移動網(wǎng)絡(luò)中的流量加速技術(shù)

摘要：文章提出了采用多種流量加速技術(shù)。比如流量壓縮和緩存技術(shù)、應用協(xié)議優(yōu)化技術(shù)、區(qū)分業(yè)務(wù)和用戶的帶寬控制技術(shù)等，對移動數(shù)據(jù)流量進行管控、優(yōu)化和疏導。多種流量加速技術(shù)的結(jié)合使用。可以減少流量增加對網(wǎng)絡(luò)容量的沖擊，提高用戶體驗。其中，流量壓縮技術(shù)可以使得文本和圖片的流量大大減少，并同時適配終端，滿足移動用戶的體驗；流量緩存技術(shù)可以在本網(wǎng)內(nèi)緩存熱點內(nèi)容，減少網(wǎng)間擁塞、用戶訪問時延及晚間的結(jié)算費用；超文本傳輸協(xié)議(HTTP)優(yōu)化技術(shù)可以改善HTTP協(xié)議的性能。在不擴容的情況下提高移動網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。實驗室測試和現(xiàn)網(wǎng)試點證明，上述技術(shù)和方法的應用可以取得比較好的移動數(shù)據(jù)流量管控、優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞：移動網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)應用；流量加速；流量壓縮；流量緩存；超文本傳輸協(xié)議優(yōu)化

近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)增幅和用戶數(shù)據(jù)的平均月流量已經(jīng)超過話音網(wǎng)絡(luò)。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增長。造成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用了大量的網(wǎng)絡(luò)資源，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)擠占、爭搶話音信道情況嚴重。數(shù)據(jù)核心網(wǎng)頻繁出現(xiàn)流量“瓶頸”。另一方面，隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的廣泛使用和客戶群的不斷增加，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶投訴量迅速增加。數(shù)據(jù)流量的增長給網(wǎng)絡(luò)造成的影響主要有以下幾個方面：

·無限的帶寬需求和有限的共享資源問沖突時，網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)擁塞、低效局面；

·移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅猛增長對2G話音業(yè)務(wù)造成了沖擊，影響話音用戶體驗；

·少量用戶占用大量帶寬，影響網(wǎng)絡(luò)公平使用，且實際收益低；

·互聯(lián)網(wǎng)出口帶寬受限，影響用戶使用互聯(lián)網(wǎng)的體驗。

這幾個方面嚴重影響了移動通信網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境，一方面影響用戶使用網(wǎng)絡(luò)的體驗，另一方面影響了網(wǎng)絡(luò)的運營效率。使得資源得不到有效的分配和利用。

針對這些問題，本文分析了移動網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量加速的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了包括流量壓縮、緩存加速、超文本傳輸協(xié)議(HTTP)優(yōu)化等方面的關(guān)鍵技術(shù)。

1 移動網(wǎng)絡(luò)中端到端流量加速架構(gòu)

1.1 問題背景

移動互聯(lián)網(wǎng)所帶來的數(shù)據(jù)流量增長對于網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化管理提出了巨大的挑戰(zhàn)，如果不能及時恰當?shù)貞獙@些問題，不僅會對移動網(wǎng)絡(luò)的運營產(chǎn)生強大的沖擊，而且會造成網(wǎng)絡(luò)資源的不公平使用和大規(guī)模擁塞，影響每一個用戶的體驗。具體分析而言，移動網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)流量的管理上面臨如下三方面的問題：

(1)移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迅猛增長造成網(wǎng)絡(luò)資源的緊缺，引發(fā)使用不公平性。2008～2010年，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增長至少在10倍以上，但是網(wǎng)絡(luò)的資源和容量的增長并不能保持同步。由于數(shù)據(jù)流量種類紛繁復雜，不僅造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，而且引發(fā)了網(wǎng)絡(luò)資源使用不公平的問題，造成用戶關(guān)鍵業(yè)務(wù)體驗的下降。流量的增長，不僅對網(wǎng)絡(luò)運營提出了很大的挑戰(zhàn)，而且對業(yè)務(wù)的開展、用戶體驗的保障也提出了很多亟待解決的問題。

(2)無線網(wǎng)絡(luò)容量增長難以滿足流量增長的需求。根據(jù)對流量增長的分析和預測，移動數(shù)據(jù)流量以每年翻一番的速度增長。在2014年，移動數(shù)據(jù)流量講達到3.6 EB(3.6×10字節(jié))每月。即使隨著LTE等新技術(shù)的引入，通過新增頻譜、提高頻譜利用率和蜂窩密度，移動接入網(wǎng)的容量增長率大概在2×2×8=32倍左右。因此公認的結(jié)論是移動接入網(wǎng)的容量的增長無法滿足移動互聯(lián)網(wǎng)的流量增長。這說明應對流量增長必須采用分流+管控的思路來集中解決。

