馮小芳

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210006）

1 概述

Cache是將用戶訪問或下載的熱點(diǎn)內(nèi)容在存儲設(shè)備中保存一個(gè)副本，當(dāng)內(nèi)容再次被用戶訪問或下載時(shí)，不必連接到源站，而是由Cache中保留的副本直接提供服務(wù)，以達(dá)到加速訪問或下載，降低骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬或運(yùn)營商網(wǎng)間帶寬占用的目的。一般Cache分為Web Cache和P2P Cache。

隨著各運(yùn)營商LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，提升用戶體驗(yàn)成為爭搶4G用戶的關(guān)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(jī)對移動(dòng)和電信4G進(jìn)行對比性測試，移動(dòng)公司在微軟/蘋果官網(wǎng)/亞馬遜等國外網(wǎng)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(yàn)均優(yōu)于電信。另一方面，雖然電信網(wǎng)內(nèi)重要IDC應(yīng)用已基本引入，但目前大多數(shù)省份70%以上的IDC流量均調(diào)度到外省，而省際骨干網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容建設(shè)進(jìn)度明顯滯后，導(dǎo)致骨干鏈路擁塞，影響用戶體驗(yàn)。

國際上各監(jiān)管機(jī)構(gòu)、運(yùn)營商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和用戶本身對業(yè)務(wù)體驗(yàn)的關(guān)注度不斷提升，通過建立測速網(wǎng)站與應(yīng)用、委托第三方等手段測量寬帶服務(wù)的實(shí)際性能。我國寬帶發(fā)展聯(lián)盟定期發(fā)布的《中國寬帶速率狀況報(bào)告》表明用戶體驗(yàn)速率與電信運(yùn)營商簽約速率存在差異，主要報(bào)告指標(biāo)有可用下載速率（體驗(yàn)）、首屏呈現(xiàn)時(shí)間（體驗(yàn)）、視頻下載速率（體驗(yàn)）等。

縮短為用戶服務(wù)的距離，成為運(yùn)營商提升用戶體驗(yàn)的重要手段。通過建設(shè)Cache系統(tǒng)，可以靠近用戶提供服務(wù)，降低對端到端網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的依賴性，較好的解決電信運(yùn)營商在業(yè)務(wù)發(fā)展中面臨的上述問題。本文分析比較了Cache系統(tǒng)的三種用戶引導(dǎo)模式，結(jié)合電信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)部署現(xiàn)狀，探討了省級Cache系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署方案以及運(yùn)營思路等，對電信運(yùn)營商Cache系統(tǒng)的建設(shè)具有重要的借鑒意義。

2 用戶引導(dǎo)模式

目前Cache系統(tǒng)的用戶引導(dǎo)模式主要有3種：分光/DPI（深度分組檢測）方式、LDNS ForWard（DNS轉(zhuǎn)發(fā)）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(shù)據(jù)鏈路上部署分光設(shè)備及DPI設(shè)備，將用戶訪問數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，過濾出DNS解析協(xié)議、HTTP GET協(xié)議及P2P協(xié)議等，與Cache系統(tǒng)配置的域名白名單進(jìn)行匹配，如滿足一致性條件，則向用戶返回重定向響應(yīng)消息，后續(xù)由Cache系統(tǒng)為用戶提供服務(wù)。過濾功能可選由DPI系統(tǒng)或Cache系統(tǒng)承擔(dān)。

2.2 LDNS ForWard方式

在運(yùn)營商LDNS中配置站點(diǎn)域名白名單，LDNS系統(tǒng)將匹配白名單的請求發(fā)送到Cache系統(tǒng)，Cache系統(tǒng)通過“302重定向”返回Cache平臺的IP地址，后續(xù)由Cache系統(tǒng)為用戶提供服務(wù)。

