2022年移动互联网智能加速技术研究与实践 .pdf

移动互联网智能加速技术研究与实践唐宏、陆小铭、曹维华（中国电信股份有限公司广州研究院广州 510630 ）摘要： 当前移动互联进入后3G时期，随着用户的快速发展和应用的多样化，网络在时间和空间上容易出现流量不均衡的现象，用户体验难以保障。为此，运营商提出了移动互联网智能加速系统，该系统参考了PCC架构模型，实现了网络业务的深度识别和差异化加速能力，是提升移动互联网网络效益的一个较好的解决方案，本文对智能加速的关键技术进行了剖析，并对实际部署应用情况进行了分析，为该技术的应用和发展提供了有益的参考。关键词： 移动互联网，智能加速，PCC 1、 引言近年来，移动互联网在用户规模、终端规模和业务规模实现了跨越式发展。移动互联网流量的不均衡现象也日益突出，在不同的时间、地点和场合等存在用户的密集情况，由于移动互联网存在的接入共享的问题，会出现延迟较大、带宽利用率不高、用户访问网络速度不稳定等问题，业务体验出现严重恶化的现象。以 CDMA 2000为例， EVDO REV.A 单载扇理论上能接入的用户数是114 个，但由于反向信道用户间自干扰的问题，实际应用中只能接入30 至 50 个用户（激活状态） ，运营商会根据应用场景的不同在基站控制器上进行相应的配置。同时，现在WEB 页面日益复杂，完整显示一个页面需要下载的数据较多， 在业务忙时或忙区通过移动互联网浏览网页，显示的时间经常超过20 秒允许等待的心理时间。研究结果表明，如果在4 秒钟内网页还没有打开，将会有25% 的用户放弃继续访问，访问中途放弃现象会进一步降低网络的利用率，造成业务体验的恶化。为解决以上问题，网络运营商和设备商开始考虑在移动互联网实现智能加速能力，一方面能自动识别网络的忙时和忙区，同时通过相应的技术手段，提升网络总体业务体检，以增强自身竞争力。2、 智能加速的关键能力根据移动互联网的运营实际，智能加速应包含智能识别和智能控制两大类的关键能力，具体包括：1)具备识别网络的忙区忙时的能力：为基于时间和空间（小区）的网络优化提供数据基础；2)具备识别大规模用户和业务的能力：为基于用户的差异化加速提供数据基础；3)具备流量公平使用控制能力1：避免在网络拥塞的时段和区域，少量用户的占用过多的网络资源，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - 4)具备网络加速能力：通过智能缓存、压缩、协议和业务优化等技术实现业务加速，有效降低业务流量，提升网络效率。智能加速的思想符合3GPP所定义的PCC （策略及计费控制）技术，PCC系统的基本思想就是通过多种方式来进行用户行为及业务的感知，然后基于所感知的信息进行动态的网络资源分配及控制，并且能和计费系统配合实现基于网络资源使用及业务流内容的灵活的计费。PCC系统的核心包括PCRF及 PCEF两个部件， PCRF可以从不同方面对用户及业务信息进行感知从而生成灵活的控制及计费规则， 将其下发到PCEF 中进行策略的具体实施，也就是实现网络资源的动态管控及基于业务流内容的灵活计费。PCC架构23在 3G网络（以CDMA2000 为例）的部署图如下所示。InternetPDSNAAAWeb ServerVideo ServerMail ServerPCEFPCRFGx interfaceAFLDAPSQL图 1 PCC 系统在 3G 网络（以 CDMA2000 为例）的部署图移动智能加速系统可认为是PCC系统一个简化版本，其关键部件是DPI（深度包检测）模块和网络加速模块，其中DPI 模块充当了PCRF的角色，网络加速模块充当了PCEF的角色，两者配合实现了网络业务的深度识别和差异化加速能力，主要体现在：通过DPI 对用户和业务进行分析，自动定位忙区，并通过智能转向技术将指定用户、业务或区域的流量转向网络加速平台，从而实现灵活的差异化的网络加速能力。以下为智能加速系统的网络部署示意图。图中实线表示普通用户的访问互联网的流量路径，虚线表示加速流量所经过的路径。