內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的研究

摘 要:隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)和寬帶流媒體應(yīng)用的興起，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(CDN)作為一種提高網(wǎng)絡(luò)傳輸內(nèi)容，特別是流媒體內(nèi)容傳輸?shù)姆?wù)質(zhì)量、節(jié)省骨干網(wǎng)絡(luò)帶寬的技術(shù)，在國內(nèi)外得到越來越廣泛的應(yīng)用。CDN是一個建立在不同區(qū)域的節(jié)點服務(wù)器組成的虛擬網(wǎng)絡(luò)，CDN可以實現(xiàn)把互聯(lián)網(wǎng)上的內(nèi)容高效、穩(wěn)定地發(fā)送到離網(wǎng)民最近的地方。這里總結(jié)介紹CDN 出現(xiàn)的原因，CDN的技術(shù)基礎(chǔ)及其分層模型，流媒體CDN的性能指標(biāo)。

關(guān)鍵詞:內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò);流媒體;負(fù)載均衡;緩存

中圖分類號:TN919文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)01-072-03

Research on Content Delivery Network

GONG Haimei，LI Taijun

(Hainan University，Haikou，570228，China)

Abstract:With the development of broadband network and broadband streaming media，CDN as a technique for improving network transport content，the quality of the streaming media content transport，and saving bandwidth of the bone network，it is being used widely.CDN is a virtual network which is consisted of node proxy of different areas.CDN can send the content of network to somewhere which near to people efficiently and stablly.The reason，the base technology，the layering models and the index of CDN are introduced.

Keywords:content delivery network;streaming media;load balancing;buffer

流媒體技術(shù)的誕生源于人們對互聯(lián)網(wǎng)上方便快捷的獲取多媒體信息的需求。流媒體的出現(xiàn)促進(jìn)了寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展，它不同于傳統(tǒng)的多媒體，它的主要特點就是運用可變帶寬技術(shù)，以“流”(Streaming)的形式進(jìn)行數(shù)字媒體的傳送，使人們在從28~1 200 Kb/s的帶寬環(huán)境下都可以在線欣賞到連續(xù)不斷的高品質(zhì)的音頻和視頻節(jié)目。在互聯(lián)網(wǎng)大發(fā)展的時代，流媒體技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展必然會給人們的日常生活和工作帶來深遠(yuǎn)的影響。有質(zhì)量保證的規(guī)模服務(wù)能力是運營寬帶流媒體業(yè)務(wù)的技術(shù)需求，而傳統(tǒng)的解決方案在技術(shù)上存在著一些缺陷，CDN(Content Delivery Network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))正是在這樣的背景下應(yīng)運而生[1]的。CDN通過構(gòu)建一個在現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上為寬帶業(yè)務(wù)支撐而優(yōu)化的中間層，解決了網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，提高了響應(yīng)速度和服務(wù)質(zhì)量，為流媒體的規(guī)模運營和服務(wù)質(zhì)量提供了質(zhì)量保證[2]。同時，CDN改善了原先寬帶運營中被扭曲的價值鏈，形成了新的、良性的寬帶網(wǎng)絡(luò)價值鏈。

1 CDN是流媒體發(fā)展的技術(shù)保證

CDN是架構(gòu)在IP基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之上的疊加網(wǎng)絡(luò)，通過將內(nèi)容發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)的邊緣，實現(xiàn)內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)的分布式就近服務(wù)，有時也稱MDN(Media Delivery Network)，即專門提供流媒體內(nèi)容發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)，其工作原理是在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點放置內(nèi)容緩存服務(wù)器，由CDN中心控制系統(tǒng)實時地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和各節(jié)點的連接、負(fù)載狀況以及到用戶的距離等信息，將用戶的請求導(dǎo)向到最佳的服務(wù)節(jié)點上。寬帶基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)(包括骨干網(wǎng)和接入網(wǎng))和寬帶應(yīng)用建設(shè)是寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展不可或缺的兩個方面，而直接面對用戶的寬帶應(yīng)用業(yè)務(wù)在其中占據(jù)主導(dǎo)地位。經(jīng)過近幾年來的實踐，寬帶應(yīng)用的種類、業(yè)務(wù)模式都得到了較為充分的探討[3]。