(3)業(yè)務(wù)缺乏網(wǎng)絡(luò)信息難以實現(xiàn)端到端優(yōu)化。無論是網(wǎng)絡(luò)運營商還是互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商，都希望最優(yōu)化用戶體驗，但是雙方的信息不對稱使得最優(yōu)化很難實現(xiàn)?；ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商如果只是把網(wǎng)絡(luò)當管道，必然使得一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)信息無法為業(yè)務(wù)使用，造成資源浪費、網(wǎng)絡(luò)擁塞而最終影響到自身業(yè)務(wù)的質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)運營者也同樣，如果不對業(yè)務(wù)信息有充分的了解，也無法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的應用，保障用戶、網(wǎng)絡(luò)、業(yè)務(wù)的價值共享。

1.2 端到端的流量加速架構(gòu)

移動網(wǎng)絡(luò)中端到端的流量加速架構(gòu)如圖1所示。從端到端的角度分析，數(shù)據(jù)流量在用戶終端和業(yè)務(wù)平臺之間經(jīng)歷了移動接入網(wǎng)、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)、內(nèi)容疊加網(wǎng)、業(yè)務(wù)平臺等多重網(wǎng)絡(luò)域，端到端的流量加速架構(gòu)就是構(gòu)建在這些不同域上的為優(yōu)化數(shù)據(jù)流量管控的多種技術(shù)。

從接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的角度看，數(shù)據(jù)流量的加速主要采用兩種思路，即“控”和“分”。策略計費和控制(PCC)架構(gòu)就是接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的控制技術(shù)，PCC通過深度包檢測(DPI)。技術(shù)分析用戶和業(yè)務(wù)的行為，通過制訂并執(zhí)行移動網(wǎng)絡(luò)的資源管理策略，實現(xiàn)業(yè)務(wù)質(zhì)量的保障、特殊用戶的保障和網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化管理。對移動接入網(wǎng)面臨的巨大的流量壓力而言，PCC的管控技術(shù)能夠通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源管理來實現(xiàn)特定業(yè)務(wù)和用戶的數(shù)據(jù)流量加速，同時也是應對移動網(wǎng)絡(luò)管道化的利器。

接入網(wǎng)的另一種思路是“分”，即通過多種接入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同實現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的分流，讓一部分數(shù)據(jù)流量及時地分流到蜂窩網(wǎng)之外(比如WLAN熱點)來卸載數(shù)據(jù)流量，保障移動網(wǎng)絡(luò)的暢通。當數(shù)據(jù)流量到達承載網(wǎng)時，承載網(wǎng)需要把特定的數(shù)據(jù)流量引導到端到端延遲更小、訪問速度更快的內(nèi)容源上，提升端到端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗。同時，承載網(wǎng)需要使用DPI技術(shù)來實現(xiàn)用戶流量的控制，保障用戶對網(wǎng)絡(luò)的公平使用。

針對網(wǎng)間結(jié)算現(xiàn)狀的制約，移動網(wǎng)絡(luò)中對于內(nèi)容源的引入，構(gòu)建業(yè)務(wù)網(wǎng)成為必不可少的策略。首先，通過引入IDC的資源實現(xiàn)數(shù)據(jù)流量本地化，減少由于跨網(wǎng)訪問造成的延遲；其次，通過建設(shè)Web緩存和P2P內(nèi)容緩存系統(tǒng)來實現(xiàn)內(nèi)容加速，讓熱點內(nèi)容資源更加靠近用戶，方便用戶游問，減小訪問延遲；最后，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)(CDN)也是進行業(yè)務(wù)內(nèi)容推送的重要手段，通過統(tǒng)一的資源調(diào)度實現(xiàn)全網(wǎng)的內(nèi)容分發(fā)，把用戶的業(yè)務(wù)請求引導到更靠近的業(yè)務(wù)平臺上，對于流量加速至關(guān)重要。

從不同數(shù)據(jù)流量的分析上，一些特殊的數(shù)據(jù)流量需要有特別的管控技術(shù)。對移動流量的分析結(jié)果顯示，HTTP、P2P、Instant Message等一直是占比最高的3種流量，因此需要有端到端應對的策略。對于HTTP流量而言，HTTP流量壓縮是一種重要的技術(shù)手段；對于P2P流量而言，P2P流量的本地分發(fā)也可以提升用戶的體驗；對于即使消息等永遠在線類業(yè)務(wù)而言，通過移動網(wǎng)絡(luò)的資源提供永遠在線的能力既能夠減小大量IM數(shù)據(jù)對于移動網(wǎng)絡(luò)的壓力，又能夠提升永遠在線類業(yè)務(wù)的消息及時性和可靠性。

