无线加速技术和系统探讨

2022-09-12

2008年电信行业重组前, 中国联通是目前中国唯一拥有G网和C网的运营商。随着CDMA无线技术和业务的逐渐成熟与广泛应用, CDMA1X网络逐渐成为无线数据业务最主流的承载方式, 这给联通公司带来巨大商机。然而, 随着用户数的急剧增加, 网络容量, 特别是无线侧容量达到饱和, 用户在高峰时期出现拨不上网, 上网网速过慢等现象, CDMA1X上网速度离建网初期的100Kbps (理论可达153.6Kbps) 越来越远。

同时, 面对中国移动EDGE (理论可达384Kbps) 的局部试商用, CDMA1X较GPRS在无线数据的优势也受到很大的挑战, 如何保持在无线数据市场的品牌优势是中国联通必须考虑的问题。通过在无线侧进行大规模扩容来解决需要巨大的成本和更长的建设周期。因此, 考虑引入新技术, 采用无线加速技术是一种投资小、见效快、建设周期短的有效措施。

1 无线加速基本步骤

OSN动态优化技术分为对笔记本上网的优化和对手机上网的优化。整个系统有效地融合了优化的三大技术, 即数据压缩, 协议优化和缓存。对优化的处理可以理解为以下几个步骤 (如图1) 。

1.1 分类

因为不同类型的数据需要不同类型的优化算法, OSN动态优化技术首先对网络承载的数据类型进行分类。比如网页内容根据文字, 图片, 多媒体等分类。然后根据不同的类型选择合适的压缩算法。

1.2 压缩

压缩分为格式压缩和数据压缩, OSN集成了先进的格式压缩技术, 即通过重组数据实现最佳的数据缩减, 包括改进HTML, JAVASCRIPT, CSS代码的效率。数据压缩采用最优算法, 可以大大减少网络中需要传输的数据量, 压缩过程采用标准的压缩算法。在使用客户端的情况下将采用特殊的压缩算法, 以进一步提高压缩效率。

1.3 协议优化

协议优化分为应用层协议优化和传输层协议优化两种。其中传输层协议优化根据无线链路特性和不同网络交叉时的TCP问题, 在完全兼容标准TCP协议的基础上, 采用一套算法对TCP传输参数和特性进行调整以提高TCP在空中链路中的效果。应用层协议优化包括动态交织和动态复合两种专利技术, 根本出发点在于减少数据传输所需要处理的任务数和连接数, 从而减轻网络的负荷并有效降低下载时间。

动态交织的专利技术优化了网页浏览所采用的HTTP协议:打破数据传输请求之间通常是串行的传输模式, 将数据以并行的方式传输;使用了复杂算法来预测和纠正服务器的响应时间, RTT和传输中抖动造成的影响, 大大减少请求响应的处理和等待时间。动态交织主要用于笔记本电脑的优化。

动态复合技术则优化了页面对象的解析和获取方式, 以统一的服务器代理一次性完成所有对象的下载和显示。动态复合技术主要用于手机的数据优化。

1.4 智能缓存

通过把互联网上静态的内容保存在OSN服务器上, 用户下次访问相同的网站时OSN服务器就会与内容服务器做比较, 然后只从内容服务器上下载变化部分的数据即可, 从而减少传输的数据量, 提高访问的速度。

2 几种主要的无线加速技术

2.1 协议优化

BTCP技术:TCP/IP是互联网应用最为广泛的传输层协议, 但由于其诞生时还没有无线网络, 它对无线环境的信道丢失、可变时延、上下行不对称等无线环境特点不能很好的匹配, 不能充分有效的利用带宽。

拜特公司对TCP加速的专利技术btcp可透明的不需要对用户侧内容服务器侧的对tcp传输进行加速, 主要采用了以下几种技术措施: (1) 为减少流量冲突, 拥塞进行带宽管理; (2) 统计区分信道丢失、信号衰落等不同的导致拥塞的原因, 采取不同的恢复数据传输的方法; (3) 从无线信道中断和深度损耗中的tcp快速恢复; (4) 优化tcp的重传超时和冲突避免机制; (5) 协调一个用户多个tcp连接之间的流量管理。

概括而言, btcp加速技术解决了tcp协议和无线信道的信道丢失、低带宽、高时延以及不对称带宽等特性方面的不匹配问题, 并且对于客户端和服务器完全透明。

HTTP协议加速技术:笔记本上网卡和WAP2.0手机都是基于http协议进行互联网浏览。互联网页面一般由位于多个服务器上的多个对象组成。标准的http1.1协议下, 用户终端需要与每个服务器建立tcp连接, 并且根据RFC规范建议, 用户浏览器每次发送两个http请求给内容服务器。这样, 要获取一个有数百个对象的页面, 要经历数十个http请求响应周期的时延。无线数据加速器位于数据通道的中间, 在客户端和无客户端的情况下, 它都能提供有效的http协议加速。

在客户端模式下, 客户端软件告知浏览器与服务器建立了多个TCP连接, 基于每个TCP连接可同时传送两个http request的建议, 浏览器发出很多的http请求, 从而减少了http请求响应的次数, 减少了时延。

