張 勍，肖衛(wèi)東，盛 煜，馮 毅（.中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京00048；.國(guó)防大學(xué)聯(lián)合勤務(wù)學(xué)院，北京00858）

0 引言

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)從3G演進(jìn)到4G再到即將到來(lái)的5G［1-2］，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載能力呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，與此同時(shí)，智能終端無(wú)論是顯示能力還是計(jì)算能力也都保持著跳躍式的發(fā)展，因此移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)入了快速發(fā)展期，多樣化的業(yè)務(wù)尤其是大帶寬數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層出不窮，而移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)又對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，不只是更大的帶寬，還有更低的業(yè)務(wù)時(shí)延。傳統(tǒng)的CDN系統(tǒng)［3-6］起源于以固網(wǎng)為承載網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)需求，利用分布式的節(jié)點(diǎn)將集中化的業(yè)務(wù)內(nèi)容分散在更靠近用戶的位置，一方面降低用戶訪問(wèn)業(yè)務(wù)的時(shí)延，另一方面降低對(duì)業(yè)務(wù)源服務(wù)器的訪問(wèn)帶寬需求。傳統(tǒng)CDN技術(shù)中，為了降低移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的訪問(wèn)時(shí)延，下沉至最靠近用戶的位置即核心網(wǎng)P-GW位置，然而該位置并不能滿足業(yè)務(wù)時(shí)延需求，因此將CDN節(jié)點(diǎn)下沉至移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣，即下沉到移動(dòng)接入網(wǎng)內(nèi)部將成為必然。本文在分析了傳統(tǒng)CDN系統(tǒng)組成后，詳細(xì)介紹了移動(dòng)接入網(wǎng)中CDN下沉系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)而給出了2種CDN下沉系統(tǒng)部署方案，最后分析了移動(dòng)接入網(wǎng)中CDN下沉技術(shù)的具體應(yīng)用場(chǎng)景。

圖1 CDN下沉系統(tǒng)架構(gòu)

1 傳統(tǒng)CDN系統(tǒng)組成

CDN系統(tǒng)［7-10］是在用戶和業(yè)務(wù)服務(wù)器之間增加高速緩存，通過(guò)DNS引流的方式牽引用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，使用戶直接向距離用戶更近的高速緩存請(qǐng)求數(shù)據(jù)，從而減少業(yè)務(wù)響應(yīng)的延時(shí)，并降低業(yè)務(wù)服務(wù)器的訪問(wèn)壓力。

CDN系統(tǒng)在功能上是由存儲(chǔ)分發(fā)系統(tǒng)和負(fù)載均衡系統(tǒng)［11-12］組成。存儲(chǔ)分發(fā)系統(tǒng)主要用于響應(yīng)用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供給用戶，向源業(yè)務(wù)服務(wù)器獲取業(yè)務(wù)內(nèi)容數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)業(yè)務(wù)內(nèi)容數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)分發(fā)系統(tǒng)的基本工作單元為高速緩存設(shè)備。此外，存儲(chǔ)分發(fā)系統(tǒng)還需上報(bào)各個(gè)緩存設(shè)備的信息，如存儲(chǔ)的內(nèi)容信息、當(dāng)前的負(fù)載情況、響應(yīng)情況等，以便負(fù)載均衡系統(tǒng)能夠據(jù)此向用戶反饋?zhàn)顑?yōu)的響應(yīng)。負(fù)載均衡系統(tǒng)主要用于完成調(diào)度和響應(yīng)判斷，即判斷針對(duì)用戶的請(qǐng)求反饋何種響應(yīng)，給出用戶實(shí)際訪問(wèn)的高速緩存設(shè)備地址。負(fù)載均衡系統(tǒng)的基本工作單元即為調(diào)度器。大型CDN系統(tǒng)的負(fù)載均衡系統(tǒng)通常分為全局負(fù)載均衡和本地負(fù)載均衡2個(gè)部分，其中全局負(fù)載均衡用于針對(duì)存儲(chǔ)分發(fā)節(jié)點(diǎn)級(jí)別做出最優(yōu)判斷，判斷的主要原則是用戶就近；本地負(fù)載均衡則用于針對(duì)存儲(chǔ)分發(fā)設(shè)備級(jí)別即在節(jié)點(diǎn)內(nèi)做出最優(yōu)判斷，判斷的主要原則是節(jié)點(diǎn)的服務(wù)性能與效率。

