Cache在移动互联网的应用与分析

吴修权，钟其柱，罗耀满

（中国移动通信集团广东有限公司中山分公司，中山 528400）

1 引言

4G LTE网络正式商用后，移动数据业务逐步摆脱了过去2G/3G时代下载速率低的瓶颈限制，迎来了爆发式的增长。移动互联网业务的发展为移动网带来了无尽的应用空间，促进了移动网络宽带化的深入发展。宽带化、个性化以及内容海量化已经成为移动数据网发展的主旋律。流媒体、P2P等网络新技术的应用普及和在线视频业务的大发展[1]，在带来网络流量激增的同时，也给网络运营者、管理者带来了很大的影响。目前移动互联网业务可分为视频、浏览下载、即时通信、游戏等21个大类，24 000多个小类业务，如视频业务包含腾讯视频、3G影院、搜狐视频等501个小类业务。海量内容的可靠传输与高服务质量保证和移动网络基础设施所能提供存储和传输能力之间的矛盾成为提升移动网数据业务质量的严重瓶颈之一。

终端用户使用数据业务时一个重要的评估指标就是数据下载速率，它直接关系到网页是否能够快速打开、网络视频流畅播放与否、网络会话消息是否能够解释发送和接收等。目前移动互联网的优化措施主要有新建IDC机房、新建CDN机房、核心网优化及引入Cache高速缓存系统。从目前的实际情况来看，由于Cache高速缓存信息同时解决了移动互联网业务网外资源向网内资源的转移以及业务传输路径的缩短（网外变网内）两个问题，从而有效的提升业务下载速率，是目前最为有效的优化措施之一。它借用内容中心网络CCN的一些网内缓存策略的应用[2，3]，可以根据业务访问热度和流行度，将部分内容资源进行缓存加速，对移动互联网业务内容进行差异化、个性化的配置和管理，在提升终端用户业务使用体验的同时，在一定程度上也节省了运营商网外出口带宽。

2 移动互联网业务

2.1 网络拓扑

移动4G通信网，网络拓扑结构主要分为无线网、传输网、核心网和互联网几部分。无线网主要负责电话终端的信号接入，核心网负责业务内容的交换及信令控制，互联网提供终端访问的业务内容如视频、新闻、歌曲等，而传输网是用做传送通道的网络，用来提供信号传送和转换的网络。移动通信网的主要业务节点包括智能终端UE、无线基站eNode B、业务网关SAE-GW、分组数据网关PWG、和内容服务商SP以及传输链路中的路由器、网关防火墙等，参考图1所示。

2.2 业务原理

与传统互联网通过网线接入Internet不同，移动互联网主要通过电信网络采用无线方式接入。移动互联网的接入终端也从传统的PC机转变为智能手机UE。但其接入及业务收发协议，与传统互联网并无不同，均采用TCP/IP、HTTP等协议[4]。

智能终端UE通过三次握手完成TCP连接建立后，向SP内容服务端发起业务申请，SP收到业务请求并相应确认后，准备对应的内容资源，通过建立好的TCP链路将其传送至智能终端，如图1所示。

从图1可以看出，一次业务请求中SP内容服务端的响应数据分组有多个，终端只有完全接收所有数据分组并正确解码后才能实现最终的业务展现如视频播放、网页打开等。数据分组从SP内容幅度发出到最终被智能终端接收需要经过多个传输环节和设备，整个传输链路上的路由质量和设备性能均能对数据分组的传输过程产生影响。按照数据分组顺序传送路由链路，可将整个传输时间大致分为T0到T12共13个阶段，各阶段含义如表1所示。

图1 移动互联网数据业务流程图

表1 端到端数据包传送阶段路由划分表

针对以上各个阶段的传输时延，运营商主要采用优化内网网元节点性能、内网传输路由及数据转发策略、提升空口无线路由链路质量等传统方法来减低数据传输时延，这些传统优化手段既受限于厂家设备制式限制、物理传输路由限制导致可落地实施的措施有限，又受限于无线空口传输质量提升工作的长期性和艰巨性，使得数据传输时延优化工作效果不太理想；同时运营商因无法控制SP服务器性能而尝试采取建设IDC机房，提供主机托管服务或者通过自建CDN的方式将Top网站内容引进内网的方式来改善热点业务的SP性能，但由于需要和目标内容提供商进行逐个沟通取得内容提供商的同意授权，协商耗时大且引进的内容不一定和本区域用户的喜好相匹配，实际效果也不太理想。此外针对智能终端性能提升工作，更是一项长期性、系统性的艰巨工作，需要从引导用户使用习惯、会同手机厂商推广高性能终端等多方面进行，实际可行性有待商榷。

3 Cache的应用与分析

3.1 Cache系统介绍

Cache是现代计算机系统不可缺少的组成部分，它是为了解决高速CPU和低速DRAM间速度匹配问题、提高系统性能的一项重要配置，通常由静态存储器SRAM构成[5]。由于它采用了与CPU同样的制作工艺，成本极高，导致其只能在重点网络、重点设备和核心部位使用，以便寻求成本与网络性能二者之间的平衡。本文所介绍的互联网高速缓存Cache系统，借鉴了计算机系统Cache的原理，解决SP内容服务商（高速CPU）和手机终端用户（低速DRAM）之间以及传输路径速率匹配问题。它包含以下几个子系统：重定向子系统、调度子系统、缓存子系统和管理子系统。