分析表1，并綜合國內(nèi)各地寬帶應(yīng)用開展的實際狀況，可以發(fā)現(xiàn)如下特點:

表1 主要寬帶應(yīng)用的類型與特點

應(yīng)用類型實用型形式交互性對稱帶寬

視頻會議P2P是點對點，多點對多點高需要

視頻點播hosted是點對點低不需要

視頻廣播broadcast是點對多點無不需要

網(wǎng)上直播broadcast是點對多點低不需要

音樂下載hosted否點對點無不需要

文件共享P2P否點對點無不需要

(1) 在嘗試的各種寬帶應(yīng)用中，需求旺盛的“殺手”級應(yīng)用尚未明確，因此必須有足夠的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，才能保證具備運營價值的基礎(chǔ)用戶數(shù)。

(2) 流媒體技術(shù)的視頻服務(wù)(VOD、網(wǎng)上直播、廣播等)仍然是寬帶應(yīng)用的主要業(yè)務(wù)類型。

(3) 多數(shù)應(yīng)用類型從技術(shù)特征上是點對點、點對多點的，不需要非常高的交互性，不需要對稱帶寬，因此這些基于主機(jī)或廣播類型的應(yīng)用非常適合于開展分布式邊緣服務(wù)。

(4) 包括流媒體視頻服務(wù)在內(nèi)的各種寬帶應(yīng)用都要求端到端的質(zhì)量保證，對基礎(chǔ)架構(gòu)的需求很高。因此在技術(shù)實現(xiàn)層面上存在分布性服務(wù)的需求，而這與業(yè)務(wù)運營的統(tǒng)一性需求存在一定的矛盾，需要在架構(gòu)技術(shù)體系時能夠支持“集中管理、集中運營、分布服務(wù)”。

通過以上分析，對CDN技術(shù)的研究在流媒體應(yīng)用上是有廣闊前景的。CDN技術(shù)的采用有效地提高了網(wǎng)站的連接性能和對用戶的響應(yīng)速度。根據(jù)美國一家專業(yè)從事互聯(lián)網(wǎng)性能評估的公司KeyNote System的測試結(jié)果表明，諸如Yahoo，AltaVista這樣的網(wǎng)站，雖然其訪問量非常大，但在使用CDN服務(wù)之后，其網(wǎng)站性能，尤其是在對用戶的響應(yīng)速度方面，仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他網(wǎng)站[4]。

