LTE移动网络中的CDN关键技术研究的论文

2021-04-17 论文

　　1LTE移动网络CDN关键技术

　　1.1CDN节点下沉

　　传统的CDN网络边缘节点通常部署于城域网内，对移动用户而言，中间需要经过基站、核心网等多个网络设备，物理路径较长，容易影响用户体验，因此将CDN节点下沉至核心网/基站侧，可以很好地缩短用户访问路径，提高响应速度。在核心网、基站侧部署CDN节点的组网架构如图2所示。由于运营商基站数量较多，为节约建设成本，减少维护工作量，建议选择用户数量较多、容量较大的基站部署CDN节点，部署方式为“分光+透明缓存”方式。将透明缓存设备（如刀片插板）集成到基站设备中，通过端口镜像方式或DPI分光设备将用户流量引导至透明缓存设备，由透明缓存设备根据用户访问热度，自动缓存热点内容。当用户请求热点内容时，直接由透明缓存设备发送内容给用户；当用户请求非热点内容时，则由用户访问源网站获得内容。CDN透明缓存设备工作原理如图3所示。CDN透明缓存设备业务流程如下。①用户发送HTTP请求，访问内容A，经过DPI设备；②DPI设备对HTTP进行分析，将结果发送给CDN节点进行匹配；③CDN节点搜索本地是否已缓存内容A（由于内容A热度不够，并未缓存）；④CDN将“未缓存”结果返回给DPI设备；⑤DPI设备通知用户继续访问源网站；⑥用户直接连接到源网站，请求内容A；⑦源网站返回内容A；⑧CDN节点统计内容A的访问热度，达到一定阈值时，向源网站请求内容A；⑨CDN将获取到的内容A缓存到本地；⑩当有其他用户再次访问该内容时，重复第①~③步，由于CDN已透明缓存该内容，在第④步返回给DPI设备的结果是“已缓存”，因此用户直接向CDN节点获取内容A；輯訛輥CDN节点返回内容A给用户。

　　1.2DNS缓存加速

　　用户在访问网页、视频、音频、图片等内容时，请求的URL通常是域名而非IP地址，例如http://www.taobao.com/XXXX…，需要通过本地DNS进行解析。在2G/3G移动网络中，DNS服务器通常部署于城域网内，每次DNS解析请求都要通过基站、核心网，因路径较长而造成DNS时延较大，如图4所示。在LTE网络中，随着CDN节点下沉到核心网或者基站侧，可在CDN节点中增加DNS缓存系统，对移动用户访问流量中的DNS协议进行监听。为保证DNS解析性能和可靠性，可设定一定的阈值，当本地DNS服务器运行正常时（例如响应时间低于阈值，解析成功率高于阈值），仍由本地DNS服务器进行解析；当本地DNS服务器运行异常时（例如响应时间高于阈值，解析成功率低于阈值），则由CDN节点的DNS缓存系统进行解析。CDN的DNS缓存系统需要定期与本地DNS服务器进行同步，更新域名和IP地址的映射关系。以图4为例估算，采用CDN的DNS缓存系统加速后，每次DNS解析均可节约80ms，8次DNS解析可节约0.64s，总体解析时间约为原先的2/3，可以有效地降低DNS解析时间，提升用户访问速度，优化服务质量和业务体验。

　　1.3内容源优化及终端适配

　　目前移动用户使用的终端通常为基于苹果iOS、谷歌Android等操作系统的智能手机，和电脑相比，具有屏幕尺寸小、分辨率低、CPU频率低、内存小、存储容量小等特点，而互联网的海量内容大部分都是为电脑访问设计的，并没有针对移动终端进行优化。因此，在LTE移动网络中，由CDN节点对内容源进行优化缓存，并且在移动终端中通过客户端或者插件进行适配，能够根据用户终端的情况，动态优化内容呈现方式，降低用户终端和基站、核心网间的数据流量，释放更多的空口资源。在CDN节点内部署内容优化模块或系统，该系统可配置白名单对用户经常访问的热门网站进行预处理优化和缓存，例如，针对网页、图片等元素生成多种屏幕大小和分辨率的备份内容。移动终端在请求内容时，可在URL里附加屏幕大小、分辨率、网络质量等参数，由CDN节点的内容优化系统进行分析并返回合适的备份内容。具体优化方法如下。跟踪系统调用发现哪些帧在处理上耗时较长，通过优化页面布局等，提升客户端页面渲染性能，减少客户端处理时间。减小接口数据返回，通过减少首页数据返回，以分页获取后续数据的方式进行优化，从而减小数据传输时间。针对部分功能项，如排行和分类列表等页面图片采用延迟加载。由于一屏只能展示4~5条数据，所以可以采用图片延迟加载，第一屏只下载要展示的相关数据图片，网络传输的数据大小将大为减小，后续图片在滚动页面时再进行加载。压缩列表页图标大小，在不影响用户的视觉体验下，通过对图标进行压缩优化，使图片大小减少。增加请求压缩，针对自升级等携带大请求数据的接口请求进行压缩处理，一方面可以节省用户流量，另一方面加快了客户端的响应速度。

