内容传送网络技术及其应用研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２４卷第２期　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．２　重庆工商大学学报（自然科学版）　Ｊ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔ　Ｓｃｉ　Ｅｄ）　２００７年４月　Ａｐｒ．２００７　文章编号：１６７２—０５８Ｘ（２００７）０２—０１７７—０４　内容传送网络技术及其应用研究　祁媛媛　（重庆工商大学计算机科学与信息工程学院，重庆４０００６７）　摘要：内容分发（Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＤＮ）网络技术是在流量管理、负载均衡和分布　式技术基础上发展的一种分发缓存技术。这种技术采用将缓存服务器放置于Ｉｎｔｅｍｅｔ的边缘节　点处，通过负载均衡等算法实现资源的就近分配和就近访问原则，能实现对多媒体信息快速响　应的目的。介绍了内容传送网络技术的原理及其核心技术，并对其在流媒体领域中的应用进行　了分析。　关键词：内容分发网络；路由；流媒体；网络技术　中图分类号：ＴＰ　３９３．０３　文献标识码：Ａ　１　概述　内容传送网络（Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｅｌｉｖｅｙｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＤＮ）有时也称作内容分发网络（ＣＤＮ，Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）。其核心思想是将内容从中心推到边缘靠近用户的地方。这样，不但有效地提高了用户访问内　容的服务质量，而且还能减轻中心设备和骨干网络的压力。通过ＣＤＮ，可以将内容服务从原来的单一中　心服务结构变为分布式服务结构。　内容分发网络（ＣＤＮ）是一种新型的网络构建方式，它是为了能在传统的ＩＰ网络发布宽带多媒体而　特别优化的网络覆盖层。ＣＤＮ代表了一种基于质量与秩序的网络服务模式，是一个经策略性部署的整体　系统，包括分布式存储、负载均衡、网络请求的重定向和内容管理４个构件，而内容管理和全局的网络流　量管理（Ｔｒａｆｉｆｃ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ）是ＣＤＮ的核心。通过用户就近性和对服务器负载的判断，ＣＤＮ确保内容以　种极为高效的方式为用户的请求提供服务。总之，内容服务基于缓存服务器，也称作代理缓存（Ｓｕｒｒｏ・　ｇａｔｅ），它位于网络的边缘，距用户仅有“一跳”（Ｓｉｎｇｌｅ　Ｈｏｐ）之遥。同时，代理缓存是内容提供商服务器　一（通常位于ＣＤＮ服务提供商的数据中心）的一个镜像（Ｍｉｒｒｏｒ）。这种架构使得ＣＤＮ服务提供商能够代表　客户（即内容供应商）向最终用户提供尽可能好的服务。　２基本结构　ＣＤＮ的基本结构图如图１所示，一个ＣＤＮ通常包括边缘节点传输、内容路由、集中式内容分布和管　理（负责内容在不同节点的同步和复制）、集中式内容发布等功能¨］。具体功能模块如下：　（１）存储和传输节点：存储和传输节点存储内容，并向终端用户提供内容；　（２）中心控制器：中心控制器主动预定内容、管理交易报告和计费；　（３）中心管理器：中心管理器监视ＣＤＮ中节点的性能以及网络流量；　（４）转向请求管理器：转向请求管理器重定向用户请求到最近的可用存储节点；　收稿日期：２００６一ｌ１一ｏ６；修回日期：２００７－０１—２０。　作者简介：祁嫒嫒（１９７８一），女，青海西宁人，助教，从事计算机通信研究。　维普资讯 http://www.cqvip.com １７８　重庆工商大学学报（自然科学版）　第２４卷　（５）中心数据存储：中心数据存储对原始内容　服务者的内容进行存储。　终端用户　终端　户　睦　中心控制，管理器　中心存储器接收源站点（内容提供者）的数据，　并在中心控制器的指令下向其他ＣＤＮ节点发送数　据；中心控制器预测用户可能需要的内容，通知中　心存储器向源站点发送更新请求；中心管理器监测　各节点存储的内容，并通知中心控制器。中心控制　转向　理器囟ＣＤＮＴｉ，￣　数警　器　ｃＤＮ节点楚　ｃＤＮ节点　点　器控制中心存储器向各ＣＤＮ节点的发送请求来平　终端用户终端用户　终；　户终；　户ＣＤＮ：内容传送网络　衡网络流量；用户向请求转向管理器发送请求，并　由请求转向管理器转向到一个合适的ＣＤＮ节点。　图１　ＣＤＮ的基本结构　３关键技术　ＣＤＮ的关键技术主要包括两个方面：一是基于内容的请求路由和内容搜索，二是内容的分发与管理，　其他技术如负载均衡等可以通过这两个技术来实现。　