2 CDN技術(shù)基礎(chǔ)

CDN是建立在現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之上的一種增值網(wǎng)絡(luò)，是在應(yīng)用層部署的一層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。其核心思想是將內(nèi)容從中心推到邊緣靠近用戶的地方，這樣，不但有效提高了用戶訪問內(nèi)容的性能，而且有效減輕了中心設(shè)備和骨干網(wǎng)絡(luò)的壓力[5]。通過CDN，可以將內(nèi)容服務(wù)從原來的單一中心結(jié)構(gòu)變?yōu)榉植际降慕Y(jié)構(gòu)。與目前現(xiàn)有的內(nèi)容發(fā)布模式相比較，CDN強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)容發(fā)布中的重要性。通過引入主動的內(nèi)容管理層的PULL技術(shù)和全局負(fù)載均衡，從根本上區(qū)別于傳統(tǒng)的內(nèi)容發(fā)布模式。在傳統(tǒng)的內(nèi)容發(fā)布模式中，內(nèi)容的發(fā)布由ICP(Internet Content Provider，互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容提供商)的應(yīng)用服務(wù)器完成，而網(wǎng)絡(luò)只表現(xiàn)為一個透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，這種透明性表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量保證僅僅停留在數(shù)據(jù)包的層面，而不能根據(jù)內(nèi)容對象的不同區(qū)分服務(wù)質(zhì)量。此外，由于IP網(wǎng)的“盡力而為”的特性使得其質(zhì)量保證是依靠在用戶和應(yīng)用服務(wù)器之間端到端地提供充分的、遠(yuǎn)大于實際所需的帶寬通量來實現(xiàn)的。在這樣的內(nèi)容發(fā)布模式下，不僅大量寶貴的骨干帶寬被占用，ICP的應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載也變得非常重，而且不可預(yù)計。當(dāng)發(fā)生一些熱點事件和出現(xiàn)浪涌流量時，會產(chǎn)生局部熱點效應(yīng)，從而使應(yīng)用服務(wù)器過載退出服務(wù)。這種基于中心的應(yīng)用服務(wù)器的內(nèi)容發(fā)布模式的另外一個缺陷在于個性化服務(wù)的缺失和對寬帶服務(wù)價值鏈的扭曲，內(nèi)容提供商承擔(dān)了他們不該干也干不好的內(nèi)容發(fā)布服務(wù)。在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)中，用戶請求直接指向基于網(wǎng)絡(luò)地址的原始服務(wù)器，而CDN業(yè)務(wù)提供了一個服務(wù)層，補(bǔ)充和延伸了Internet網(wǎng)絡(luò)，把頻繁訪問的內(nèi)容盡可能向用戶推進(jìn)，提供了處理基于內(nèi)容進(jìn)行流量轉(zhuǎn)發(fā)的新能力，把路由導(dǎo)引到最佳服務(wù)器上，動態(tài)獲得需要的內(nèi)容，它改變了分布到使用者信息的方式，從被動的內(nèi)容恢復(fù)轉(zhuǎn)為主動的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)。提供CDN技術(shù)產(chǎn)品的廠商有各自的解決方案，CDN運營商的實現(xiàn)方式也不同，但CDN技術(shù)實現(xiàn)的功能是相同的，那就是將多點負(fù)載均衡，路由或緩存技術(shù)結(jié)合起來，利用智能分配技術(shù)，將內(nèi)容根據(jù)來訪用戶的地點，按照就近訪問的原則分配到多個節(jié)點。

3 CDN分層模型

一個CDN網(wǎng)絡(luò)通常由三個部分構(gòu)成:內(nèi)容管理系統(tǒng)、內(nèi)容路由系統(tǒng)、Cache節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。

它的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。內(nèi)容管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個CDN系統(tǒng)的管理，特別是內(nèi)容管理，如內(nèi)容的注入和發(fā)布、內(nèi)容的分發(fā)、內(nèi)容的審核、內(nèi)容的服務(wù)等。內(nèi)容路由系統(tǒng)負(fù)責(zé)將用戶的請求調(diào)度到適當(dāng)?shù)脑O(shè)備上，內(nèi)容路由通常通過負(fù)載均衡系統(tǒng)來實現(xiàn)。Cache節(jié)點網(wǎng)絡(luò)是CDN的業(yè)務(wù)提供點，是面向最終用戶的內(nèi)容提供設(shè)備。從功能平面的角度，這三個部分分別構(gòu)成了CDN的管理平面、控制平面和數(shù)據(jù)平面。此外，從完整的CDN內(nèi)容提供的角度，CDN網(wǎng)絡(luò)還可以包括內(nèi)容源(媒體資源庫)和用戶終端(媒體播放器)[6]。

圖1 CDN 邏輯平面圖型

4 流媒體CDN的性能指標(biāo)

傳統(tǒng)的CDN或代理服務(wù)器的系統(tǒng)性能指標(biāo)主要是命中率和字節(jié)命中率。CDN從根本上區(qū)別于傳統(tǒng)的內(nèi)容發(fā)布模式[7]。由于流媒體在數(shù)據(jù)量大小、傳輸特性等方面與Web頁面存在顯著差別，因此命中率不能直接反映CDN系統(tǒng)的性能。對于流媒體服務(wù)而言，用戶接受的媒體質(zhì)量、用戶啟動延遲以及流媒體數(shù)據(jù)傳輸對網(wǎng)絡(luò)的消耗才是代理服務(wù)器最直接的設(shè)計目標(biāo)和性能衡量指標(biāo)[8]。