InternetPDSNAAAWeb Server网络加速DPIVideo ServerMail Server图 2 智能加速系统在3G 网络的部署示意图3、 智能加速的总体架构和部署在实际应用中，智能加速系统采用分层的组织架构，自下而上分为数据采集层、多维分析层、智能控制层和加速服务层等四个层面，实现移动包检测、多维特征分析、智能控制和加速服务的功名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 8 页 - - - - - - - - - 能；同时，系统还包括数据存储与挖掘平台以及系统管理模块，其中，数据存储与挖掘平台为数据采集层和数据处理层提供海量数据的存储和高性能的数据挖掘能力，系统管理模块负责整个系统的维护管理，同时系统还与城域网综合网管等外部系统通过接口实现数据交互。智能加速系统的总体功能架构如下图所示：数据采集层AAA信息采集移动互联网PDSN基站PCFDPI业务流量采集QoE 质量数据采集分析预警多维分析层智能控制层数据存储与挖掘统计报表数据查询业务维度分析AAA/AN-AAA小区城域网综合网管系统综合告警系统CRM 管理系统电子工单系统资源服务层分布式存储层存储节点层外部系统智能加速系统体系架构策略配置审计策略执行评估分析系统管理接口管理系统日志管理数据备份管理配置数据维护权限管理用户管理多维业务分析用户维度分析网络维度分析关联分析加速策略定制业务策略用户策略网络策略策略配置下发终端DPI探针QoE 探针趋势分析网元信息采集用户信息采集存储管理话单分析系统加速服务层数据压缩应用协议优化传输协议优化网页 /邮件/FTP等应用加速智能缓存数据挖掘层图 3 移动智能加速系统总体功能架构数据采集层：从DPI探针采集移动 AAA 认证信息和业务流量信息，通过QoE 探针主动上报的方式获取 QoE 质量数据，通过城域网综合网管系统获取网元信息和用户信息，这些信息经过预处理后送入数据存储模块，并传递给数据处理层。多维分析层 ：通过对移动信令、业务流量、QoE 质量、用户信息、网元信息等进行实时关联分析，实现基于业务、用户、网络等多维度业务特征分析和QoE 用户感知质量分析等。当关键指标（如小区用户数、链路忙时占用率、用户QoE 指标、 P2P下载业务占比等）超过预设的阀值时，将会触发相关的告警并实时传递给智能控制层。智能控制层 ：通过加速策略定制模块实现业务、用户、网络等控制策略模板的预设，根据多维分析层上报的不同告警信息，结合预设的控制策略模板灵活生成相应的业务、用户、网络控制策略，并下发到相应的设备与系统，通过综合运用动态缓存，压缩以及传输和应用协议优化等方法，从而实现流量的智能转向。加速服务层 ：通过智能缓存、数据压缩、应用协议优化、传输协议优化等加速手段，对移动互联网的典型业务流量提供加速、适配、内容过滤、视频优化及手机互联网视频适配等多种服务能力，有效提升网络带宽资源利用率，提升用户感知水平。数据存储与挖掘平台：数据存储与挖掘平台作为海量数据存储池与高性能数据挖掘平台，为移动包检测及多维特征分析模块提供超大容量、超快读取及冗余保护的存储能力和分析能力，从名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8 页 - - - - - - - - - 而实现超大数据量数据存储和挖掘功能，具备灵活的弹性可扩展性和高可靠性。系统管理 ：实现用户管理、权限管理、配置数据维护、数据备份管理、日志管理、接口管理等系统维护管理功能。4、 智能加速的关键技术4.1 、 智能识别与控制DPI 模块通过部署在各个网络探测点的前端设备，实时进行深度业务检测，统计各种流量及带宽信息并定时上报给后台业务管理系统。后台业务管理系统关联用户、网络与应用信息，进行多维分析，管理控制策略并下发给前端设备。主要运用如下技术：1）应用深度检测通过流量的深度分析，对各种业务应用进行全范围剖析，作为网络流量分析用户行为分析的基础，采用的基于五元组的深度业务检测技术主要有端口号检测、特征分析、关联识别和基于行为特征的检测。2）用户识别为了获取用户信息，做到基于用户的流量兴趣分析以及控制甚至辅助基于用户的计费，系统必须解析 Radius 协议，实时跟踪用户状态，获取用户上下线时间、用户账号与IP 的对应关系、用户位置信息等详细信息。3）多维业务分析通过对深度报文检测、用户识别方案的支持，获取用户分应用的流量信息，通过各项参数的有机组合，可提供丰富的报表，供运营商深入分析网络中的业务流量。将用户信息与流量信息进行关联，并按照多个维度进行统计分析。以网络维度、用户维度，分析网络、终端的流量特征，同时，应用、网络、用户信息多维度交叉分析，得到更精细化分析数据，作为网络智能控制的决策依据。4）智能流量控制智能流量控制能力有旁路、直路及流量转向三种方式：基于旁路方式部署时，主要通过干预用户与服务器之间的TCP或 UDP连接状态，达到流量控制的作用。