基于校園網的網絡透明緩存系統的構建與實現

董春生

摘 要：網絡緩存技術是目前用來提高高校校園網的用戶響應速度及相關網絡性能的有效手段，本文詳細介紹了網絡緩存技術在校園網中的構建與實現,及其工作原理、性能特點,并說明了使用網絡緩存的優越性。

關鍵詞：校園網 網絡緩存 網絡結構 教育網 流量

中圖分類號：TP393.18 文獻標識碼：B 文章編號：1673-8454（2009）01-0036-03

一、概述

1.互聯網訪問存在的問題

近年來，隨著許多高校校園網網絡規模的迅速擴大，上網用戶爆炸性增加，校園網網絡帶寬及Web服務器處理能力的增長速度永遠處于巨大的壓力下，這種供需雙方的不平衡發展帶來諸多的問題，出現了骨干鏈路擁塞、服務器過載以及響應時間過長等現象。用戶普遍反映校園網網速慢，希望提高網絡訪問速度的要求越來越強烈。可以說，網絡訪問速度已經成為影響高校數字化建設的一項重要指標。

從整體上看，校園網用戶得到的響應慢是由以下幾個因素造成的：

（１）網站服務器的延時

當某個服務器收到多個并發HTTP請求時，會產生排隊延時。由于響應一個HTTP請求，往往需要多次訪問本地硬盤，所以即使是一臺負載并不大的服務器，也可能產生幾十或幾百微秒的延時。

（２）由路由器、網關、防火墻引起的延時

通常在客戶端和服務器之間的路徑上會存在多個網絡設備，如路由器、網關、防火墻等。它們對經過的IP包都要做存儲/轉發的操作，于是會引入排隊延時和處理延時。在網絡擁堵時，這些設備甚至會丟棄數據包，此時會寄希望于客戶端和服務器通過端到端的協議來恢復通信。

（３）不同通信鏈路上的數據傳輸速度

在廣域網中，從一個網絡設備到另一個網絡設備間的數據傳輸速度是決定往返時間的一個重要因素。但基本帶寬所起的作用并不像人們想象的那么重要，一項測試表明，當網站采用T3速率接入Internet時，也僅有2%的網頁或對象能以64kbps的速度提供給客戶端。這顯然表明，帶寬在網絡性能上不是最關鍵的因素。

（４）互聯網上新業務發展帶來的挑戰

隨著寬帶平臺的建設完成與互聯網的發展，互聯網上的新業務層出不窮，其中開展最好的主要有互動游戲與視頻服務。網絡游戲的運營不會對校園網絡產生太大的影響。而視頻服務作為目前校園網的主要業務之一，基于流媒體協議，具有時序性、連續性、低延時性的特點，同時在網絡上傳輸的數據量較大，校園網絡的延時往往會影響用戶的訪問質量。

2.網絡緩存解決的問題

高校校園網正以迅猛的速度發展，在全國高校中，99%以上的高校有自己的Web地址，80%以上的高校已實現了校園網，并在公用Internet上存放圖文并茂的數據。在未來的幾年里，校園網用戶數量將進一步增長。Web訪問需求不可控制的增長將導致人們為滿足帶寬需求付出巨大的努力。

Web的流量是驚人的，但其中絕大部分是冗余的，即一個位置上的多個用戶要訪問大量相同的內容，這意味著在廣域網上日復一日地傳輸大量相同的內容。消除這些大量的重復傳輸，就可以大大降低通信成本，從而為校園網管理部門和用戶節約大量的費用。Web緩存實現了Web內容的本地存儲，為校園網用戶的訪問提供了快捷的服務，而不用在廣域網上重復傳遞訪問請求和結果。

網絡緩存技術正是基于這樣一個事實：校園網用戶訪問Internet的數據中，有很大一部分是重復的。通過使用網絡緩存技術，可以在緩存設備中緩存用戶訪問過的對象，這樣對相同對象的訪問就無需再占用服務器處理能力或者主干的出口帶寬。同時，由于校園網用戶對服務器的請求可以由校內的緩存設備立即響應，因此可以極大地提高校園網用戶訪問的響應速度，減少互聯網延時對校園網用戶的影響。