３．１基于内容的请求路由和内容搜索　基于内容的请求路由和内容搜索　技术相对比较成熟，其主要包括动态域名服务器（ＤＮＳ）重定向、　传输层重定向和应用层重定向。ＤＮＳ重定向应用最为广泛，几乎为所有商用的ＣＤＮ使用。在这种情况　下，转向请求管理器就是一个ＤＮＳ服务器，用户请求先到达ＤＮＳ服务器，ＤＮＳ服务器根据网络测量得到　的距离指标和各个ＣＤＮ节点的负荷反馈（包括ＣＰＵ占用率、接口占用率、接口丢包率、当前连接数目等）　来返回一个（或多个）对于提出请求的用户来说最好的节点。这种方式较为简单容易，但解析的颗粒度太　大，只能基于一个域的范围。传输层重定向可以在更细的颗粒度获得。它首先是ＤＮＳ重定向，获得一个　初始ＣＤＮ节点；接着检查用户请求的第一个包中的用户ＩＰ（不是用户ＤＮＳ）、４层协议和端口信息，从而使　该用户后续的请求转向在初始ＣＤＮ节点的基础上，寻找到更合适的ＣＤＮ节点。应用层重定向在对象一　级并以最细的颗粒度进行重定向，能在一个用户请求对象时实时进行。它包括检查请求包的头和包内容　更新这两种重定向方式。前者，如ＨＴｒＰ重定向或ＲＴＳＰ重定向，根据统一资源定位符（ＵＲＬ）中的子串、　前缀、后缀、多用途因特网邮件扩充协议（ＭＩＭＥ）信息，以及站点专用标志符等标识会话部分，进行ＣＤＮ　节点的选择；后者则完全由内容提供者进行重定向，包括超文本链接标示语言（ＨＴＭＬ）页面的内嵌式ＧＩＦ　或ＪＰＥＧ图像、同步多媒体集成语言（ＳＭＩＬ）页面内嵌的流内容等。　重定向过程中包含内容搜索技术。如Ｐｒｉｓｍ【３　的内容搜索技术建立在映射服务的基础之上。映射服　务将统一资源名（ｕｎＮ）表征的内容和ＵＲＬ集合进行绑定，每个ＣＤＮ节点根据内容管理规则管理自己的　内容，并将内容变化通知本地映射服务器；本地映射服务器在汇聚本地内容变化的基础上通知全局映射　服务器。用户请求通过多播方式传送至所有ＣＤＮ节点，符合条件的ＣＤＮ节点通知请求重定向管理器。　３．２内容的分发和管理　内容的分发和管理是ＣＤＮ技术研究中最为活跃的部分，包括内容的一致性、内容复制、ＣＤＮ节点的　放置策略以及更新报告等。如何保持ＣＤＮ节点中保存的内容和源网站内容的一致性是ＣＤＮ中最重要的　问题，尤其对于动态变化的文件更为重要。一般采用两种方式处理内容一致性问题：当源站点的文件发　生变化时，所有ＣＤ１Ｎ节点中的内容都传输一个更新的版本，但这样一来如果文件更新的频率高于访问的　频率，则可能产生很多无用的流；使用失效标志，当一个文件发生变化时，将失效标志发送至所有节点，每　个节点在稍后从源站点分别获取新版本，但这种方法没有充分利用ＣＤＮ中重叠网络的多播特点。　文献［１］提出一种混合使用这两种机制的办法，基本思想是基于用户的请求频率和文件的更新频率　来决定使用那种方法，从而获得更低的流量。内容复制和ＣＤＮ节点放置复制策略在文献［５—７］中有所　研究。文献［７］在树的拓扑结构下考虑一个源站点放置拷贝的过程，其中使用动态规划算法解决了最优　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　祁媛媛：内容传送网络技术及其应用研究　１７９　分配问题。　中心管理器的报告是实现管理的重要手段　，报告从ＣＤＮ节点发往中心管理器，可以由中心管理器　请求触发、时钟到时触发或阈值触发。ＣＤＮ节点使用报告信息通知中心管理器可用资源、内容请求情况　和负载等，中心管理器使用报告信息进行动态内容管理。　４流媒体及其对网络的要求　流媒体指在Ｉｎｔｅｍｅｔ／Ｉｎｔｒａｎｅｔ中严格按时间先后次序传输和播放的连续音／视数据流。流媒体具有３　个特点：连续性（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ）、实时眭（ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ）、时序性（ｔｉｍｅ—ｏｒｄｅｒｅｄ），即有严格的前后时序关系。　流的传输可以分为两种，一种是顺序流式传输（ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅａｍｉｎｇ），一种是实时流式传输（ｒｅａｌ—　ｉｔｍｅ　ｓｔｒｅａｍｉｎｇ）。顺序流式传输是顺序下载，在下载文件的同时用户可观看在线媒体，在给定时刻，用户只　能观看已下载的部分，而不能跳到还未下载的部分。实时流式传输能在传输期间根据用户连接的速度进　行调整。实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接匹配，使媒体可被实时观看到。