LTE移动网络CDN关键技术研究

陈学亮，陈 戈，庄一嵘，海锦霞

（中国电信股份有限公司广州研究院 广州510630）

1 引言

工业和信息化部于2013年底发放了4G LTE移动网络牌照，中国电信等运营商已开展LTE 网络建设，国内的LTE 移动网络将迎来迅猛发展。按照国家制定的“宽带中国”战略，到2020年，中国3G/4G 用户总数将达12 亿，国内的LTE 用户将呈现出爆发式增长态势。随着LTE 网络大规模部署和应用，未来基于HTTP的大流量、高带宽业务（如移动视频、文件下载、APP 更新等）占比将不断增加，对LTE 移动网络形成了巨大的流量压力，LTE 网络流量发展趋势如图1 所示，视频贡献了50%的MBB 网络流量，全球移动视频流量复合年均增长率超过75%。

CDN（Content Delivery Network，内容分发网络）是一种新型的网络构建方式，通常采用中心、区域、边缘多级架构，在不同的网络位置部署多个节点，主动将热点视频、音频、图文等内容推送到各级节点，或者根据用户访问热度自动将热门内容进行本地缓存，并可根据IP 地址、网络流量、节点负载、响应时间等综合信息进行优化调度。目前，CDN 技术已在固网中广泛应用，包括IPTV、PC 视讯、移动流媒体、网页加速、文件下载等业务。

CDN 使用户可以就近获取所需的内容，减轻了骨干网络的带宽压力，优化了网络流量，并且CDN缩短了用户的访问距离，可以大幅度提高用户访问的响应速度，能够有效地保证用户体验和服务质量。针对LTE 移动网络进行CDN 关键技术研究，能进一步提升LTE 移动网络使用效率，增强移动用户的业务体验，应对LTE 网络中的流量冲击。

图1 LTE 网络流量发展趋势

2 LTE 移动网络CDN 关键技术

2.1 CDN 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；

图2 CDN 节点下沉至核心网和基站侧示意

图3 CDN 透明缓存设备业务流程

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；

2.2 DNS 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。

图4 DNS 解析流程

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80 ms，8 次DNS解析可节约0.64 s，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。

2.3 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。

2.4 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1 080P 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HTTP Progressive Download 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10 s 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（HTTP Live Streaming）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10 Mbit/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。

2.5 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，流程示意如图5 所示。

3 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。

图5 流量话单同步示意图

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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