二、用戶需求

高校校園網用戶在使用中國教育和科研計算機網（CERNET，以下簡稱教育網）的過程中，發現訪問網站頁面速度比較慢。這主要是由于教育網的出口在清華大學，校園網用戶訪問網站頁面時需要繞到清華大學出口，用戶的數據包繞經多臺網絡設備，每臺設備都需要對IP包進行排隊轉發，造成了較大的網絡延遲。為了減少IP包在網絡中的延遲時間，提高用戶打開網頁的速度，各高校校園網管理者希望通過網絡緩存系統解決目前的問題。

各高校由于沒有自身的Internet網絡出口，為了向其用戶提供上網服務，需要使用教育網的線路。教育網與其他網絡運營商之間的互聯互通會引起網絡的較大時延，直接導致用戶的訪問效果不佳，而更為重要的是：對于國際流量各高校需要按照網絡流量向教育網支付相關的費用。通過建立網絡緩存系統，能夠有效地節約各高校的國際訪問流量，降低系統運行費用，同時改善用戶的訪問效果。

1.未部署網絡緩存系統前的網絡拓撲結構

我校未部署網絡緩存系統前的網絡拓撲結構如圖1所示。

我校的校園網網絡采用雙核心結構，通過在兩個校區設置的核心交換機來承載全校的數據流量，并通過各自連接的一條千兆光纖接入教育網。核心節點之間采用雙鏈路連接，兩個核心之間互為冗余。校內各樓宇通過交換機分別連接兩個核心節點，流量在兩條鏈路上實現負載分擔和冗余。

2.緩存系統建設要求

緩存系統的建設既要符合對當前系統應用的考慮，又要面向未來數字化校園發展的需求。其建設原則主要有以下幾點：

（１）實用性和先進性

采用成熟的技術滿足當前的業務需求，采用先進的網絡技術以適應更高的數據、多媒體信息的傳輸需要，整個系統在一段時期內能保持技術的先進，并具有良好的發展潛力，以適應未來業務的發展和技術升級的需要。

（２）靈活性與可擴展性

隨著業務量的發展，能夠通過對緩存設備的擴容、分散部署，擴大網絡容量，提高網絡各層次節點的功能。緩存系統應具備支持多種通信媒體的能力，提供技術升級、設備更新的靈活性，從而適應數據業務的迅速發展。

（３）可管理性

采用智能化、可管理的緩存設備，能夠實現監控、監測整個網絡的運行狀況，合理分配網絡資源、動態配置網絡負載，可以迅速確定網絡故障等。

本期工程主要是對校內用戶進行Web加速，需要在校園網出口處布置網絡緩存（Cache）設備。Cache設備的部署采用透明代理的方式，即Cache設備對用戶是透明的，避免用戶端改動配置。考慮到用戶需求增長得很快，為了滿足今后的擴容及Cache資源的最大化利用，布置Cache設備時需要考慮到流量在多臺Cache設備間的負載均衡及靈活方便地增加Cache設備數量。

三、方案建議與實施

在當前的網絡結構中，推薦采用四層交換設備部署網絡緩存系統。該方式是在校園網的出口處外掛四層交換機。通過核心路由器和四層交換機配合完成用戶數據的重定向，四層交換機實現對Cache設備的負載均衡和健康檢測。

1.方案部署結構

部署網絡緩存系統后的網絡拓撲結構如圖2所示。

如圖2所示，在本方案中兩臺核心交換機各采用一條鏈路連接到一臺四層交換機，該四層交換機再通過以太網接口下連Cache設備。四層交換機可以布置在核心機房，通過光纖同時連接到兩臺核心交換機上。

在核心交換機上配置策略路由，將端口號是80（HTTP）、21（FTP）、554（RTSP）、1755（MMS）的數據包轉發到四層交換機上。四層交換機對Cache設備進行健康檢測，并將兩臺核心交換機轉發來的數據包在多臺Cache設備上進行負載均衡。

