省级电信运营商Cache系统建设方案探讨

冯小芳

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京 210006）

1 概述

Cache是将用户访问或下载的热点内容在存储设备中保存一个副本，当内容再次被用户访问或下载时，不必连接到源站，而是由Cache中保留的副本直接提供服务，以达到加速访问或下载，降低骨干网络带宽或运营商网间带宽占用的目的。一般Cache分为Web Cache和P2P Cache。

随着各运营商LTE网络建设，提升用户体验成为争抢4G用户的关键举措之一。某南方省电信公司在4G信号相近的情况下，使用同一款手机对移动和电信4G进行对比性测试，移动公司在微软/苹果官网/亚马逊等国外网站、安卓APP下载、苹果APP下载以及苹果AppStore首页加载速度等方面的用户体验均优于电信。另一方面，虽然电信网内重要IDC应用已基本引入，但目前大多数省份70%以上的IDC流量均调度到外省，而省际骨干网络扩容建设进度明显滞后，导致骨干链路拥塞，影响用户体验。

国际上各监管机构、运营商、互联网企业和用户本身对业务体验的关注度不断提升，通过建立测速网站与应用、委托第三方等手段测量宽带服务的实际性能。我国宽带发展联盟定期发布的《中国宽带速率状况报告》表明用户体验速率与电信运营商签约速率存在差异，主要报告指标有可用下载速率（体验）、首屏呈现时间（体验）、视频下载速率（体验）等。

缩短为用户服务的距离，成为运营商提升用户体验的重要手段。通过建设Cache系统，可以靠近用户提供服务，降低对端到端网络质量的依赖性，较好的解决电信运营商在业务发展中面临的上述问题。本文分析比较了Cache系统的三种用户引导模式，结合电信运营商的网络部署现状，探讨了省级Cache系统的网络部署方案以及运营思路等，对电信运营商Cache系统的建设具有重要的借鉴意义。

2 用户引导模式

目前Cache系统的用户引导模式主要有3种：分光/DPI（深度分组检测）方式、LDNS ForWard（DNS转发）方式和PBR（策略路由）方式，简要描述如下。

2.1 分光/DPI方式

通过在数据链路上部署分光设备及DPI设备，将用户访问数据进行解析处理，过滤出DNS解析协议、HTTP GET协议及P2P协议等，与Cache系统配置的域名白名单进行匹配，如满足一致性条件，则向用户返回重定向响应消息，后续由Cache系统为用户提供服务。过滤功能可选由DPI系统或Cache系统承担。

2.2 LDNS ForWard方式

在运营商LDNS中配置站点域名白名单，LDNS系统将匹配白名单的请求发送到Cache系统，Cache系统通过“302重定向”返回Cache平台的IP地址，后续由Cache系统为用户提供服务。

2.3 PBR方式

通过在核心路由器上开启PBR功能，将满足条件的用户流量通过路由转发至Cache系统，判断依据可以是端口号、目标地址、源地址等，后续相关的上行、下行流量均经由Cache系统进行处理，无需向终端侧发送重定向报文。

3种用户引导模式各有其应用场景，对比如表1所示。

3 电信运营商网络现状

3.1 固网DPI

固网DPI设备从部署位置上可分为省出口路由器上行链路、城域网出口路由器上行至省出口路由器链路、城域网内部链路。DPI设备通常采用上行单向、并接的部署方式。

为了利用较少的DPI设备资源实现HTTP全流量的采集和分析，目前主要采用通过省/城域网CR设备的策略路由或端口镜像的方式，将HTTP流量牵引或者镜像到指定的链路/端口，实现集中的DPI采集和分析。

部分省分公司固网DPI设备在实现HTTP全流量的采集和分析功能的基础上，将基于UDP/TCP 53端口的DNS域名解析消息也通过策略路由方式进行汇聚，可同时满足Cache系统DNS重定向、HTTP重定向和P2P重定向的用户引导需求。

表1 用户引导模式对比表

3.2 移动网DPI

移动网DPI部署在PDSN（分组业务数据节点）、P-GW（PDN网关）至核心路由器的上行链路，通过分光方式实现移动网全数据流量的采集和分析，一般随上行带宽扩容同步扩容。

3.3 LDNS系统

各省电信采用全省集中式部署DNS系统，免费为用户提供公共解析服务，同时满足固定宽带用户及移动宽带用户的域名解析需求，一般部署在骨干网核心节点。

4 省级Cache系统建设方案

4.1 建设原则

在Cache系统设计的过程中，主要遵循以下原则：

（1）先进性原则：整体方案符合业界技术的发展趋势，是业界公认的领先解决方案。

（2）高可靠性原则：系统宕机情况下，基本不影响现网用户感知。

（3）可扩展性原则：随着CP/SP不断的变化，灵活调整缓存策略；易于跟随用户数量的增长对缓存系统进行平滑、在线扩容。

（4）可管理性原则：系统操作方便，具有充分的权限管理、日志管理、故障管理，并能够实现故障自动报警。

（5）经济性原则：能以较低的成本、较少的人员投入来维持系统运转，提供高效能与高效益。

（6）绿色节能原则：系统设计满足环保与节能的要求，低噪声、低功耗、无污染。

4.2 总体部署方案

4.2.1 用户引导模式选择

对于Cache系统用户引导模式的选择，从技术方案适用性及运营维护等方面考虑如下：

（1）分光/DPI方案：现网固定网和移动网均已部署DPI系统，可满足Cache系统重定向需求，但DPI方式拦截效率较低，逐包检测和匹配造成系统开销增大。

（2）LDNS ForWard方案：这种方案配置简单，对LDNS升级改造量小，同时支持固定和移动用户接入，可针对所有用户实现策略统一更新，便于维护，适合开展后向运营；在DNS系统支持携带用户IP地址的前提下，可以针对前向特定用户进行加速，实现前向运营。