基于直路方式部署时，应用包括流量整形（shaping ） 、流量控制（ policing）等多种控制技术，实现对网络的流量控制。控制的维度有：时间、协议/ 应用、带宽CAR 、会话连接数、QoS Marking 。基于流量转向的方式，DPI 模块识别出报文或会话的协议类别后，可以按预设的条件把某些类型的流量转发到网络加速模块，可以灵活的按应用协议类别、协议特征字、方向等标准来设置转向条件。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - 4.2 、 网络加速网络加速模块在HTTP应用的优化中采用以下优化技术：（1）连接持久性WEB 服务器在传送一张被请求的页面的过程中，常常对客户端多次启用、关闭连接来传送内容，这种频繁连接的方式会大大降低无线网络的性能。为避免这种情况发生，网络加速就作为内容服务器与客户端的一个中介来运行，用来维护数据传输时对浏览器的持久连接，即使是在内容服务器断开与网络加速的连接与重新连接的这段时间也是一样的。（2）HTML 、JavaScript、CSS的无损过滤拦截发送给无线客户的内容后，网络加速在传输前进行了几项操作以缩减整体内容的大小。第一步是动态简化。HTML 、JavaScript和 CSS普遍都有大大增加它们尺寸的白色空间和评论。删除这些空白空间和评论后，网络加速为用户减少了多达30% 的数据量。（3）数据 / 二进制码的无损压缩数据尺寸缩减的过程中，内容过滤的下一步是压缩。网络加速采用标准技术来压缩数据对象、参考文件。举例说明，HTML文件本身、文本对象或pdf 、doc、ppt 、xls等格式的文件，是被无损压缩的，由此缩短下载时间。网络加速同样对JavaScript、CSS等网页嵌入对象进行无损压缩。网络加速使用的压缩技术是所有HTTP兼容的浏览器的标准组件，由此确保了透明。 所有的标准浏览器，如 Microsoft Internet Explorer、 Firefox、Opera，都支持这些技术，所以它们可以迅速解压接收到的内容。（4）多级图像压缩大部分下载的网页数据中包含图像。客户下载下来的大量数据，诸如JPEG 、GIF 图像、 GIF 动画，通过多级有损压缩，被大大的压缩了。有损压缩在保持图像功能的情况下，缩减了图像大小，也降低了图像质量。有了这一功能，网络加速明显减少了客户下载的总数据量。当然整理程度依赖于指定的质量等级。（5）Web代理缓存网络加速执行与HTTP1.0、HTTP1.1相容的缓存。 Web缓存消除了网络加速在用户连续访问内容服务器的同一对象时遇到的延迟4。严格来说，这优化了本已很快的网络加速与内容服务器的连接。Web缓存可以为最终用户带来明显的效果，即使速度更高的3G网络中也同样ricin。有了网络加速的 Web缓存器，就无需再安装单独的缓存器了，而且缓存可以简化操作、节省成本。Web缓存器会保存每一个对象的压缩和未压缩版本。例如，对于图像，Web 缓存器保存低质量、中等质量、中高质量、高质量及原始质量的对象。5、 智能加速的应用分析移动互联网智能加速系统在现网已经有了较好的实践应用，以下就实际使用情况进行分析说明。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - 1)精确识别和分析：移动智能加速的DPI 模块通过对移动信令、业务流量、用户信息、网元信息等进行实时关联分析，实现基于业务、用户、网络等多维度业务特征分析。通常的分析如流量组成、流量曲线、基站TOPN 排名、用户流量 TOPN 排名等，以下为对某城区的带宽占用率排名前10 的基站进行分析 （图 5 ） ，同时分析排名第一的基站在各个时段的各种应用的占用情况（图 6 ） 。