一种 CDN 网络的路由优化方案研究.doc

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1、精品论文大集合一种 CDN 网络的路由优化方案研究马玉会北京邮电大学信息与通信工程学院，北京（100876）摘要：根据现有的 CDN 路由优化技术的研究，本文提出一种全局负载均衡和基于客户端 探测的技术相结合的新方法。从用户角度来说，它可以弥补当前的全局负载均衡实现技术使 用服务器端探测而引起可能选择不到最优边缘服务器，另外可以最大可能的消除只从客户端 探测导致的整个网络更加拥塞的问题。 关键词：CDN，路由优化，全局负载均衡，基于用户端探测1.引 言随着计算机网络技术的发展, 网络已渗透到了世界的各个角落。但是, 当我们在上网时, 经常遇到响应速度缓慢, 甚至服务器错误响应或无法进行正常访问

2、等问题。网络实际性能与 人们对其服务质量的期望之间的矛盾, 已成为关注的焦点。鉴于此, 在现有的网络中建立一 个完善全面的中间层CDN(Content Delivery Network，内容分发网络) 1 是目前最为流行的网络优化应用方案。CDN是一个经过一定策略部署的整体系统。通过用户就近性和服务器负载的判断，CDN确保内容以一种极为高效的方式为用户的请求提供服务。总的来说，被选 择的边缘服务器，最理想状况是距用户仅有“一跳”(single hop)之遥。其中，请求路由系统 2 是 CDN 架构中至关重要的组成部分。因为它需要根据用户的请 求以及边缘服务器的状态信息决策判断，从而选取最佳的边

3、缘服务器。由此可见，设计有效 的请求路由系统是提升 CDN 整体性能的关键。目前提出的 CDN 路由方案大部分是从运用全局负载均衡实现的，都是从服务器端主动 或被动的获取每个边缘服务器的负载状况，以此为请求用户选择最优的边缘服务器。但是不论采取哪种具体的方法，当前 CDN 解决方案的请求质量主要从服务器端出发，或者说是站 在服务器所处位置的角度上进行度量。而从实际的业务应用模型来说，真正的服务发起者是在用户端，而请求质量改进的最终受益者也是用户端，所以目前的这种从服务器端出发的度量方法不可避免的存在着这种先天性的缺陷和不足。 为了解决上面的问题，论文3提出一种新的方法，从用户端探测每个边缘服务

4、器的负载，并且以此提出一种新的 CDN 路由的构架。但是论文 3 中请求用户不一定能选择到最优边缘服务器。为了解决每个用户每次登录都探测每个边缘服务器导致网络更加拥塞的问题， 论文3提出请求集群的划分，但是又引入一个新的问题：该论文中划分请求集群的一个基 础是按照分配给服务提供商的 IP 段来划分，而实际中可能会有新的服务提供商加入或原来 的服务提供商退出，自然 IP 段发生变化，从而导致请求集群不准确，那最终使得请求用户 不一定得到最好的服务。为了解决论文3中的问题，还有一方面发挥基于全局负载均衡的 CDN 请求路由优化方 案的扩展性好、可控性强的特点，另一方面通过使用基于用户端探测的 CD

5、N 请求路由度量 方案弥补基于全局负载均衡的 CDN 请求路由优化方案在网络传输性能的探测和度量上不够 精确的缺陷，本文提出一个新的 CDN 路由优化方案：全局负载均衡和基于客户端探测的路 由优化方案。我们提出的新方案的架构是：还保留当前的全局负载均衡大框架，在全局负载均衡的实 现上，也就是最优边缘服务器的选择上，引入论文3中的基于客户端探测的技术。我们引- 7 -入论文3的技术包括度量值的选取、获取和上报。本文的组织是：首先在第 2 节介绍当前CDN 网络的架构，阐述它的每个组成部分及其实现的功能，重点指出请求路由设计原则； 第 3 节详细介绍本文提出的全局负载均衡 4 和基于用户端探测相结

6、合的路由请求方案，先 介绍论文3中基于客户端探测的实现方法，衡量最优边缘服务器的度量值的选取、获取和 上报，再叙述把此方法运用到现有的全局负载均衡的实现方法上；根据上面的论述，在第 4节给出我们提出全局负载均衡和基于客户端探测相结合的路由优化方案的优点。2.CDN 原理及组建原则这一章节主要是简单介绍 CDN 的构架，给出它是有原始服务器、分发系统和路由请求 系统组成，并介绍中心服务器、边缘服务器、全局负载均衡和本地负载均衡的功能。着重指 出请求路由系统是整个 CDN 的核心部分，并给出请求路由的设计原则。2.1 CDN 的网络构架组成CDN 网络采用 C/S 结构。一个典型的 CDN 网络主

