|
移动内容分发网络节点位置部署建模研究 田光辉1，张云飞2，魏冰3** 作者简介：田光辉，（1989-），男，北京邮电大学硕士，主要研究方向：下一代网络技术，移动内容分发 网络。 通信联系人：魏冰，女，中国移动研究院副院长，北京邮电大学兼职硕导，教授级高级工程师，主要研究 方向：通信网络、产业信息化。E-mail: weibing@chinamobile.com （1. 北京邮电大学网络技术研究院，北京 100876； 5 2. 中国移动研究院网络技术研究所，北京 100053； 3. 中国移动研究院，北京 100053） 摘要：移动内容分发网络是学术界、产业界研究的热点问题，其中关于移动内容分发网络缓 存节点位置部署研究已成为核心研究点之一。针对此问题，通过对现有多种移动通信网络架 构的研究提出抽象网络架构模型，继而在抽象网络架构模型上建立经济分析模型，通过经济 10 分析模型分析比较在移动通信网络中不同位置部署缓存节点时对OPEX 运营成本节约情况。 最终得出，当缓存节点部署在更靠近用户侧的网络位置时将能更大程度节约系统OPEX 运 营成本。 关键词：移动通信；内容分发网络；CDN；节点部署 中图分类号：TP393 15 Study on modeling of Mobile Content Distribution Network cache node TIAN Guanghui1, ZHANG Yunfei2, WEI Bing3 (1. Institude of Network Technology,Beijing University of Posts and Telecommunications, 20 Beijing 100876; 2. Department of Network Technology,China Mobile Research Institude, Beijing 100053; 3. China Mobile Research Institude, Beijing 100053) Abstract: Mobile Content Distribution Network(MCDN) has become a hot issue for academia industry, and the location of MCDN cache node deployment is a one-point of the core research. 25 For this issue, we researched a variety of mobile communication network architecture and then put forward a Abstract Network Architecture model for this problem. And on the basis of the Abstract Network Architecture model, the Economic Analysis model was discussed. By analyzing the Economic Analysis model, we compared the different locations for cache node deployment in the mobile communications network with OPEX savings as measurable factor. The final draws, when 30 the cache node to deploy a greater degree of network location closer to the user side will be able to save the system OPEX operating costs most. Keywords: Mobile Communications; Content Distribution Network; CDN; Node Deployment 0 引言 35 随着数据业务的不断发展，移动通信网络流量呈现不断激增、持续激增的趋势。而移动 通信网络架构属于汇聚型网络架构，即所有的数据业务流量经终端产生后都需经低层网元实 体，如SGSN（Serving GPRS Support Node，服务GPRS 支持节点），最后汇聚到出口网元 实体，如GGSN（Gateway GPRS Support Node，网关GPRS 支持节点），并由出口网元实 体与外部数据网进行IP 数据包路由转发和请求，流量激增将造成移动通信核心网承载压力， 40 将对现有的网络服务能力提出挑战，同时增加系统总体OPEX 运营成本。为了应对流量压 力，通过部署缓存将在一定程度有效改善移动网络流量压力，但缓存节点的部署位置将影响 着移动通信网络的网络性能和业务发展。 以某电信运营商为例，缓存节点部署在与外部数据网交互的互联互通口，服务所有流经 互联互通口到外部数据网络的数据请求。随着核心网流量不断激增, 核心网将由轻载状态转 45 变为重载状态，核心网内的数据流量最终都将汇聚到互联互通口，将会使得互联互通口面临 流量重载压力。同时，互联互通口的缓存服务不能有效应对数据业务尤其是视频业务的快速 发展。近年来，视频业务处于快速发展阶段，视频业务产生的数据流量不断增长，视频业务 将成为未来数据业务的核心业务。视频业务具有数据流量大、用户体验要求高的特点，将会 在视频源服务器与用户之间长期占用链路以此来传输视频文件数据，这对核心网带来传输承 50 载压力。因此，面对流量规模发展迅猛的视频业务，互联互通口的缓存节点将无法有效地为 视频业务提供缓存服务。 鉴于上述分析，可以得出缓存节点部署位置将直接影响到网络质量、业务发展、OPEX （Operating Expense，运营成本）。本论文重点研究移动内容分发网络缓存节点位置部署， 论文结构如下：首先在分析现有多种移动通信网络架构基础上提出抽象网络架构模型；继而 55 在抽象网络架构模型上建立经济分析模型，通过分析模型并从OPEX 角度分析不同位置部 署节点时对整个系统OPEX 运营成本节约情况。 