流媒體CDN的性能指標(biāo)分為兩部分，即用戶關(guān)心的性能指標(biāo)和系統(tǒng)性能指標(biāo)。用戶關(guān)心的指標(biāo)包括所獲取的媒體質(zhì)量、啟動延遲等。流媒體CDN的系統(tǒng)性能指標(biāo)包括網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗、服務(wù)器帶寬消耗、預(yù)取空間的消耗等。用戶所關(guān)心的指標(biāo)有時候會與系統(tǒng)性能指標(biāo)相沖突，例如，為了降低用戶的啟動延遲，需要將絕大多數(shù)流媒體的前綴(開始部分)緩存到代理服務(wù)器，但是為了降低網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗，在單播環(huán)境下往往將流行程度最高的那些流媒體緩存下來更有效，因此需要在兩個指標(biāo)之間進(jìn)行一定的折衷。

網(wǎng)絡(luò)傳輸消耗是指流媒體在網(wǎng)絡(luò)上傳輸所消耗的網(wǎng)絡(luò)資源。在Internet上，代理服務(wù)器到原始服務(wù)器的距離(路由器跳數(shù))不同，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)消耗也不同;有時候即使網(wǎng)絡(luò)距離相同，但是所經(jīng)過的鏈路不一樣，其網(wǎng)絡(luò)消耗也可能不一樣。為了評價網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南?，采用傳輸成本作為評價指標(biāo)。首先分別為不同的鏈路設(shè)置單位傳輸成本，即傳輸單位數(shù)據(jù)量在鏈路上傳輸所消耗的網(wǎng)絡(luò)成本，通過計算總體的傳輸成本或者每個請求的平均傳輸成本評價流媒體CDN系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)消耗。原始服務(wù)器和代理服務(wù)器的帶寬是有限的，服務(wù)器的帶寬消耗可以衡量CDN系統(tǒng)最大可同時支持的用戶數(shù)。

在CDN技術(shù)發(fā)展的同時，流媒體的發(fā)展趨勢和對寬帶的需求也是在不斷變化之中的[9]。流媒體傳輸是為了提高和平滑用戶觀看的媒體質(zhì)量，因此在研究流媒體傳輸方案時主要采用媒體質(zhì)量作為評價指標(biāo)，即視頻幀的峰值信噪比PSNR以及連續(xù)幀信噪比的波動。流媒體分發(fā)主要是為了減小用戶的啟動延遲、降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、實現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載均衡，因此在研究流媒體分發(fā)時，主要

采用用戶的啟動延遲、網(wǎng)絡(luò)傳輸成本、服務(wù)器帶寬消耗作為性能指標(biāo)進(jìn)行評價。

5 結(jié) 語

流媒體內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是保障流媒體QoS的有效方法[10]。流媒體分發(fā)是為了降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、避免主干網(wǎng)的擁塞，縮短用戶的啟動延遲、提高和穩(wěn)定流媒體的質(zhì)量。本文分別從CDN的出現(xiàn)趨勢，CDN技術(shù)基礎(chǔ)，CDN分層模型，流媒體CDN的性能指標(biāo)這幾方面做了簡要說明，希望能使人們對CDN網(wǎng)絡(luò)有一個大概的了解。

參考文獻(xiàn)

[1]王薇薇，李子木.基于CDN的流媒體分發(fā)技術(shù)研究綜述[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，40(8):121-125.

[2]鐘玉琢.流媒體和視頻服務(wù)器[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[3]王裕邦.CDN流媒體服務(wù)器I/O機(jī)制的研究與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué)，2007.

[4]Geoff Daily.Commoditization and the Future of Content Delivery Networks[EB/OL].http://www.streamingmedia.com.2005.

[5]徐衛(wèi)東.基于IPv6的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)載均衡技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].重慶:重慶大學(xué)，2005.

[6]張曉燕.吉林通信寬帶內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的研究[D].長春:吉林大學(xué)，2006.

[7]譚國權(quán).流媒體與CDN承載技術(shù)[J].通信技術(shù)，2005(9):45-56.

[8]羅治國.流媒體內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的研究[D].北京:中國科學(xué)院研究生院，2004.

[9]李太君，吳澤暉.流媒體傳輸協(xié)議及其應(yīng)用開發(fā)[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2004(10):27-30.

[10]文立新.內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].上海:華東師范大學(xué)，2005.