7、要由以下几个部分组成 5 ： 原始服务器：一般是一个服务器或由多个服务器组成的服务器机群，用于保存网络信息，并可实现对网络内容进行编码、打包、请求调度和传输等工作。 分发系统：负责将网络内容主动地“推”到边缘的各分支节点，并通过一定的策略协调各节点的内容存储，降低对原始服务器的带宽需求。 路由请求系统：根据用户的位置及用户所请求的网络内容选择合适的代理服务器，并将用户的请求转发到相应的。我们提出的 CDN 路由解决方案中，根据网络拓扑结构来看，是只包括核心层和分布层 的两级结构（如图 1）。核心层包括中心服务器和全局负载均衡设备等，分布层包括边缘服 务器和本地负载均衡设备及用户设备等（如图 1

8、 所示）。图 1CDN 网路的架构组成图中 GSLB 表示全局负载均衡设备，SLB 表示本地负载均衡设备，-表示 GSLB 与 SLB 之间的控制通道。上图中 CDN 各个部分的功能如下所述：(1) 中心服务器（Center Server）CS（Center Server）的作用：1）配合全局负载均衡设备负责所有用户的内容请求，根据用 户的信息做出准确的用户就近性判断，并根据判断的结果，将用户的请求分发到指定的边缘 服务器节点。2）负责 CDN 的内容分发管理，把需要服务的内容通过合适的格式和方式， 分发到所有的边缘 CDN 服务器。(2) 边缘服务器 ES（Edge Server）ES 用于

9、缓存内容实体和对缓存内容进行组织和管理。当有用户访问该客户内容时，直接由 各缓存服务器响应用户的请求。(3) 本地负载均衡 SLB(Server Load Balance)位于 CDN 接入点，除配合完成全局的负载均衡之外，负责内容服务引擎的负载平衡及业务 服务的访问控制。(4) 全局负载均衡 GSLB(Global Server Load Balance)负责通过静态或动态的方式为用户的请求选择最佳的访问站点。全局负载均衡设备实现 CDN 全网各用户集群之间的资源负载均衡，它与各用户集群的本地负载均衡设备保持通信， 搜集各用户集群的缓存设备的健康状态、性能、负载等，自动将用户指引到位于其地理

10、区域 中的边缘服务器或者引导用户离开拥挤的网络和边缘服务器。2.2 请求路由设计原则请求路由的设计涉及到就近性判断、重定向机制和流量分配策略等问题。本方案的请求 路由机制设计基于如下事实和考虑：网络服务要求的内容请求必须(或最大程度地)由距用户最近的和负载最轻的 ES 点提供 服务，为了实现这个策略，全局负载均衡和本地负载均衡需要保存维护距离度量和负载度量 信息。这就要求全局负载均衡设备在特定的时间以静态内容请求路由为主（或者定期更新）， 并有确定的备份请求路由方案；此外，请求路由的设计必须考虑 CDN 作为应用支撑平台，这就要求 CDN 的内容请求 路由机制要支持域名和直接给出 IP 地址的

11、服务模式。3.全局负载均衡和基于用户端探测相结合的路由优化方案内容服务的请求路由机制(RRS，Request Routing System)是 CDN 网络规划中最关键的因 素之一，它的设计直接关系到 CDN 的核心思想 1 ：就近服务。而全局负载均衡策略又是整个内容请求路由机制设计的基石，它的主要内容包括就近性判断和服务重定向机制，全局负载均衡的成功与否直接关系到最终用户的访问成功与质量。 当前的全局负载均衡的实现技术，都是从服务器端探测度量值，从而利用这些探测值为请求用户选择最优的 ES。而基于服务器端探测技术有以下几点缺陷：（1）被指定到一个 ES 的用户不能被其他 ES 有效的测量。（

12、2）有统计估计程序产生的度量是由过去的度量计 算出，它不能有效地跟踪网络拥塞和 ES 的负载。这样就导致不能为用户指定最优的 ES。（3）度量值产生错误的定向。网络中的通信双方通常在带宽和传播延时的质量上都不是对 称的。例如，被动方法检查输入包的 TTL 字段不能精确的反映出站跳数。因此，我们认为 用户端探测比服务器探测更有效。所以我们提出全局负载均衡和基于用户端探测相结合的路 由优化技术。下面我们先接受基于用户端探测的技术实现，这种技术主要是建立在论文3中的研究之上。本文只做简单的介绍，详细说明基于用户端探测的技术应用到全局负载均衡的实现方 法。3.1 基于用户端探测的方法和度量系统基于用户