CDN系統(tǒng)在物理上是由邊緣層和中心層組成。邊緣層部署了邊緣存儲(chǔ)分發(fā)設(shè)備和本地負(fù)載均衡設(shè)備，分布部署在物理上的網(wǎng)絡(luò)邊緣位置。中心層則部署了中心存儲(chǔ)分發(fā)設(shè)備和全局負(fù)載均衡設(shè)備，集中部署在中心，距離用戶較遠(yuǎn)。當(dāng)邊緣層未命中用戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，將向中心層的存儲(chǔ)分發(fā)設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求。

2 移動(dòng)接入網(wǎng)中的CDN下沉系統(tǒng)架構(gòu)

移動(dòng)接入網(wǎng)中的CDN下沉系統(tǒng)，是將傳統(tǒng)CDN系統(tǒng)中的邊緣層與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)融合，進(jìn)一步下移至移動(dòng)接入網(wǎng)內(nèi)部，1個(gè)或1組邊緣節(jié)點(diǎn)直接為1組基站下的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶服務(wù)，從而進(jìn)一步縮短用戶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)時(shí)延。

移動(dòng)接入網(wǎng)中的CDN下沉系統(tǒng)需要配置移動(dòng)邊緣服務(wù)器和邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)器，如圖1所示。移動(dòng)邊緣服務(wù)器實(shí)現(xiàn)DNS或IP解析功能與路由選擇功能，其中DNS或IP解析功能用于識(shí)別用戶的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，路由選擇功能用于判斷是否需要調(diào)用下沉到邊緣的CDN服務(wù)，以及將使用服務(wù)的用戶請(qǐng)求指向邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)器。移動(dòng)邊緣服務(wù)器可以單獨(dú)配置，也可與移動(dòng)邊緣計(jì)算服務(wù)器合設(shè)。邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)器主要實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，當(dāng)邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)器與外部網(wǎng)絡(luò)CDN或源業(yè)務(wù)服務(wù)器直接互通時(shí)，需在移動(dòng)邊緣服務(wù)器與邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)器之間配置防火墻，以保障移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部安全；而當(dāng)邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)器只與移動(dòng)邊緣服務(wù)器互通時(shí)，物理上邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)器可與移動(dòng)邊緣服務(wù)器合設(shè)。

3 CDN下沉系統(tǒng)部署方案

移動(dòng)接入網(wǎng)中的CDN下沉系統(tǒng)部署方案，根據(jù)移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)是否接受全局負(fù)載均衡設(shè)備的調(diào)度，分為簡(jiǎn)易部署方案和全局部署方案2種。

簡(jiǎn)易部署方案，移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)只提供最基本的CDN業(yè)務(wù)服務(wù)，只需具備與上一級(jí)CDN節(jié)點(diǎn)或源業(yè)務(wù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)互通通道，不接受全局負(fù)載均衡設(shè)備的調(diào)度，一方面由移動(dòng)邊緣服務(wù)器提供DNS包識(shí)別及域名或IP地址解析功能，并能夠完成邊緣CDN流量統(tǒng)計(jì)和計(jì)費(fèi)統(tǒng)計(jì)功能；另一方面由邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)設(shè)備提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，并能夠主動(dòng)或被動(dòng)獲取上一級(jí)CDN節(jié)點(diǎn)或業(yè)務(wù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

全局部署方案，移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)提供完整的CDN節(jié)點(diǎn)功能，在支持上述簡(jiǎn)易部署方案移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)功能的前提下，還需接受全局負(fù)載均衡設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)度。根據(jù)移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)由運(yùn)營(yíng)商部署和與CDN廠商共享部署的差異，全局負(fù)載均衡設(shè)備可由運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一的對(duì)外能力開放平臺(tái)承載，也可直接使用CDN廠商的全局負(fù)載均衡設(shè)備。