3.1.1 重定向子系统

重定向子系统，采用分析重定向技术，通过深度分析用户行为和对用户所请求的内容进行解析，得出用户行为分析结果，从而将用户的请求定向、控制在指定范围内，实现对流量、内容的管理和控制。

3.1.2 缓存子系统

缓存子系统是整个系统的重要组成部分，运用智能缓存技术，将互联网热点资源缓存到本地。用户在下载时可以优先从缓存子系统里获取想要的资源。缓存子系统最大限度地节约了网外访问和下载业务量，极大地减少了网络之间的信令损耗和数据的传输时延。

3.1.3 调度子系统

调度子系统运用负载均衡、缓存记录搜索、热点内容管理调度等技术，是缓存子系统的调度控制中心。

3.1.4 管理子系统

通过设置各种参数，提供多种管理策略，保证系统工作，同时可以对运行状态和各种数据进行监控，提供报表分析、性能监控、配置管理等模块功能。

3.2 Cache原理

以一次下载请求为例，终端用户发起Get请求，重定向子系统监听到该请求报文达到缓存基本条件并查询调度子系统，如该请求满足下载标准，发送重定向报文给内网用户，并通知缓存子系统响应的缓存设备准备为该用户提供服务。内网用户接到重定向信息后会连接缓存子系统进行资源请求。当缓存子系统上有该资源时则直接对用户提供下载服务；若没有则缓存子系统将代理用户去外网下载，同时也向该用户提供服务，数据下载流程如图2所示。

3.3 Cache应用

互联网高速缓存系统Cache，布放在EPC网络之后、本地通信网防火墙之前，采用分光或者镜像方式进行旁路部署，如图3所示。

通过将流量大、访问频繁的内容缓存在内网本地系统，可有效缩短T1/11阶段传输路由长度和T0/12阶段时延（SP内容从网外转换至网内），从而降低网外业务访问和数据下载量，缩短热点业务下载时延，有效提高数据下载速率，提升本地网内用户上网体验。互联网高速缓存技术都属于被动缓存，只有在内网用户发出请求连接并达到一定条件后才进行相应资源的下载缓存，下载内容完全取决于内网用户的请求。

图2 数据下载流程

图3 Cahce部署示意图

3.4 效果

某市核心网根据组网拓扑结构，将现有核心网网元根据业务承载及设备容量性能，借鉴局域网概念将分为不同的LAN组，以实现LAN内资源的共享。鉴于该市移动互联网业务的快速增长及业务保障需要，及时启动对了互联网高速缓存系统Cache的建设。2016年12月21日，该市核心网对LAN8引入Cache资源。Cache功能启用后，LAN8的视频速率由之前的5.24 Mbit/s迅速提升至7.06 Mbit/s（均为20日前后的7天均值），速率提升1.82 Mbit/s，涨幅约34.7%。而同时期LAN9和LAN10的视频速率基本无变化，如图4所示。

同样LAN8引入Cache资源设备后，该设备可以对错误码进行重定向，将HTTP状态码大于400的错误码重定向至400以下，从承载业务的不同LAN的视频响应成功率来看，LAN8视频响应成功率由95.24%提升至97.43%，成功率提升2.19个百分点。而同期LAN9和LAN10的视频响应成功率基本无变化，如图5所示。

4 总结

Cache高速缓存系统通过旁路方式布放在本地通信网的防火墙附近，缓存下载热点业务内容，将其业务资源从网外转移到网内，在实现目标业务资源位置转移的同时，也缩短了热点业务传输路径的长度，对移动通信网数据业务下载速率的改善和优化有着直接的显著作用，其重定向功能对业务访问成功率指标也有较好的改善效果。从实际应用来看，下载速率约有35%的改善，业务访问成功率约有2.3%的提升（与成功率本身较高有关，普遍大于90%）。为目前移动运营商改善互联网业务质量最为有效的手段之一。但Cache高速缓存系统的应用也存在着一些限制，如资源缓存下载条件设置及缓存下载文件保存替换条件。这些条件的设置直接影响到资源缓存内容的准确度和缓存系统容量配置的大小。同时由于Cache资源的引入，致使部分网外访问和下载业务转接至网内，可能对SP服务商的业务推广产生一定影响，需要我们在以后的实际工作中进一步分析和优化，寻找二者之间的平衡。

图4 2016年12月21日前后视频速率7天均值

图5 2016年12月21日前后视频响应成功率均值

[1] 艾师伟，周优. 在线视频网站的现状与发展趋势[J]. 全媒体时代，2014(01):65-67.

[2] 崔现东. 内容中心网络网内缓存策略研究[M]. 北京邮电大学，2014,5.

[3] 董美娇. 基于流行度预测的内容中心网络缓存技术研究[M]，北京邮电大学，2015,3.

[4] 陈龙. 中国移动应对互联网发展新挑战的策略研究[M]. 湖南师范大学，2014,6.

[5] 林柏全. Cache性能和优化的研究[J]，海峡科学，2002(6).