（3）PBR方案：加速效果较好，但在Cache系统宕机时存在一定的安全风险。由于固网流量很大，不适用PBR方案；移动网目前流量虽小，但随着4G流量爆发性增长后，这种方案所带来的风险也更大。

因此，本文推荐采用LDNS ForWard方案实现带有域名的小文件和大文件进行加速，基本能满足现网大部分的流量加速需求；对于以IP地址标识的对象以及P2P加速，由于在下载过程前没有DNS解析流程，故无法通过DNS重定向模式进行处理，可使用DPI方案进行适度补充。

4.2.2 合建与分建方式的选择

针对电信移动网和固网两张网络，Cache系统可采取合建方案与分建方案，分别描述如下：

（1）合建方案：Cache系统同时为移动用户和固定用户提供服务，全网统一规划内容源的引入策略，避免重复引入；通过统一调度平台实现移动用户和固定用户的智能调度，有利于提升系统的整体资源利用率。

（2）分建方案：移动网和固网分别建设Cache系统，为各自用户提供服务。这种方案将出现相同内容重复存储，导致投资加大；且两个系统互相独立，不利于实现整体效益最大化。

因此，本文推荐采用合建方式。

4.3 Cache系统规划方案

Cache系统由统一管理平台、统一调度平台及服务节点组成。统一管理平台实现缓存策略的配置与下发、缓存内容的分发管理、系统的运营与管理等；统一调度平台根据用户IP、缓存服务器的位置及负载情况进行统一调度，分配最靠近用户且性能最好的Cache节点响应用户请求；服务节点靠近用户提供加速服务，代理用户去源站获取内容并缓存热点内容。

服务节点可由两级节点组成，一级缓存节点负责缓存次热点内容与集中回源，不直接面向用户提供服务；二级缓存节点侧重热点内容缓存，响应用户请求，并为用户提供直接的服务。

考虑到成本因素及盈利模式的不确定性，初期可全省集中部署一级和二级缓存节点合设的Cache节点，通过骨干网节点或某城域网CR接入大网。用户访问已缓存的国际内容及省际内容时，不再经过省际骨干网络，有比较好的加速效果。

后期根据业务发展，可逐步过渡到两级架构，初期建设的Cache节点演变为一级节点，同时在移动核心网出口、城域网CR或业务控制层节点新建二级节点。此时用户访问互联网内容的距离进一步缩短，端到端速率保障和用户体验进一步提升。

省级Cache系统的目标架构如图1所示。

根据多厂家测试结果，本文建议苹果AppStore专用缓存系统与通用缓存系统分开建设。其中，苹果AppStore专用缓存系统解决苹果AppStore的加速，而通用缓存系统主要解决网站、安卓类电子市场和视频加速。

此外，由于小文件（如Web页面、小图片、小游戏等）具有高并发、高IO读写与海量文件存储等特点，建议小文件与大文件缓存服务器分开部署，小文件服务器可采用性能更高的固态硬盘，大文件服务器可采用性能较低的SATA硬盘，也可利旧现网部分闲置的IPTV CDN节点资源。

图1 省级Cache系统目标架构图

4.4 运营方面的考虑

4.4.1 Cache系统的定位

Cache系统初期定位于提升客户体验，重点聚焦于与竞争对手相比用户体验较差的应用，如App电子市场和国际网站；后期逐步拓展到技术要求较高的应用，并实现基于非缓存技术的加速，如视频加速、TCP优化和图片压缩等，并探讨前向、后向运营模式，提升系统收益。

4.4.2 厂家的选择

互联网源站的相关内容及规则、运营商的缓存加速策略等都是不断更新变化的，Cache系统须进行相应的迭代开发，因此在厂家的选择上，除关注各厂家设备的加速性能外，还需重点关注厂家的研发实力、产品运营能力以及长期驻地支撑、快速响应等服务能力。

4.4.3 与IDC业务协同发展

Cache系统应支持与IDC业务的协同发展，不能形成业务收入的互相博弈。对于已引入本省电信的IDC资源，Cache系统可配置黑名单不进行缓存，以免影响IDC的业务收入；对于已引入外省电信的IDC资源，可结合本地用户体验适当进行缓存，避免省际链路拥塞导致用户体验下降。同时加强与重要ICP建立战略合作机制，本地引入内容源，提供智能管道差异化保障产品，共同提升用户体验。

对于IDC机房资源紧张的情况，可与客户进行协商，通过在端局（大量PSTN设备退网后，机房腾出较多的配套资源）部署Cache系统，与IDC流量进行合并结算。

5 结束语

电信运营商部署Cache系统已成为提升用户体验、降低网间结算费用、减少基础网络建设投资的有效手段。本文分析比较了Cache系统的3种用户引导模式，结合电信运营商的网络部署现状，探讨了Cache系统的网络部署方案以及运营思路等，对省级电信运营商Cache系统的建设具有重要的借鉴意义。后续电信运营商还应进一步探讨适当的前后后向运营模式，对Cache系统的运营支撑能力进行一定的定制化开发，让平台产生更大的直接经济效益。