熱度緩存的內容與CDN方式下有計劃的引入的內容的互斥、如何實現分省引入內容的全網服務和最優調度，便成為兩者存在融合點之所在。CDN建設初期，與Cache作為網內兩種獨立的方式進行流量疏導，當簽約內容成為網內主要流量成份時，Cache的需求將逐步降低，但也不會被替代，兩種將長期共存，共同提供服務。

4.1.2 管理與調度的統一，是融合的目標

內容引入方式、覆蓋范圍不同，CDN和Cache的服務器節點將會共存，只是容量上此消彼長而已。那么融合的概念主要體現于管理與調度等方面的統一。融合時，需要解決的問題主要包括：

（1）統一的調度、回源、呈現和監控；

（2）既能支持全國范圍內的運維，又可支持分省的運維；

（3）各省已建CDN和Cache可利舊，各省可自主平滑擴容平臺；

（4）各廠家可協同建設，支持統一的規范及演進思路；

（5）能夠支持自有業務和互聯網業務的加速，支持能力的對外開放和運營。

能解決上述問題的系統可稱之為“融合CDN”。

4.1.3 解耦，是實現融合的關鍵點

對軟件的掌握和開放能力構成了對CDN運營的基本要求，要實現對系統的自主掌控必須解耦(包括不同子系統間接口的解耦、軟硬件平臺的解耦)，需由運營商通過制定標準的接口規范、設備規范、技術要求來實現不同廠商平臺間的對接，承建廠商也應在承諾開放接口、支持接口規范和相關能力的廠商中選擇。 解耦后的系統架構會更清晰，升級、替換、利舊、維護更便捷，可以打破壟斷和縮短建設周期。

4.2 建設思路建議

建設融合型CDN網絡時，在實現內容的管理與調度、業務的快速對接、良好的視頻體驗以及穩定易維護等方面需具備解決方案，特別是對已建設的Cache和CDN需能平滑演進。

4.2.1 統一的內容管理和調度

CDN的簽約內容與Cache的熱點內容在管理和調度上需達到協同，以實現內容的精細化運營，建議建設內容資源管理平臺，平臺同步接受來自于CDN、Cache(也包括IDC中直接引入的內容)的內容視圖，實現對引入的互聯網內容的視圖呈現、統計分析以及智能調度等功能，并能保證存儲內容的互斥。在調度機制方面，將CDN的簽約內容在Cache上設置為黑名單，由CDN進行調度。對于非簽約的內容由Cache提供服務，內容資源管理平臺輔助參與調度。如圖3所示。

4.2.2 實現靈活快速的內容引入

融合CDN需能支持多種對接模式，適應不同的內容與業務的快速接入。對于非簽約熱點網站，采用透明Cache技術(網站無需修改)，實現互聯網網站內容的快速引入；對于簽約的政企網站，采用HTTP+URL或者回源接口，對不同網站的URL規則和參數進行適配；對于與運營商自營業務或互聯網電視牌照方的對接，采用HTTP+XML接口，通過接口定義完善的交互消息和過程，功能全面且能靈活擴展。

4.2.3 業務體驗的保障

融合CDN需能通過多種技術保障業務體驗，尤其是視頻業務體驗。在CDN核心節點內容注入與處理上，通過4 k+H.265的組合，在帶寬可控的情況下提供清晰度更高的視頻質量。在CDN的邊緣節點，通過流量整形，避免視頻碼率突發造成分組丟失，減少對網絡的需求。在用戶側，通過FCC、FEC、RET等技術，縮短頻道切換時間并在丟包產生時進行有效補償。此外，通過分片預取技術、TCP單/雙邊加速、快速碼率切換等技術的引入進一步提升用戶的體驗。

4.2.4 穩定可靠，易維護

融合CDN平臺服務用戶多、網絡覆蓋廣，必須穩定可靠方便維護。穩定可靠性方面建議對內容庫進行容災備份，鏈路方面通過智能路由判斷鏈路健康度并選擇合適路由進行分發，此外節點內采用服務器負載均衡技術避免單機負載過高、采用服務節點互助機制保障某節點故障時可由互助節點接管服務。維護方面通過部署探針進行業務撥測，監控不同節點間流量情況以定位業務故障點。

4.2.5 節點下沉，實現存儲換帶寬，流量本地化

CDN建設中應根據承載業務和流量規模逐步向用戶邊緣下沉，初期在省網部署邊緣CDN節點，隨著業務和流量的規模發展邊緣節點下沉至地市節點，當LTE流量爆炸式增長時，可考慮將CDN服務節點與無線網絡（PCC）配合，為重點客戶提供服務保障。服務節點的下沉分為服務于有線用戶和無線用戶兩種方式，如圖4所示。

4.2.6 對現網平臺的融合建議

建議省網OTT CDN、Cache通過軟件升級支持與全網CDN的互聯互通，各省CDN與Cache作為服務節點為各省用戶提供加速服務，定時上傳用戶訪問日志并可支持全局報表的展示；在調度、回源層面通過智能DNS系統進行全局調度和回源控制；在運營與管理層面，通過數據分析平臺進行報表展現，運營系統實現支持B2B操作。

融合時，建議分階段實施，先完成縱向互聯、再進行橫向協同、最后實現內容的融合：

（1）第一階段，實現省級節點與全網節點的縱向互聯，Cache與CDN各自實現全網的統一回源。

圖3　內容的統一管理和調度組網示意圖

（2）第二階段，實現系統間的橫向協同，完成內容的統一管理，CDN分發內容Cache不再緩存，完成CDN全網統一的調度能力，并實現報表和管理的統一。

（3）第三階段，打開一級Cache與CDN內容中心的接口，將Cache內容注入CDN。省公司層面實現省內Cache的內容注入CDN省內服務節點。使得更多的Cache中緩存的內容能夠被CDN所調度，提供更好的全網服務。

5　結束語

對運營商而言，CDN身兼多重價值。可以實現以提升網內用戶互聯網感知為目標，滿足管道業務發展需要；以提升運營商自營業務體驗為目標，滿足自營業務發展需要。除此之外，CDN還可以成為拓展IDC營收能力的重要增值業務，為客戶提供分發加速服務。再往后，隨著技術的成熟，CDN可結合SDN技術進行更精確有效的用戶訪問調度和流量管理，實現其承載路徑的優化，進一步提升內容分發的質量。總之，現階段做好Cache與CDN的融合非常重要。

圖4　CDN服務節點下沉思路

Technical features and integration ideas of CDN and Cache

SONG Bing

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Anhui Branch, Hefei 230041, China)

AbstractCombined with the present stage based on demand, this paper focuses on the analysis of technical characteristics, CDN and Cache dispersion construction mode existing problems, and puts forward the integration of CDN and Cache.

KeywordsCache; CDN; scheduling

收稿日期：2014-08-20

文章編號1008-5599（2015）01-0073-05

文獻標識碼A

中圖分類號TN915