2 端到端流量加速的主要技術(shù)

在移動網(wǎng)絡(luò)中可以針對HTYP應用較多的特點，對HTFP進行優(yōu)化，提高TCP的傳輸效率，從而減少網(wǎng)絡(luò)流量和時延；也可以針對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容冗余度較高和移動終端屏幕較小的特點，對網(wǎng)絡(luò)流量進行壓縮；此外還可以針對不同運營商網(wǎng)絡(luò)間帶寬擁塞的現(xiàn)狀，在網(wǎng)間部署流量緩存系統(tǒng)來加速內(nèi)容分發(fā)。

2.1 超文本傳輸協(xié)議優(yōu)化技術(shù)

HTTP的流量在移動互聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)生的流量中占據(jù)了非常重要的比例，由于HTTP的標準化和連通性較好，很多的移動互聯(lián)網(wǎng)應用都將HTTP作為傳輸協(xié)議，比如Web瀏覽等等。

1999年，HTTP1.0誕生，每次請求都要求重新創(chuàng)建一條新的傳輸控制協(xié)議(TCP)連接，代價高昂。1999年。HTTP 1.1對HTTP1.0的缺點進行了改進，可將連接設(shè)為長聯(lián)接，這樣可以重用TCP連接，減少了開銷；另外增加了流水線(Pipelining)，可以一次發(fā)起多個請求，但由于流水線被大多數(shù)瀏覽器默認禁用(除Opera)，而且即使支持流水線，卻因HTTP嚴格限制請求必須以先入先出(FIFO)的方式被處理，如果在請求隊列中有一個非常慢的動態(tài)請求。那么與它共用同一TCP通道的其他請求都必須等待這個請求處理完才能處理。

現(xiàn)在的HTTP頁面相比過去而言越來越復雜，比較主流的Web頁面都比較復雜。

據(jù)統(tǒng)計，美國有線電視新聞網(wǎng)(CNN)主頁上有161個文件，來自于25個不同的域名。一個典型的比較常用的Web頁面需要80個文件，來自于13個不同的域名。另外由于無線網(wǎng)絡(luò)中的延時很大，一個HTTP請求的來回100ms，通常說來一個頁面需要數(shù)百個這樣的往返，并且很少的請求可以并行處理。加上無線頻譜共享的原因，很容易擁塞。終端在處理能力和電池使用時長上仍然受限。如果Web頁面需要終端較多的整合，會使得移動終端的耗電增加，從而影響終端的使用。

一種新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SPDY由Google發(fā)起，旨在解決HTTP的以上缺點，適應現(xiàn)在越來越復雜的頁面狀況，可以有效地加速網(wǎng)頁加載的速度。它有如下基本特點：

(1)并行流。SPDY可以在一個單一的TCP連接中傳輸多個并行的流。這樣不僅實現(xiàn)了較少的連接，傳輸更少的包。同時對于處理大量的并發(fā)連接的服務(wù)器而言，也很容易遇到性能擴展的問題。使用SPDY可以很好的緩解這個問題。

(2)具有優(yōu)先級的請求。如果在帶寬受限的情況下，客戶端可能由于擔心擁塞而放棄請求，從而使得用戶請求不能完成。為了解決這個問題，SPDY實現(xiàn)了有優(yōu)先級的請求，客戶端可以請求盡可能多的元素，并且同時給每個元素賦予一個優(yōu)先級。這樣的話，較高優(yōu)先級的元素(比如文本)將優(yōu)先傳送，而較低優(yōu)先級的元素(比如視頻)將會被推遲傳送。

(3)HTTP頭的壓縮，減少傳輸包的大小。對于小包而言，這樣的改善效果非常明顯。包頭的壓縮可以減少約80％的大小。

以下是在選取了25個流行網(wǎng)站，并在不同的丟包率和往返傳輸時間(RTr)時延的情況下的HTFP和SPDY的比較結(jié)果，如表1和表2所示。

從以上的結(jié)果可以看出，隨著丟包率和RTT時延的增大，SPDY相比較HTTP而言，加速比例有明顯的改善。相比HTTP而言，SPDY能夠減少約40％的IP包，并使用較少TCP連接，這樣能夠減少由于丟包帶來的影響。有利于觸發(fā)TCP的快速重傳機制，從而提高了TCP的效率。

2.2 流量壓縮技術(shù)