3.1 CDN下沉簡(jiǎn)易部署方案

傳統(tǒng)CDN業(yè)務(wù)訪問(wèn)流程［13-14］中，當(dāng)用戶發(fā)起業(yè)務(wù)請(qǐng)求后，通常先由本地DNS服務(wù)器或網(wǎng)站DNS服務(wù)器對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行解析，解析結(jié)果指向CDN系統(tǒng)的全局負(fù)載均衡設(shè)備，再由全局負(fù)載均衡設(shè)備選擇為用戶服務(wù)的CDN節(jié)點(diǎn)，并將地址發(fā)送給用戶，進(jìn)而用戶向CDN節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求并得到響應(yīng)數(shù)據(jù)。

在移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)易部署方案中，若商務(wù)模式上邊緣CDN的部署是與外部CDN廠商合作完成，邊緣CDN節(jié)點(diǎn)可部分按照上述傳統(tǒng)CDN業(yè)務(wù)訪問(wèn)流程中DNS解析的過(guò)程實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)本地DNS服務(wù)器向用戶反饋指向CDN系統(tǒng)的全局負(fù)載均衡設(shè)備的域名、CNAME或IP地址后，邊緣CDN節(jié)點(diǎn)識(shí)別指向全局負(fù)載均衡的標(biāo)識(shí)，確定為合作CDN廠商的全局負(fù)載均衡設(shè)備，則向用戶反饋邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)設(shè)備的IP地址。具體業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)易部署方案（CDN廠商合作）業(yè)務(wù)流程

與CDN廠商合作的簡(jiǎn)易部署方案業(yè)務(wù)流程如下。

a）用戶向?yàn)g覽器輸入域名www.abc.com，瀏覽器向本地DNS服務(wù)器發(fā)起DNS請(qǐng)求。

b）若本地DNS服務(wù)器中沒(méi)有該域名的緩存記錄，則向該網(wǎng)站的DNS服務(wù)器請(qǐng)求。

c）網(wǎng)站的DNS域名解析器設(shè)置了CNAME，指向了CDN網(wǎng)絡(luò)中的全局負(fù)載均衡器，地址為www.abc.com.cdn.com，并將解析信息發(fā)送給本地DNS服務(wù)器。

d）本地DNS域名解析服務(wù)器將該信息反饋給用戶。

e）用戶重新向DNS發(fā)起對(duì)www.abc.com.cdn.com域名的解析請(qǐng)求。

f）移動(dòng)邊緣服務(wù)器識(shí)別用戶發(fā)出的DNS請(qǐng)求后，識(shí)別并判斷該域名對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)是否由該邊緣CDN節(jié)點(diǎn)提供CDN下沉服務(wù)，若判斷結(jié)果肯定，則移動(dòng)邊緣服務(wù)器向該用戶發(fā)出DNS域名解析消息，該消息可以為1個(gè)指定的IP地址。

g）用戶向移動(dòng)邊緣服務(wù)器反饋的IP地址請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

h）邊緣CDN節(jié)點(diǎn)將存儲(chǔ)的該請(qǐng)求對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。

若商務(wù)模式上邊緣CDN的部署直接與業(yè)務(wù)源廠商合作，則邊緣CDN節(jié)點(diǎn)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化DNS解析過(guò)程，即邊緣CDN節(jié)點(diǎn)直接存儲(chǔ)支持使用邊緣CDN服務(wù)的源DNS列表，當(dāng)接收到用戶發(fā)出的初始業(yè)務(wù)請(qǐng)求后，直接判斷和反饋邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)設(shè)備的IP地址，可進(jìn)一步降低DNS解析時(shí)延。具體業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