1 抽象网络架构建模 本节将对多种移动通信网络架构进行抽象分析，最终得出抽象网络架构模型，该抽象架 构模型适用于2G（Second Generation for Mobile Communication，第二代移动通信技术）、 60 3G（Third Generation for Mobile Communication，第三代移动通信技术） 、LTE（Long Term Evolution，长期演进）、WLAN（Wireless Local Area Networks，无线局域网）等多种网络 架构[1] [2]。结构安排上，首先讨论建立架构建模的两个基础思想，继而在基础思想的基础上 提出抽象网络架构模型。 1.1 基础思想一：节点流量向上汇聚 65 移动通信的网络架构整体呈现为汇聚型架构，汇聚型架构一个明显的特点在于流量将由 低层逐级往高层汇聚。在该思想中，提出可以将同处一个层级的网元看作一个网元，多个同 级的网元所上报的流量可以合并在一起，整体上流量看作来自一个网元实体。节点流量合并 示意如图1 所示： 70 图 1 节点流量合并 Fig. 1 node traffic merge 从图1 中，两个低层的SGSN（2G、3G 网络中核心网接入网元）分别产生T1、T2 的 75 流量并汇聚至高层的GGSN，根据流量合并思想，可以将两个SGSN 实体看作一个SGSN 实体，该思想后的SGSN 实体产生T1+T2 的流量并最终汇聚至GGSN。基于流量合并模型， 将合并同一层级的网元，从而抽象网络架构。 1.2 基础思想二：节点上方产生流量变化 现在对比在移动通信网络网元部署缓存后，流入和流出该网元的流量变化情况，如图2 80 所示： 图 2 Cache 节点流量变化 Fig. 2 traffic change out from Cache node 85 图2 中蓝色箭头表示请求流量，橙色箭头表示响应流量。箭头的粗细表示为流量的大小。 图2 左侧为网元未部署时，流量流经该网元时的变化情况。从中可以看出，请求流量大 小在流入、流出网元时不发生变化；响应流量大小在流入、流出网元时也未发生变化。 图2 右侧为网元部署后，流量流经该网元时的变化情况。从中可以看出，因网元处的缓 存捕获并处理部分请求流量，导致请求流量大小在流入该网元时明显大于流出网元；因流出 90 该网元的请求流量减少使得响应的流量也相应减少，该变化在图中橙色箭头变细看出。但对 于用户的请求，最终的响应并不能减少因此流出网元的响应流量较未部署缓存时一致。 从上述分析最终得出，系统部署缓存后，只有流出的请求流量和流入的响应流量发生变 化，且为变小趋势，即流量的变化只发生在该部署缓存的网元的向上汇聚部分。 1.3 抽象网络架构模型的建立 95 基于上述两个基础思想，最终提出如图3 所示抽象网络架构模型，该模型将适用于2G、 3G 、LTE、WLAN 等多种汇聚型网络架构。 图 3 抽象网络架构模型 100 Fig. 3 abstraction network architecture model 图3 中，各符号物理含义如下： • UE：代表用户节点，发送、接收数据 • Node：代表网络中部署了Cache 系统后的网元节点 105 • M：代表Cache 节点和CMNET 之间的所有其他网元节点 • CMNET：代表分组核心网 • CMNET、Internet 需要进行网间流量结算 • 流量传输路径：UE-Node-M-CMNET-Internet 在此，针对抽象架构模型需要注意两个问题： 110 • 节点流量可以合并，Node 节点可代表多个网元的汇聚，如：若干个GGSN，若 干个SGSN，若干个RNC，甚至是基站。 • 架构模型中每个节点部署相同的cache 系统，但架构模型中节点缓存命中率是 不同的 至此得到抽象网络架构模型，接下来集中讨论通过建模方式分析抽象网络架构模型，并 115 建立经济分析模型进行更进一步的讨论。 2 OPEX 经济分析模型 在本节中，重点讨论通过建模方式建立抽象网络架构模型的经济分析模型，并通过该经 济分析模型分析不同位置部署缓存节点时网络整体OPEX 运营成本节约情况。 为了便于比较在不同位置部署缓存节点时，OPEX 节约比较情况，首先提出“网络运营 120 成本节约百分比”概念。该概念的具体含义为：在特定位置部署缓存节点后，较未部署缓存 时，系统OPEX 运营成本节约情况并以百分比表示。本文将借助这一核心概念，提出OPEX 经济分析模型，最终借助该经济分析模型分析比较不同位置部署缓存的优劣，继而给出部署 建议。本节将重点讨论未部署缓存经济模型，部署缓存经济模型，以及网络运营成本节约百 分比模型。 125 2.1 未部署缓存节点时OPEX 开销成本计算 从前述的讨论中已经认知流量可以合并、缓存节点上方发送流量变化，并提出了抽象网 络架构模型。依此得出如下抽象网络架构未部署缓存时流量变化情况。 130 图 4 未部署缓存时节点流量变化 Fig. 4 traffic change without cache deployed 图4中蓝色箭头表示请求流量，橙色箭头表示响应流量。箭头的粗细表示流量的大小。 图中各参数意义如下所述： 135 • T1：单位时间内UE请求时发出的数据流量 • T2：单位时间内UE收到的响应数据流量 • i：网元位置，i= 1, 2，3 , 4，其中UE为4，CMNET为1 • ti：核心网内节点 i 到CMNET之单位流量传输成本 • bi：节点 i 到CMNET之间网元设备处理单位流量开销成本 140 • d：单位时间内网间单位流量传输成本 • hcmnet：CMNET命中率（CMNET服务能力） 图示的含义为：UE 发送T1 的请求流量，T1 流入Node 因此时Node 并未部署缓存， Node 流出T1 流量。T1 的请求经过后续数据请求路径最终由服务器响应T2 流量，T2 经Node 中转最终传输至UE。至此UE 完成数据请求。 145 为了得到未部署缓存经济模型，在此提出三个因子综合衡量此时系统的OPEX 开销： 传输成本记为Ot、设备处理开销Od、网间流量传输成本记为Op 。同时定义未部署缓存系 统时网络OPEX 开销总成本O[3]。因T1 流量远小于T2 流量，在公式中将省略对T1 的考虑。 学术论文网Tag：代写硕士论文 代写论文 代写MBA论文 代写博士论文 |