在无客户端模式下, 加速器应用了独特的“URL inlining”技术, 在获取web页面的html代码文件过程中, 加速器会在html文件的的不同对象的代码语句里插入虚拟IP地址。用户侧浏览器会成为这些不同虚拟IP地址的对象是位于不同的服务器上, 与不同的服务器之间必然存在不同的TCP连接, 因而会同时发出对这些对象的http请求, 从而实现把http请求响应模式由近串行变成近并行的加速效果, 减少时延。

2.2 数据缩减

动态过滤技术:当数据流过OSN时, OSN首先对某些格式的数据进行动态过滤, 如HTML, JavaScript, CSS里通常包含大量的注释和空白。OSN过滤掉这些无用数据, 对某些页面能减少数据量的30%。

无损压缩技术:OSN使用标准的压缩技术对数据对象和相关的文件进行压缩, 如gzip、deflate。HTML和文本对象还有其他格式的一些文件.pdf, .doc, .ppt, .xls会被这些标准的压缩技术进行无损耗的压缩。另外OSN还可通过标准压缩技术无损耗地对一些嵌入对象, 如Javascript和CSS进行压缩。这些压缩技术和解压缩技术被所有兼容HTTP标准协议的浏览其所支持, 如Microsoft Internet Explorer, Firefox, Opera等。所以, 即使在用户侧没有安装客户端软件, 也能顺利的进行解压缩。

在有客户端的情况下, OSN服务器和客户端应用软件BOC之间能进行效率很高的私有格式的数据压缩。

有损压缩技术:用户下载的数据通常包含大量的图片。OSN通过对这些格式的图片进行有损压缩能大量减少传输的数据量, 如JPEG, GIF和动态GIF格式的图片。有损压缩通常会减少图片的大小并降低图片的清晰度。用户侧可以对压缩的级别进行设置。

2.3 缓存

OSN支持对web进程的数据进行缓存。该缓存方案支持符合http1.0和http1.1协议的数据下载, 并把缓存数据存储于内存和硬盘上。Web缓存减少了OSN和内容服务器之间的对于同一对象的再次下载的数据量。尽管OSN和内容服务器之间的有线连接通常较快, 缓存方案还是能给用户带来较为明显的加速效果, 对于3G用户更是如此。对于不同优化级别的缓存对象, OSN存储不同的缓存版本。OSN在缓存方面有专利的差异缓存技术 (Macara Delta Caching) , 能够更显著的提高缓存效果。

3 加速系统不同的技术模式选择

3.1 在线模式

在线模式逻辑如图2所示。

数据流向分析:上行数据经无线网络、移动核心网络和PDSN到达核心数据交换机上。经过策略路由设置把数据发送到流量平衡器。然后优化服务器OSN, 再返回流量平衡器, 再回到核心交换机通过原有缺省路由到达Internet或Intranet。下行过程与此相反。

在以上过程中, 由于策略路由的优先级比缺省路由高, 数据现通过策略路由发送到优化系统后, 返回后才走缺省路由。当加速器优化系统发生极端情况失败时, 策略路由失败, 原有CDMA1X数据由缺省路由正常发送。不影响CDMA1X业务。

在线模式特点分析: (1) 对所有用户优化, 易于市场推广。加速器在线模式支持无客户端的优化, 非常有利于推广。加速器系统安装完后, 所有的用户立即得到优化服务。这对于运营商提高整个CDMA1X数据网络质量和所有用户的满意度起到非常关键的作用。对于重点客户则可以推荐客户端, 优化效果更为突出。 (2) 高度安全可靠。OSN可根据用户需求提供全双备份的系统, 具有高度冗余性。即使发生极端的所有优化设备失败, 如上所述, 不会影响原有的CDMA1X上网服务。如发生软件模块失败, 系统能自动检测并自动恢复正常。 (3) 兼容性。加速器相当于一台路由器, 不会对原有数据包的原地址目的地址作任何改变。只是在路由过程中截取相应数据包进行优化处理, 处理完后封装。该过程无需代理转换任何响应请求, 从而不受相应的协议升级或变化影响。极大地提高了加速器系统的兼容性。 (4) 漫游加速服务。当前加速器已在全国主要省份部署, 全部配置为在线模式。因而装有客户端软件的用户到已部署加速器的省份可自动无缝的享受加速服务。

3.2 非在线模式

非在线模式逻辑如图3所示。

数据流向分析:用户端必须安装客户端软件。客户端软件设定把数据包指向负载均衡器器。上行数据经无线网络、移动核心网络和PDSN到达二层以太网交换机上, 再传送到负载均衡器。负载均衡器再把相应数据交给相应加速器服务器处理。再返回负载均衡器, 再回到二层交换机通过原有缺省路由到达Internet或Intranet。下行过程与此相反。

非在线模式特点分析: (1) 部署方便。无需进行路由配置, 只要加速器系统IP可达就可以。因而加速器可以方便的配置在网络的不同位置中。如核心交换、防火墙里、防火墙外甚至于Internet网上。 (2) 用户需要安装客户端软件.加速器非在线部署方式相当于代理模式, 因而需要在用户的笔记本电脑上安装客户端。市场推广难度相对要大一些。