13、端探测的方法首先需要解决的一个基本问题是选取一个衡量最优服务器的度 量。可以采用主动和被动两种方式，主动的方式是用户端主动发出“Ping”报文，并分析响应 报文的相关字段值，获得度量值；被动的方式是观测已存在 TCP 连接，分析其报文的相关 字段值。很明显，被动探测只适用于边缘服务器。另外一个需要解决的问题是收集和维护度量值，这些度量值反映哪个边缘服务器能更好 的为用户请求服务。我们的解决方案是，用户访问全局负载均衡设备，这个设备通知用户端 去度量各个 ES 的装入时间并把这些度量值返回给全局负载均衡设备。然后，全局负载均衡 设备维护它的数据库。度量设备可以是一段用脚本语言编写的探测程序（如

14、JavaScript）来实现，它可以被用 户端的浏览器直接下载并运行或者是在浏览器的插件（如 Java Applet，Flash ActionScript） 中运行，探测程序可以很方便的嵌入到服务器端的响应报文中。一旦被用户端接收，能在浏 览器中运行。这个探测程序能通知用户端从各个 ES 下载测试对象。这个测试对象的加载时 间被用户端测量并且记录。一个可行的方案是探测程序把这些度量值存储到用户的 cookie 中，并通过 cookie 把这些度量值传送给全局负载均衡设备。为了给用户请求动态的选择最优的 ES，度量值必须快速的从用户端返回。Web-cookie 可以在浏览器和网页服务器之间交换信

15、息，这几乎是一个理想的报告度量值机制。Cookie 里包含发出请求浏览的目录路径，这个信息可写在一连串的“NAME=VALUE”并被传送给源 服务器。请求路由设备使用 cookie 机制，以便用户端返回以下的用于重定向的数据：z用于特定请求的备选边缘服务器z每个备选边缘服务器到用户端的加载延时z使用请求路由设备的时间戳zCookie 中本地度量值和估计值除了 JavaScript 这种通用的方法之外，实际上我们还可以借助于一些常见的浏览器插件 中的脚本编程能力，如 Flash 的 ActionScript，Java 的 Applet 编程。通过这些编程技术，可 能打开另一个激活请求路由设备的

16、HTTP 连接，通过这个连接可以使用标准的 HTTP GET， POST 请求传递度量值，对于 Flash 的 ActionScript 编程来说通过在服务器端进行配置甚至可 以允许直接的客户端的 ActionScript 脚本进行 Socket 通信！使用 HTTP 协议而不是其他协议 的主要原因是绝大多数的防火墙默认都是允许 HTTP 通信的穿越。3.2 全局负载均衡的实现方法下面先介绍传统的全局负载均衡实现的方法：基于 DNS 的重定向 5 ，再重点叙述我们 提出的一种结合基于用户端探测的全局负载均衡实现的方法 HTTP 重定向技术 5 ，并分析 它们各自的优缺点。3.2.1 基于 DN

17、S 的重定向基于 DNS 的请求路由（DNS basede Request Routing）目前被广泛地在 Internet 上使用，它也在很多 CDN 应用里得到使用。DNS 服务器处理被请求网站或者内容的域名，用户在本地 DNS 服务器内初始名字查找，如果本地 DNS 高速缓存未命中，它把名字查找发送给 DNS 根服务器，DNS 根服务器返回网站授权 DNS（authoritative DNS）服务器的地址。授权 DNS 服务器由 CDN 服务提供商控制，它将根据当前网络状况（如负载监控信息）和路由映射返 回用户附近的一台边缘服务器的地址，最后用户从被指定的边缘服务器获取内容。由于传统路由

18、方法的原因，基于 DNS 的请求路由目前在 CDN 中应用最多。但基于 DNS的请求路由在设计上有如下的缺陷：(1) 在本地 DNS 高速缓存上未命中时，查找请求会被传送到根 DNS 和授权 DNS，由于没 有考虑用户的实际位置，这种方式可能会引发较长的往返时间 RTT（Round Trip Time）。 (2) 基于 DNS 的请求路由在返回给用户的记录上一般使用短的生存时间，这样系统能对网 络方面的变化迅速做出响应，但这种做法增加 DNS 服务器的负荷，因为生存时间短，客户 一定会更频繁地发送名字请求。使用网络级度量不会响应应用级的失效请求，用户请求可能被连续重定向到一台无反应 的 Web

19、 服务器。当 DNS 请求穿越中间 DNS 服务器时，用户的真实位置可能被隐藏，被选 择的边缘服务器从用户的角度看可能是不合适的。3.2.2 和基于客户端相结合的 HTTP 重定向技术HTTP 重定向方案，是通过全局负载均衡设备的 HTTP 重定向技术，将用户请求导向最 优的 ES。与基于 DNS 重定向的不同点也是最大的优点：不仅需要解析相应的域名，同时还 根据用户真实 IP 地址来进行最优边缘服务器节点计算和判断，最终将用户请求重定向到相 应的边缘服务器节点上。本文做的主要工作是把传统中最优 ES 的选择由从服务器端探测改变为基于用户端的探 测，使用第 3.1 节中我们介绍的基于用户端的探