　　1.4视频智能优化

　　根据互联网权威机构的分析，视频内容在4G时代将成为主流应用，其流量将超过Web浏览，在2017年将占据60%以上的流量，因此，针对视频内容进行智能优化对LTE移动网络有着重要的意义。优化方法包括以下内容。

　　（1）视频转码技术，与终端智能适配CDN节点将热门的视频内容转换为多种封装格式、编码格式和分辨率的视频文件，例如，将FLV转换为MP4、TS等封装格式，将MPEG2转换为H.264编码格式，将1080P转换为720P、D5等分辨率等，结合2.3节中提到的终端适配技术，当终端请求内容时携带相关参数，由CDN节点进行分析并返回适配的视频内容。

　　（2）视频动态缓冲，感知网络变化目前移动视频内容主要是基于HTTP，而且大部分采用的是HTTPProgressiveDownload方式，即渐进式边下载边播放方式，客户端会按照可用的最大速率请求下载视频内容直至完成。然而根据统计，有相当比例的用户只会观看视频的一部分，持续下载会占用空口资源。因此，在CDN节点中可采取视频动态缓冲技术，根据移动网络的.变化情况动态调节，例如当网络繁忙时，控制用户下载速率，保证用户有10s以上的缓冲时间即可；当网络空闲时，让用户下载速率最大化，快速下载剩余的视频内容，尽快释放空口资源。

　　（3）HLS视频内容优化目前，移动视频内容部分采用了苹果公司的HLS（HTTPLiveStreaming）技术，即每个视频内容存在多种码率的副本，由客户端根据网络带宽情况动态选择相应的副本。视频内容的码率若是高清或者超高清可以达到10Mbit/s以上。对于LTE移动网络而言，一方面容易造成用户带宽过高占用空口资源，另一方面手机屏幕较小难以体现超高清视频优势，因此可以在CDN节点中对存储的HLS视频内容进行优化，分析HLS视频内容的M3U8索引文件，删除其中不适用的码率信息以及对应的副本文件。对HLS视频内容进行精简，可以优化用户带宽和空口占用率，并且节省了CDN节点宝贵的存储空间。

　　1.5计费系统改造

　　在2G/3G/4G移动网络中，计费系统通常部署于核心网，如果将CDN节点下沉至核心网，不会影响计费系统统计用户实际消耗的流量，但是如果将CDN节点下沉至基站，则用户的实际流量中有一部分是由基站的CDN节点缓存提供，未经过核心网计费系统，会造成运营商的直接经济损失。因此，需要对计费系统进行改造，满足CDN节点下沉到基站的需要。由于计费系统实现较为复杂，若将计费系统也下沉到基站，首先技术难度较大，其次建设和运营维护成本较高，可通过在基站CDN节点中部署子系统，统计用户的流量使用情况，并定期以话单格式上传至核心网计费系统实现同步。

　　2结束语

　　随着LTE移动网络的大规模建设和部署，由于LTE网络高带宽的特点，未来将出现大量大流量、高带宽的业务。对运营商而言，频繁扩容LTE网络会消耗巨额的建设资金和运营维护成本，性价比不高，基于已有的LTE网络进行流量优化，一方面可以提高LTE网络使用效率，节约扩容资金；另一方面可以提升服务质量，增强用户体验。本文对LTE移动网络中的CDN关键技术进行了深入研究，提出了将CDN节点下沉至核心网/基站侧，对DNS解析进行缓存加速，对内容源进行优化并和终端智能适配，对视频内容进行智能优化，通过话单同步实现计费系统改造等关键技术，能够有效降低LTE骨干网和核心网的流量压力，提高空口资源利用率，缩短用户请求的响应时间，改善用户的4G业务感知。本文介绍的方法对LTE移动网络改动较小，以较小的建设和改造成本带来较大的经济效益，具有良好的实用性，可为中国电信等运营商建设和部署LTE移动网络提供参考依据。

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