與業(yè)務(wù)源廠商合作的簡(jiǎn)易部署方案的業(yè)務(wù)流程如下。

a）用戶向?yàn)g覽器輸入域名www.abc.com，瀏覽器就該域名發(fā)起DNS請(qǐng)求。

b）移動(dòng)邊緣服務(wù)器通過(guò)識(shí)別用戶發(fā)出的DNS請(qǐng)求，并識(shí)別域名信息，判斷該用戶及該業(yè)務(wù)是否可以享受本節(jié)點(diǎn)提供的CDN下沉服務(wù)，若判斷結(jié)果為由該邊緣CDN節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，移動(dòng)邊緣服務(wù)器向該用戶發(fā)出DNS域名解析消息，該消息可以為1個(gè)指定的IP地址。

c）用戶向移動(dòng)邊緣服務(wù)器反饋的IP地址請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

d）邊緣CDN節(jié)點(diǎn)判斷是否存儲(chǔ)了該用戶請(qǐng)求的業(yè)務(wù)內(nèi)容，若未存儲(chǔ)則向上一級(jí)CDN節(jié)點(diǎn)或業(yè)務(wù)服務(wù)器請(qǐng)求該數(shù)據(jù)。

e）邊緣CDN節(jié)點(diǎn)接受上一級(jí)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)推送的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

f）邊緣CDN節(jié)點(diǎn)將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，同時(shí)將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在邊緣CDN內(nèi)容存儲(chǔ)器中。

圖3 簡(jiǎn)易部署方案（業(yè)務(wù)源廠商合作）業(yè)務(wù)流程

圖4 全局部署方案業(yè)務(wù)流程

3.2 CDN下沉全局部署方案

簡(jiǎn)易部署方案雖然業(yè)務(wù)流程簡(jiǎn)單，部署上互通接口配置簡(jiǎn)單，但也存在只能實(shí)現(xiàn)“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”服務(wù)的弊端，即一個(gè)移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)只能固定的為一組基站服務(wù)，且移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)接入網(wǎng)外的CDN節(jié)點(diǎn)也完全割裂，不能進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。當(dāng)移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)部署的數(shù)量較少時(shí)，可以使用簡(jiǎn)易部署方案實(shí)現(xiàn)快速部署，但當(dāng)移動(dòng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)部署數(shù)量較多時(shí)，就存在整體效率不足的問(wèn)題。

全局部署方案則是將邊緣CDN節(jié)點(diǎn)融入整體的CDN體系中，接受全局負(fù)載均衡器的統(tǒng)一調(diào)度，尤其當(dāng)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)之間以及與移動(dòng)接入網(wǎng)外的CDN節(jié)點(diǎn)間負(fù)載不均衡時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的調(diào)度效率和服務(wù)效益。全局部署方案的業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

全局部署方案的業(yè)務(wù)流程如下。

a）用戶向?yàn)g覽器輸入域名www.abc.com，瀏覽器向本地DNS服務(wù)器發(fā)起DNS請(qǐng)求。

b）若本地DNS服務(wù)器中沒(méi)有該域名的緩存記錄，則向該網(wǎng)站的DNS服務(wù)器請(qǐng)求。

c）網(wǎng)站的DNS域名解析器設(shè)置了CNAME，指向了CDN網(wǎng)絡(luò)中的全局負(fù)載均衡器，地址為www.abc.com.cdn.com，并將解析信息發(fā)送給本地DNS服務(wù)器。

d）本地DNS域名解析服務(wù)器將該信息反饋給用戶。

e）用戶重新向DNS發(fā)起對(duì)www.abc.com.cdn.com域名的解析請(qǐng)求。

f）本地DNS服務(wù)器向CDN系統(tǒng)的全局負(fù)載均衡器請(qǐng)求域名解析。

g）全局負(fù)載均衡器中存儲(chǔ)了多條配置記錄，根據(jù)每個(gè)記錄指向不同的CDN節(jié)點(diǎn)，這些CDN節(jié)點(diǎn)中包括邊緣CDN節(jié)點(diǎn)，也包括位于P-GW后端的CDN節(jié)點(diǎn)，負(fù)載均衡器根據(jù)各節(jié)點(diǎn)反饋的狀態(tài)信息，判斷是否為該用戶下發(fā)指向邊緣CDN節(jié)點(diǎn)的記錄，判斷結(jié)果肯定，則將指定的CNAME域名或IP地址下發(fā)給本地DNS服務(wù)器。