20、测技术。从而从用户端的角度，为用户提供 最优的 ES。该方案需做的前期工作是在 DNS 服务器中将网站对应的域名解析记录指向到全局负载 均衡设备（GSLB）的 IP 地址。用户访问的基本流程如下（图 2）：图 2 HTTP 重定向（1）当有用户请求加入 CDN 服务的网站的内容时，所有用户请求都首先被发送到全局负 载均衡设备（GSLB）上（如图 2）。（2）该全局负载均衡设备首先通过 TCP 握手获得用户的 IP 地址，并在静态最近路径表中 查找该 IP 所属的网段是否存在，选出一个优先级最高的 ES 节点。（3）如果在（2）中，用户 IP 地址所属的网段不存在，全局负载均衡设备以同样的方式去

21、 查询动态最近路径表，选出一个优先级最高的 ES 节点。（4）如果在（3）中，用户的 IP 地址所属的网段仍不存在，全局负载均衡设备就把探测程 序嵌入到响应报文发送给用户（如图 2）。用户接收到响应报文，探测程序能在浏览器运 行，并通知用户端从各个边缘服务器下载测试对象（如图 2），并把测试对象的加载时间 等信息记录下来，利用 web-cookie 把各个度量值快速返回给全局负载均衡（如图 2）。然 后全局负载均衡设备按照一定的策略，确定最优 ES 站点。与此同时，该 IP 地址所在的 C 类网段会被添加到动态最近路径表，供今后使用。（5）然后全局负载均衡设备向用户发回一个 HTTP 重定向指

22、令（HTTP302），同时将重定 向的边缘服务器 ES 的 IP 发送给用户（如图 2）。（6）该用户收到重定向指令后，会主动去和这个选定的最优 ES 节点建立连接，以获得内 容（如图 2）。这种方案能解决传统基于 DNS 重定向方案存在的缺陷，但是它的缺陷是只能为基于HTTP 协议的访问进行重定向。3.2.3 全局负载均衡和基于客户端探测相结合的路由优化方案的实际应用 根据用户请求的业务特点和各负载均衡方案的特点，我们建议根据用户具体需求，选择不同的负载均衡方案，以给请求用户提供更好的服务。具体可分为如下几类：（1）提供新闻发布、信息查询时：采用 HTTP 重定向方案；（2）提供在线视频点播

23、和直播的流媒体服务时，采用基于 DNS 重定向方案。如果流媒体是通过嵌在网页中的播放器播放，我们还可以采用 HTTP 重定向。 另外，由于用户需求的多样性，还可以提供多种技术同时并存的方法；而且目前市场上主流 的负载均衡设备厂商，如 F5 和 Radware 等等，大都提供多种技术相结合的设备，相互取长 补短，为用户提供优化的内容路由请求服务。4结论我们在上面提出一个全局负载均衡和基于用户端探测相结合的请求路由方案，它易于给 一个特定的用户选取最优的边缘服务器。我们提出的方案是在现有的网络结构的基础上实现 的，不需要对现有的网络作重新架构；另外这个方案也是基于 JavaScript 或 Fla

24、sh ActionScript 编程实现的，它不需要在用户端作任何改动，并且和现存的服务器软件相兼容。我们提出的 方案一方面发挥基于全局负载均衡的 CDN 请求路由优化方案的扩展性好、可控性强的特点， 另一方面是站在用户端的角度，为请求用户提供一个最优的边缘服务器。参考文献1 O zgur Ercetin,Member,IEEE,and Leandros Tassiulas,Member,IEEE . Market-Based Resource Allocation for Content Delivery in the Internet . IEEE TRANSACTIONS ON COMP

25、UTERS, VOL. 52, NO. 12, DECEMBER 20032 Muhammad Jaseemuddin, Arun Nanthakumaran, and Alberto Leon-Garcia . TE-Friendly Content DeliveryRequest Routing in a CDN . 2006 IEEE3 Rami Mukhtar,Student Member,IEEE and Zvi Rosverg . A Client Side Measurement Scheme for RequestRouting in Virtual Open Content

26、Delivery Networks . 2003 IEEE 4 杨明川 .CDN 中的负载均衡技术. 信息网络，2003.115 姜文颖 .CDN 网络中几种负载均衡实现技术的探讨. 中国数据通信，2004.1A CDN network routing optimization research programMa YuhuiBeijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876)AbstractAccording to the existing CDNs technology to optimize routin

27、g technology, this paper proposes a newmethod with the global load balancing combined with the client-based detection technology. From the users point of view, it can make up the limitation of not search the best edge server, which is caused by the current load-balancing technology. Besides, it can eliminate the largest possible only detecting from the client led to the detection of the entire network of more congestion problems.Keywords: CDN,routing Optimization, global load balancing, based on client survey