Bandwidth Proportion80.57%0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00%80.00%90.00%BaseStation_1BaseStation_2BaseStation_3BaseStation_4BaseStation_5BaseStation_6BaseStation_7BaseStation_8BaseStation_9BaseStation_10图 4 某城区的基站带宽占用率TOP10 排名图 5 TOP1 基站的流量成分曲线图2)在网络忙区的应用效果分析：-分析对象：该应用分析主要分析智能加速系统在对忙区（以BSC为单位或以基站为单位）的用户使用情况，数据取系统应用前的2 天的数据以及应用后的2 天的数据做对比分析-应用地点：某运营商的东部省公司-应用时间： 2012 年 5 月，对现网的一些忙站进行测试，经智能加速前后同周期的比较分析：-分析结论：独立用户数增加1 3% 、3G呼叫次数增加28% 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - 图 6 独立用户数的变化情况（左为单个BSC 的情况，右为单个基站的情况）图 7 3G 呼叫次数的变化情况（左为单个BSC 的情况，右为单个基站的情况）3)在网络闲区的应用效果分析：-分析对象：该应用分析主要分析智能加速系统在对闲区的移动互联网流量的拉动作用。-应用地点：某运营商的东部省公司-应用时间： 2012 年 5 月，对现网的一些忙站进行测试，经优化加速前后同周期的比较分析：-分析结论：自2012 年 1 月份至 2012 年 6 月份， RNC7数据流量同比增长32.4%，高于其它三个 RNC数据流量。表 1 智能加速系统在网络闲区的应用效果分析RNC 数据业务增长率RNC7 32.40 RNC5 21.54 RNC6 21.29 RNC1 19.38 全网26.15 注：RNC1 、5、6、7 属于数据流量相对较少区域，其中，RNC7实施了智能加速，其他RNC没有实施。数据为 2012 年 1 月至 2012 年 6 月的平均值。4)对网络局部的应用分析：-分析对象： 2011 年底，某运营商的省分公司在移动互联网中部署了智能加速系统，采用逐个地市割接的方式进行推广应用。在2011 年 8 月割接了某区域20 万 3G用户的流量。对比该区域的流量增长情况与其他对比城市的流量曾情况。-应用地点：某运营商的西部省公司-应用时间： 2011 年 9 月至 2012 年 7 月：-分析结论：该地区的数据流量相比割接前，增长25.06%，高于全省20.24%的平均增长率。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - 表 2 试点区域与对比城市的流量增长率情况表地市增长率试点区域25.06 对比城市1 29.94 对比城市2 27.17 对比城市3 21.04 对比城市4 18.39 对比城市5 17.45 对比城市6 16.65 对比城市7 12.64 对比城市8 11.28 对比城市9 2.09 对比城市10 1.12 对比城市11 0.09 对比城市12 16.87 全省20.24 6、 结束语移动互联网智能加速是实现无线智能管道的一项有益尝试，智能加速系统参考了PCC架构模型，其中， DPI 充当了PCRF的角色，网络加速充当了PCEF的角色，两者配合实现了网络业务的深度识别和差异化加速能力，同时在实践中分析证明，智能加速能有效提升业务体验，激发现有用户的流量消费，有助于增强网络效益。参考文献：1.刘海等，基于PCC架构的数据业务QoS优化研究，邮电设计技术，2011 年第 6 期， P58-62 2.3GPP TS 23.203 (V7.3.0) Policy and charging control architecture S/OL. 2011-02-19 3.3GPP TS 29.213 (V7.1.0) Policy and Charging Control signaling flows and QoS parameter mapping S/OL. 2011-02-19 4.王跃辉等，针对 3G 上网用户的无线网络加速系统，通信技术， 2011 年第 11 期，第 44 卷，P83-87 作者简介：唐宏，现就职于中国电信广州研究院，为数据通信研究部部长，主要从事移动互联网、下一代互联网和云计算方面的研究和技术管理工作。陆小铭，现就职于中国电信广州研究院，先后从事PSTN 、软交换、 IP 网络技术和移动互联网的支撑和研究工作。曹维华，现就职于中国电信广州研究院，先后在IP 网络技术、支撑系统、网络分析、运营支撑、移动互联网等领域开展研发和支撑工作。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - 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