实时流式传输总　是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或后退以观看前面或后面的内容。顺序流　式传输比较简单，更接近于传统的下载观看方式，其适应性较差，也不能支持交互，其应用范围有限，但是　由于它对时延要求低，因此，可以支持高质量的流媒体数据传送。　然而以视频点播等影视节目为主的流媒体业务的引人，给网络运营带来了很大冲击，传统的网络模　型和业务模型难以满足流媒体业务的需要。流媒体业务的属性主要体现在以下几个方面：　（１）高带宽需求。一般影视节目带宽需高达５００　Ｋｂｉｔ／ｓ一１　Ｍｂｉｔ／ｓ，而且要求稳定的带宽保证。　（２）高ＱｏＳ保证需求。流媒体业务对ＱｏＳ提出了严格的要求，如７５０　Ｋｂｉｔ／ｓ的ＭＭＳ／ＴＣＰ媒体流要　求端到端丢包率小于２％，双向时延小于１４０　ｍｓ。　（３）双向不对称／对称流需求。对于视频点播节目，一般是双向不对称的服务。　（４）点对多点的广播流需求。对于ＩＰ１Ｖ、直播类业务，需要支持从单点（广播源）到多个接受点（用　户终端）的流传输。　（５）并发服务／业务数的瓶颈问题。流媒体类业务一般是服务器一客户端或客户端一客户端的业务　服务架构，视音频编解码是服务器和客户端的重要功能之一，视音频编解码需要耗费大量的服务器／客户　端软件和硬件资源，因此，目前的服务器或客户端难以承受大的并发服务／业务请求，一般服务器只能支　持１　０００以内的并发影视媒体流访问。正是由于流媒体业务具有上述属性，而目前基于包交换的ＩＰ网不　是为上述业务属性设计的，因此，直接在当前的ＩＰ网上承载具有上述属性的流媒体业务会产生如下问题：　难以保证端到端带宽和ＱｏＳ；网络通常不支持多播，广播型业务需要采用多个点对点传输实现，不但　耗费大量的骨干网络带宽，而且对源点也构成了极大的压力；一旦流媒体业务用户量和业务量加大，对现　有网络的流量流向模型造成很大的冲击，甚至会使得现有网络难以满足常规业务的开展；ＳＰ的接人是个　瓶颈，会影响业务的正在开展，接人带宽、业务访问能力描述。上述问题在现有网络框架下是难以解决的。　５　ＣＤＮ技术在流媒体业务中的应用　通过引人ＣＤＮ技术可以解决上述问题。其表现在：通过ＣＤＮ的引人，可以将用户业务服务点更靠近　用户，可以放在省网、本地网，甚至放在小区局域网里，可以将目前尚未解决的带宽保证和ＱｏＳ保证问题　的距离缩短，从而可以有效地“解决”此类问题；通过ＣＤＮ的引人，可以将大量流媒体内容预先分发到省　网、本地网范围内，同时可以通过本地自动缓存操作，大大缓解流媒体业务对骨干网流量流向的冲击；通　过ＣＤＮ的引人，可以实现广播流的树型分发和服务，实现“应用层”多播；通过ＣＤＮ的引人，将流媒体业　务服务器分散和下放，可以有效地缓解对ＳＰ接人的压力。　维普资讯 http://www.cqvip.com １８０　重庆工商大学学报（自然科学版）　第２４卷　参考文献：　［１］ＣＲＡＮＯＲ　Ｃ．Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｓｔｒｅａｍｉｎｇ　Ｓｅｒｖｉｃｅｓ　ｉｎ　ａ　Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．—ＩＥＥ—Ｅ　Ｉｎｔｅｍｅｔ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００１（８）：６６－７５　［２］ＣＩＤＯＮ　Ｉ，ＫＵ＇ＩＴＥＮ　Ｓ，ＳＯＦＦＥＲ　Ｒ．Ｏｐｔｉｍａｌ　Ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｅｎｔ［Ｒ］．ＩＥＥＥ　Ｉｎｆｃｏｏｍ，２００１　［３］Ｑｍ　Ｌ，Ｐ＾Ｊ）ＭＡＮＡ阴ＡＮ　Ｖ，ＶＯＥＬＫＥＲ　Ｇ．Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｅｒ　Ｒｅｐｌｉｃａｓ［Ｒ］．ＩＥＥＥ　Ｉｎｆｃｏｏｍ，２００１　［４］ＦＥＩ　ｚ．ＡＮｏｖｅｌ　ＡｐｐｒｏａｃｈｔｏＭａｎａｇｉｎｇＣｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｉｎＣｏｎｔｅｎｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ［Ｒ］．ＷＣＷ’０１：ＷｅｂＣａｃｈｉｎｇ　ａｎｄＣｏｎｔｅｎｔＤｉｓｔｒｉ－　ｂｕｔｉｏｎ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，２００１　［５］ＢＥＣＫ　Ｍ．