2.數據訪問流程

下面，我們以核心交換機1為例，說明校園網用戶進行HTTP數據訪問的具體流程：

（１）校內用戶的HTTP請求到達核心交換機1后，其按照在連接校內用戶的端口上所作的基于TCP 80端口的策略路由，將用戶請求重定向到四層交換機；

（２）四層交換機根據數據包的目的地址，把HTTP請求重定向到某臺Cache設備中；

（３）如果Cache設備中已經存儲了用戶請求的相關內容，Cache設備將直接響應用戶請求，Cache通過四層交換機與核心交換機1的互連端口將回應數據包轉發到核心交換機1，由核心交換機1將數據轉發到用戶端；

（４）如果Cache設備中沒有保存用戶所請求的內容，Cache會代替用戶向Web服務器發起HTTP請求，數據包通過四層交換機轉發到核心交換機1，再由核心交換機1發送到Web服務器上獲取相關數據，并返回到Cache設備保留備份。同時Cache利用保存的內容響應用戶的請求。

如果某臺Cache設備發生了宕機，會被四層交換機的健康檢測及時發現。宕機的Cache設備將不會再被分發數據包，四層交換機會將后繼的數據包轉發到其他可用的Cache設備上。如果所有的Cache設備都宕機了，四層交換機會把核心交換機1轉發來的用戶請求再轉發回核心交換機1，核心交換機1再把請求發送到Web服務器，由Web服務器直接響應用戶請求。這樣就避免了由于Cache設備不可用造成的用戶Web服務中斷。

另外，四層交換機還可以根據Cache設備的性能，在Cache設備間按比例分布流量，實現每臺Cache設備資源的最大化利用。對于今后的擴容，管理員可以方便地將新的Cache設備掛接到四層交換機下，稍做配置即可實現容量的擴容。

核心交換機1也有一定的健康檢測功能，可以對四層交換機進行健康檢測。若連接四層交換機的鏈路斷掉或交換機宕機，都可以被核心交換機1檢測到，并取消向四層交換機路由的重定向，數據包被直接轉發到Web服務器，從而保證了用戶可以正常上網。

核心交換機1的路由重定向可以根據TCP端口進行轉發，并能限定數據包源IP地址、目的IP地址和進出路由器方向。根據這些特性，我們在核心交換機1上只對校園網內部節點的用戶進入核心交換機1的數據包進行路由重定向（如根據源IP地址）。來自校園網外、Cache設備、其它地點和流出核心交換機1的數據包，核心交換機1不進行路由重定向，因此不會形成數據環路。

3.優化的流量

Cache設備接入到我校的校園網后，優化了帶寬的流量有以下幾種：HTTP、FTP、Streaming（RTSP、MMS）。

根據部署前后所做的對比測試，對HTTP流量，達到30%的帶寬節省效果，通過策略對一些Web對象進行優化后，最高可達40%以上的帶寬節省效果。

對FTP流量，所有匿名FTP的訪問，Cache設備都能對其進行緩存，具體節省帶寬的大小取決于當前校園網網絡中FTP流量的總量。增加Cache設備對FTP Data通道的流量進行緩存，時間稍長后，節省的帶寬將有明顯改善。

RTSP、MMS直播/點播流量在校園網呈上升趨勢，僅CCTV就有11個網上頻道有直播和點播。例如：在進行十七大網上直播的高峰時段，CCTV在我校網絡緩存設備節點上650Mbps的直播流量中，服務器端流量僅不到10Mbps；沒有直播時，該節點上點播流量達155Mbps，服務器端流量僅不到5Mbps。

RTSP、MMS流媒體流量的帶寬節省取決于實際的流量總量。但從比例上講，視頻點播（靜態流媒體文件）業務經過一段時間運行后，帶寬節省率應在該項總量的60%左右，直播業務帶寬節省率應該在該項總量的90%左右。

這里需要說明的是，PPLive/QQLive/PPStream的播放雖然基于WMS（Windows Media Services），但其采用P2P方式獲取數據，且沒有使用RTSP或MMS來建立Client與Server之間的控制通道，因此Cache設備無法對這些流量進行標準流媒體的分流（Streaming Splitting）。

四、結束語

通過網絡緩存系統的部署，有效地優化了我校校園網幾種主要業務的網絡帶寬，減少了校園網出口的流量，節省了網絡運營開銷，成功地改善了我校校園網網絡擁塞的狀況，得到了廣大校園網用戶的認可。

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