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(zhuǎn)發(fā)至Cache系統(tǒng)，判斷依據(jù)可以是端口號、目標(biāo)地址、源地址等，后續(xù)相關(guān)的上行、下行流量均經(jīng)由Cache系統(tǒng)進(jìn)行處理，無需向終端側(cè)發(fā)送重定向報(bào)文。

3種用戶引導(dǎo)模式各有其應(yīng)用場景，對比如表1所示。

3 電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

3.1 固網(wǎng)DPI

固網(wǎng)DPI設(shè)備從部署位置上可分為省出口路由器上行鏈路、城域網(wǎng)出口路由器上行至省出口路由器鏈路、城域網(wǎng)內(nèi)部鏈路。DPI設(shè)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(shè)備資源實(shí)現(xiàn)HTTP全流量的采集和分析，目前主要采用通過省/城域網(wǎng)CR設(shè)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(shí)現(xiàn)集中的DPI采集和分析。

部分省分公司固網(wǎng)DPI設(shè)備在實(shí)現(xiàn)HTTP全流量的采集和分析功能的基礎(chǔ)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(jìn)行匯聚，可同時(shí)滿足Cache系統(tǒng)DNS重定向、HTTP重定向和P2P重定向的用戶引導(dǎo)需求。

表1 用戶引導(dǎo)模式對比表

3.2 移動(dòng)網(wǎng)DPI

移動(dòng)網(wǎng)DPI部署在PDSN（分組業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)）、P-GW（PDN網(wǎng)關(guān)）至核心路由器的上行鏈路，通過分光方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)全數(shù)據(jù)流量的采集和分析，一般隨上行帶寬擴(kuò)容同步擴(kuò)容。

3.3 LDNS系統(tǒng)

各省電信采用全省集中式部署DNS系統(tǒng)，免費(fèi)為用戶提供公共解析服務(wù)，同時(shí)滿足固定寬帶用戶及移動(dòng)寬帶用戶的域名解析需求，一般部署在骨干網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)。

4 省級Cache系統(tǒng)建設(shè)方案

4.1 建設(shè)原則

在Cache系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，主要遵循以下原則：

（1）先進(jìn)性原則：整體方案符合業(yè)界技術(shù)的發(fā)展趨勢，是業(yè)界公認(rèn)的領(lǐng)先解決方案。

（2）高可靠性原則：系統(tǒng)宕機(jī)情況下，基本不影響現(xiàn)網(wǎng)用戶感知。

（3）可擴(kuò)展性原則：隨著CP/SP不斷的變化，靈活調(diào)整緩存策略；易于跟隨用戶數(shù)量的增長對緩存系統(tǒng)進(jìn)行平滑、在線擴(kuò)容。

（4）可管理性原則：系統(tǒng)操作方便，具有充分的權(quán)限管理、日志管理、故障管理，并能夠?qū)崿F(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警。

（5）經(jīng)濟(jì)性原則：能以較低的成本、較少的人員投入來維持系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，提供高效能與高效益。

（6）綠色節(jié)能原則：系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足環(huán)保與節(jié)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(dǎo)模式選擇

對于Cache系統(tǒng)用戶引導(dǎo)模式的選擇，從技術(shù)方案適用性及運(yùn)營維護(hù)等方面考慮如下：

（1）分光/DPI方案：現(xiàn)網(wǎng)固定網(wǎng)和移動(dòng)網(wǎng)均已部署DPI系統(tǒng)，可滿足Cache系統(tǒng)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(tǒng)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(shí)支持固定和移動(dòng)用戶接入，可針對所有用戶實(shí)現(xiàn)策略統(tǒng)一更新，便于維護(hù)，適合開展后向運(yùn)營；在DNS系統(tǒng)支持?jǐn)y帶用戶IP地址的前提下，可以針對前向特定用戶進(jìn)行加速，實(shí)現(xiàn)前向運(yùn)營。