Ａｎ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　Ａｄ—ｈｏｃ　Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｒ］．Ｗ３Ｃ’２ＯＯ２，２００２　［６］ＫＡＧＥＹＡＭＡ　Ｍ．Ｎｅｗ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｍｏｄｅｌ　ｉｎ　Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［ｚ］．ＩＮ＇ＴＡＰ　Ｍａｔｓｕｓｈｉｔａ，２００２　［７］ＫＡＮＣＡｓＨＡｌｌＪＵ　Ｊ，ＲＯＢＥＲＴＳ　Ｊ，Ｒ０ｓｓ　Ｋ．Ｏｂｊｅｃｔ　Ｒｅｐｕｃ面叩８ｔｍｔ，ｏｏ　ｉｎ　Ｇ口ｎ【口ｎｌ　Ｐｉｏｔｒｉｂ￣ｔｉｏｎ　Ｎｅｗｔｏｒｋｓ【Ｒ］．ＷＣＷ’０１：　Ｗｅｂ　Ｃａｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ．２００１　Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｑ／Ｙｕａｎ——ｙｕａｎ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｃＳｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｑｉｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００６７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｃａｃｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｒａ￣ｃ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．１ｏａｄ　ｂａｌａｎｃｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ—ｓｔｙｌｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　ｎｌｅ　ｇｏａｌ　ｏｆ　ｒａｐｉｄ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ－　ｙｇ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｔｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｐｕｔｔｉｎｇ　Ｃａｃｈｅ　ｓｅｒｖｅｒ　ｏｎ　ｅｄｇｅ　ｎｏｔｅｓ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｍｅｔ　ｎａｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｏｄｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｏａｄ　ｂａｌａｎｃｅ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｔｈａｔ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｒｅ　ａｌｌｏｃａｔｅｄ　ｎｅａｒ　ｂｙ　ａｎｄ　ａｒｅ　ｖｉｓｉｔｄｅ　ｎｅａｒ　ｂｙ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｎａｄ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｉｅｓ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｅｎｔ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｎａｄ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｔｒｅａｍｉｎｇ　ｍｅｄｉａ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｏｎｔｅｎｔ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ　Ｎｅｔｗｏｒｋ；ｃｏｎｔｅｎｔ　ｒｏｕｔｉｎｇ；ｓｔｒｅａｍｉｎｇ　ｍｅｄｉａ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　责任编辑：代硗红