移動互聯(lián)網(wǎng)中有大量的內(nèi)容存在高冗余度和可壓縮性，并且移動互聯(lián)網(wǎng)的終端的處理能力較弱和屏幕普遍偏小，可以將傳輸內(nèi)容針對終端進行適配，通過一定的壓縮和優(yōu)化算法劃傳輸內(nèi)容進行處理，這樣可以大大減少傳輸?shù)牧髁?。以下介紹幾種最常見的針對文本和圖片的壓縮處理技術(shù)：

(1)文本壓縮。由于文本中的冗余信息較多，可以通過壓縮算法減少傳輸流量。比如可以實現(xiàn)瀏覽器和Web服務(wù)器之間的協(xié)商壓縮。瀏覽器在發(fā)送的請求頭中包含接受內(nèi)碼(Aceept-Encoding)，指定客戶端支持的所有壓縮格式，比如Accept-Encoding：gzip，deflate。Web服務(wù)器接收到請求以后，選擇請求中的一種壓縮算法對內(nèi)容進行壓縮，并在發(fā)送給客戶端的響應中，聲明采用的壓縮格式，比如：Content-Encoding：gzip?？蛻舳私邮盏巾憫獢?shù)據(jù)后，使用響應頭中指定的壓縮算法對數(shù)據(jù)進行解壓縮。

(2)圖片壓縮。由于移動互聯(lián)網(wǎng)中的手機的屏幕大小有限，可以在不影響用戶體驗的前提下，針對用戶終端的類型，對流量中的圖片進行適當?shù)拇笮】s放、減質(zhì)縮放。比如網(wǎng)絡(luò)中可以記錄終端的類型，獲知終端屏幕的大小，可以將較大規(guī)格的圖片縮小到適應于終端屏幕大小，比如屏幕大小的75％左右，這樣既減少了圖片的大小，又利于用戶體驗。此外可以選用壓縮比較高的算法，比如就普通圖片而高，JPEG比GIF／PNG／BMP文件小很多，可以將GIF／PNG／BMP文件轉(zhuǎn)換成JPEG后再傳輸。對于JPEG而占可以進行進一步的減質(zhì)壓縮，比如選擇中等品質(zhì)的壓縮后，文件大小可以降低50％以上，壓縮后的圖像與原始圖像效果基本接近。

此外還可以將較大的圖片按照不同規(guī)格壓縮轉(zhuǎn)換后，進行緩存，然后根據(jù)用戶終端的內(nèi)容進行存取。這樣就可以大大地減少服務(wù)器處理的時延。

2.3 流量緩存技術(shù)

如果用戶獲取的內(nèi)容來自于其他運營商的網(wǎng)絡(luò)，由于運營商之間的IP網(wǎng)絡(luò)的帶寬通常比較有限，很容易處于擁塞和忙碌狀態(tài)，這樣會導致訪問的時延明顯增大，并且很容易引起丟包，導致重傳的比例增加。反過來更會加重網(wǎng)絡(luò)的擁塞。為了緩解這個問題，流量緩存技術(shù)應運而生。通常說來一個緩存系統(tǒng)由如圖2所示的幾部分組成。

(1)內(nèi)容緩存系統(tǒng)。用于存儲互聯(lián)網(wǎng)中的熱點數(shù)據(jù)，可由大容量，高帶寬的存儲系統(tǒng)系統(tǒng)組成，并可根據(jù)一定的算法根據(jù)用戶的請求和網(wǎng)絡(luò)流量分析，動態(tài)更新熱點內(nèi)容。

(2)流量監(jiān)測系統(tǒng)。可部署深度包檢測系統(tǒng)(DPI)，對用戶發(fā)給其他運營商的請求進行協(xié)議解析，比如可對域名服務(wù)器(DNs)協(xié)議進行解析，如果發(fā)現(xiàn)目標地址是內(nèi)容緩存系統(tǒng)指定的站點。就將此請求轉(zhuǎn)發(fā)至流量導向系統(tǒng)。

(3)流量導向系統(tǒng)。此系統(tǒng)接收到流量監(jiān)測系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)過來的請求，將請求中的目標地址替換成內(nèi)容緩存系統(tǒng)的地址。這樣用戶將會從內(nèi)容緩存地址中獲取內(nèi)容，而不是從其他運營商獲取，可以減少業(yè)務(wù)訪問的時延，提高用戶體驗。

3 結(jié)束語

為了應對流量的快速增長對網(wǎng)絡(luò)的沖擊，對運營商而言，一方面要加強網(wǎng)絡(luò)的擴容建設(shè)。另一方面也要使用各種辦法對網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化加速和管理疏導，提高網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量和用戶體驗，把管道的價值更大程度地發(fā)揮出來。

流量加速的部分技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)中得到了應用，并必將隨著移動互聯(lián)網(wǎng)流量的增長，變得越來越重要。