（3）PBR方案：加速效果較好，但在Cache系統(tǒng)宕機(jī)時(shí)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于固網(wǎng)流量很大，不適用PBR方案；移動(dòng)網(wǎng)目前流量雖小，但隨著4G流量爆發(fā)性增長后，這種方案所帶來的風(fēng)險(xiǎn)也更大。

因此，本文推薦采用LDNS ForWard方案實(shí)現(xiàn)帶有域名的小文件和大文件進(jìn)行加速，基本能滿足現(xiàn)網(wǎng)大部分的流量加速需求；對于以IP地址標(biāo)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(jìn)行處理，可使用DPI方案進(jìn)行適度補(bǔ)充。

4.2.2 合建與分建方式的選擇

針對電信移動(dòng)網(wǎng)和固網(wǎng)兩張網(wǎng)絡(luò)，Cache系統(tǒng)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(tǒng)同時(shí)為移動(dòng)用戶和固定用戶提供服務(wù)，全網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃內(nèi)容源的引入策略，避免重復(fù)引入；通過統(tǒng)一調(diào)度平臺實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶和固定用戶的智能調(diào)度，有利于提升系統(tǒng)的整體資源利用率。

（2）分建方案：移動(dòng)網(wǎng)和固網(wǎng)分別建設(shè)Cache系統(tǒng)，為各自用戶提供服務(wù)。這種方案將出現(xiàn)相同內(nèi)容重復(fù)存儲，導(dǎo)致投資加大；且兩個(gè)系統(tǒng)互相獨(dú)立，不利于實(shí)現(xiàn)整體效益最大化。

因此，本文推薦采用合建方式。

4.3 Cache系統(tǒng)規(guī)劃方案

Cache系統(tǒng)由統(tǒng)一管理平臺、統(tǒng)一調(diào)度平臺及服務(wù)節(jié)點(diǎn)組成。統(tǒng)一管理平臺實(shí)現(xiàn)緩存策略的配置與下發(fā)、緩存內(nèi)容的分發(fā)管理、系統(tǒng)的運(yùn)營與管理等；統(tǒng)一調(diào)度平臺根據(jù)用戶IP、緩存服務(wù)器的位置及負(fù)載情況進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，分配最靠近用戶且性能最好的Cache節(jié)點(diǎn)響應(yīng)用戶請求；服務(wù)節(jié)點(diǎn)靠近用戶提供加速服務(wù)，代理用戶去源站獲取內(nèi)容并緩存熱點(diǎn)內(nèi)容。

服務(wù)節(jié)點(diǎn)可由兩級節(jié)點(diǎn)組成，一級緩存節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)緩存次熱點(diǎn)內(nèi)容與集中回源，不直接面向用戶提供服務(wù)；二級緩存節(jié)點(diǎn)側(cè)重?zé)狳c(diǎn)內(nèi)容緩存，響應(yīng)用戶請求，并為用戶提供直接的服務(wù)。

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(jié)點(diǎn)合設(shè)的Cache節(jié)點(diǎn)，通過骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)或某城域網(wǎng)CR接入大網(wǎng)。用戶訪問已緩存的國際內(nèi)容及省際內(nèi)容時(shí)，不再經(jīng)過省際骨干網(wǎng)絡(luò)，有比較好的加速效果。

后期根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展，可逐步過渡到兩級架構(gòu)，初期建設(shè)的Cache節(jié)點(diǎn)演變?yōu)橐患壒?jié)點(diǎn)，同時(shí)在移動(dòng)核心網(wǎng)出口、城域網(wǎng)CR或業(yè)務(wù)控制層節(jié)點(diǎn)新建二級節(jié)點(diǎn)。此時(shí)用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的距離進(jìn)一步縮短，端到端速率保障和用戶體驗(yàn)進(jìn)一步提升。