h）本地DNS服務(wù)器將該域名信息或IP地址信息返回給用戶。

i）用戶向該IP地址或域名信息對(duì)應(yīng)的IP地址請(qǐng)求數(shù)據(jù)。

j）邊緣服務(wù)器識(shí)別出該IP地址指向自身的CDN下沉服務(wù)，進(jìn)而進(jìn)行邊緣CDN節(jié)點(diǎn)內(nèi)的負(fù)載均衡，選取該節(jié)點(diǎn)中最優(yōu)緩存服務(wù)器為該用戶提供服務(wù)，由于是第一次訪問(wèn)，緩存服務(wù)器并未存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，邊緣CDN節(jié)點(diǎn)根據(jù)瀏覽器提供的要訪問(wèn)的域名，通過(guò)內(nèi)部專用DNS解析得到此域名的源IP地址或上一級(jí)CDN節(jié)點(diǎn)的IP地址，再由緩存服務(wù)器向此實(shí)際IP地址提交訪問(wèn)請(qǐng)求，取得數(shù)據(jù)后邊緣CDN節(jié)點(diǎn)緩存該內(nèi)容。

k）邊緣CDN節(jié)點(diǎn)選定的緩存服務(wù)器將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)返回給用戶。

4 CDN下沉技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

移動(dòng)接入網(wǎng)中的CDN下沉技術(shù)，將CDN節(jié)點(diǎn)從移動(dòng)接入網(wǎng)外進(jìn)一步下沉至接入網(wǎng)內(nèi)，從而直接降低移動(dòng)用戶訪問(wèn)業(yè)務(wù)的時(shí)延。

在部署區(qū)域上，考慮到命中率問(wèn)題，一般盡量將邊緣CDN節(jié)點(diǎn)部署在業(yè)務(wù)熱點(diǎn)且訪問(wèn)內(nèi)容較為集中的區(qū)域，可以獲得較高的部署收益，例如校園、工業(yè)園區(qū)的宿舍區(qū)，部分寬帶入戶率低的居民區(qū)（例如城中村）等。

在業(yè)務(wù)類型上，主要服務(wù)于網(wǎng)頁(yè)、視頻、應(yīng)用和文件下載等靜態(tài)內(nèi)容，也可結(jié)合其他邊緣計(jì)算能力服務(wù)于動(dòng)態(tài)內(nèi)容?？紤]到與傳統(tǒng)CDN不同，通常一個(gè)邊緣CDN節(jié)點(diǎn)服務(wù)的用戶數(shù)更少，因此業(yè)務(wù)命中率也極大地影響了服務(wù)效率和部署效益，因此，可優(yōu)先考慮服務(wù)于熱點(diǎn)點(diǎn)播視頻、熱點(diǎn)應(yīng)用或手機(jī)系統(tǒng)安裝、更新包等內(nèi)容。

此外，邊緣CDN節(jié)點(diǎn)還可承載部分特定計(jì)算能力以進(jìn)一步降低用戶業(yè)務(wù)時(shí)延，例如可由CDN節(jié)點(diǎn)配置專用SSL加速硬件完成SSL應(yīng)用的加密和解密運(yùn)算工作，并建立認(rèn)證通道完成數(shù)據(jù)傳輸；也可由CDN節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)中flash或圖片等內(nèi)容的壓縮，進(jìn)而減少數(shù)據(jù)傳輸量，加快業(yè)務(wù)內(nèi)容傳輸速度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從介紹傳統(tǒng)CDN系統(tǒng)的功能組成和物理組成出發(fā)，提出了將CDN節(jié)點(diǎn)下沉到移動(dòng)接入網(wǎng)中的系統(tǒng)架構(gòu)，并分析了部署復(fù)雜度低的簡(jiǎn)易部署方案和邊緣CDN節(jié)點(diǎn)受全局負(fù)載均衡器調(diào)度的全局部署方案的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方案，給出了與CDN廠商合作和與業(yè)務(wù)源廠商合作2種模式下簡(jiǎn)易部署及全局部署的具體業(yè)務(wù)流程，最后給出了CDN下沉技術(shù)從部署區(qū)域和業(yè)務(wù)類型等角度出發(fā)的主要應(yīng)用場(chǎng)景。