省級Cache系統(tǒng)的目標(biāo)架構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)多廠家測試結(jié)果，本文建議蘋果AppStore專用緩存系統(tǒng)與通用緩存系統(tǒng)分開建設(shè)。其中，蘋果AppStore專用緩存系統(tǒng)解決蘋果AppStore的加速，而通用緩存系統(tǒng)主要解決網(wǎng)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(fā)、高IO讀寫與海量文件存儲等特點(diǎn)，建議小文件與大文件緩存服務(wù)器分開部署，小文件服務(wù)器可采用性能更高的固態(tài)硬盤，大文件服務(wù)器可采用性能較低的SATA硬盤，也可利舊現(xiàn)網(wǎng)部分閑置的IPTV CDN節(jié)點(diǎn)資源。

圖1 省級Cache系統(tǒng)目標(biāo)架構(gòu)圖

4.4 運(yùn)營方面的考慮

4.4.1 Cache系統(tǒng)的定位

Cache系統(tǒng)初期定位于提升客戶體驗(yàn)，重點(diǎn)聚焦于與競爭對手相比用戶體驗(yàn)較差的應(yīng)用，如App電子市場和國際網(wǎng)站；后期逐步拓展到技術(shù)要求較高的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)基于非緩存技術(shù)的加速，如視頻加速、TCP優(yōu)化和圖片壓縮等，并探討前向、后向運(yùn)營模式，提升系統(tǒng)收益。

4.4.2 廠家的選擇

互聯(lián)網(wǎng)源站的相關(guān)內(nèi)容及規(guī)則、運(yùn)營商的緩存加速策略等都是不斷更新變化的，Cache系統(tǒng)須進(jìn)行相應(yīng)的迭代開發(fā)，因此在廠家的選擇上，除關(guān)注各廠家設(shè)備的加速性能外，還需重點(diǎn)關(guān)注廠家的研發(fā)實(shí)力、產(chǎn)品運(yùn)營能力以及長期駐地支撐、快速響應(yīng)等服務(wù)能力。

4.4.3 與IDC業(yè)務(wù)協(xié)同發(fā)展

Cache系統(tǒng)應(yīng)支持與IDC業(yè)務(wù)的協(xié)同發(fā)展，不能形成業(yè)務(wù)收入的互相博弈。對于已引入本省電信的IDC資源，Cache系統(tǒng)可配置黑名單不進(jìn)行緩存，以免影響IDC的業(yè)務(wù)收入；對于已引入外省電信的IDC資源，可結(jié)合本地用戶體驗(yàn)適當(dāng)進(jìn)行緩存，避免省際鏈路擁塞導(dǎo)致用戶體驗(yàn)下降。同時(shí)加強(qiáng)與重要ICP建立戰(zhàn)略合作機(jī)制，本地引入內(nèi)容源，提供智能管道差異化保障產(chǎn)品，共同提升用戶體驗(yàn)。

對于IDC機(jī)房資源緊張的情況，可與客戶進(jìn)行協(xié)商，通過在端局（大量PSTN設(shè)備退網(wǎng)后，機(jī)房騰出較多的配套資源）部署Cache系統(tǒng)，與IDC流量進(jìn)行合并結(jié)算。

5 結(jié)束語

電信運(yùn)營商部署Cache系統(tǒng)已成為提升用戶體驗(yàn)、降低網(wǎng)間結(jié)算費(fèi)用、減少基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資的有效手段。本文分析比較了Cache系統(tǒng)的3種用戶引導(dǎo)模式，結(jié)合電信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)部署現(xiàn)狀，探討了Cache系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)部署方案以及運(yùn)營思路等，對省級電信運(yùn)營商Cache系統(tǒng)的建設(shè)具有重要的借鑒意義。后續(xù)電信運(yùn)營商還應(yīng)進(jìn)一步探討適當(dāng)?shù)那昂蠛笙蜻\(yùn)營模式，對Cache系統(tǒng)的運(yùn)營支撐能力進(jìn)行一定的定制化開發(fā)，讓平臺產(chǎn)生更大的直接經(jīng)濟(jì)效益。