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下一代内容分发网络的模型,CDN还是ICN?

CDNISPs亚太CDN峰会 2016年12月26日 阅读
摘要】本文出自Vodafone研究员Stefano Iellamo在16年12月5日推出的论文对于内容分发的新一代价值网络,针对未来可能存在的互联网特征,对现有CDN模型的思考以及未来IC...


本文出自Vodafone研究员Stefano Iellamo在16年12月5日推出的论文“对于内容分发的新一代价值网络”,针对未来可能存在的互联网特征,对现有CDN模型的思考以及未来ICN模型的设计进行了描绘。
 
由于技术和经济的多重挑战,可能会对行业中未来的利益相关者产生一些作用。对未来分发网络而言,新的干扰元素会陆续让运营者产生疑问,例如,无处不在的加密、流量的爆发、网络的延展性、延迟需求以及网络控制,那么现有的CDN模型是否对这些变化具有较好的鲁棒性,就是本文想要探讨的话题。
 
原始端到端的网络架构已经无法单纯通过内容分发中的缓存来解决网络的可拓展性和协调问题,这就导致了碎片化的网络覆盖了整个互联网,CDN由此而生,CDN可以被认为部署的多个数据中心,通过智能缓存的运营,分布式系统,减少服务器中存在的延迟。
 
然而,互联网的流量以及内容量不断增长,这也给缓存的重要性以及CDN的重要性带来了利好。例如,当乌干达和肯尼亚地区引入了Google Global Cache之后,仅仅两周时间,流量就上升了300%~1000%之间。 
 
但与此相对的,CDN市场同样也面临着这样的问题,爆发的流量给正在成长的CDN市场带来了挑战,一种对于传统传输以及节点模型的挑战,创建一个更统一高效的内容交付模型将能够更好地将CDN融入到互联网需求中。
 
信息中心网络(ICN),是一种新网络形式的范本,核心在于利用内网缓存和适应内容驱动网络应用模型的网络架构。这个概念的提出在于,路线应基于独有的内容名称,而不是内容的位置。在内容分发过程中,CDN利用分布式缓存的方式让内容更贴近于用户,但重心放在了内容上而不是位置,这种模式应当能被视为ICN网络的前身。
 
另一方面,斯诺登的事件引起了互联网用户对于信息隐私以及免受攻击性的关注,这极大刺激了内容的加密要求,对在Web浏览器以及内容服务器之间的HTTPS流量提出了更高的要求。例如,一个安全的TLS通道在源站以及目的地之间建立,如果一端使用HTTPS地址有一些隐私的高要求,那么另一端就会有一些警告级别的提升:
 
ISP(包含接入网以及骨干网服务提供商)几乎无力面对一些加密的流量,监测以及优化的工作只能通过终止HTTPS连接进行检查。如果将之视为一种工作流程(实际上由人工进行执行),这会增加信息的处理时间,同时在大流量的过程中,这样的做法也不够现实。
 
CDN同样也是CP,有权利对于内容进行优先级排序,在这个环节中,网络中立的原则往往是失效的。
 
HTTPS延迟依然不容忽视,因为初始SSL密钥交换以及CDN在缓存优化中的困扰。
 
因此,如果一方面,ISPs希望和CDNs保持更紧密的合作关系,另一方面,他们也会通过CDNs发现其通过一些木马的手段争夺网络最后的关口。所以,ISPs的核心是需要保障、控制其用户与之在服务和互动中的QoS体验。为此,在加密视频流量上的控制以及缓存操作就变得至关重要。(随着近期Netflix跳转到HTTPS,加密视频将很快占据美国一半以上的互联网流量)
 
可能存在的一种争议是,对于不同种类的内容而言,HTTPS是否是一种激进或者可靠的保障,从这个角度来看,ICN能够提供数据定制化的安全性,而不是Tunnel安全,这就意味着数据的完整性(未篡改)以及认证(数据来源)是可以得到保障的。 
 
然而,ICN经常被看作是一个可能会破坏CDN业务的一个解决方案,为此,Stefano Iellamo希望通过一个积极的方式,让不同网络层面的参与者能够共同探讨协议的设计,确保部署ICNs的同时,产生积极的社会及经济价值。
 
因此,以下内容将可能涉及到ICN以及CDN两种不同的模型,在应对无处不在的加密数据,未来网络可能存在的结构变化,以及网络利益链条中各自受到的影响。
 
1.传统CDN的分发模型以及利益链条
 
 
在传统CDN模型中,CP外包到一个CDN服务提供商,CDN服务提供商可以看作是原有“客户端——服务器”模式中的一个新的利益相关者。CP能够通过IAP连接到CDN(图上IAP1),或者直接通过节点连接到CDN,在CDN模型中,一些内容的请求来自于CDN服务器。因此,CP与IAP1之间的流量就能被减少,然而在这种模型中,并不能减少CP对于分发内容的成本,而是将之支付给CDN流量成本。因此,在一般意义上,从流量费用的角度出发,更低的成本取决于流量从CP到IAPs,而不是CP到CDN。但如果是大流量数据,CDN可能还会比IAP成本更低廉。
 
CP之所以趋之若鹜地使用CDN,主要原因还是CDN能够提供一些独到的好处。好的延展性,降低CP源服务器的负载,改善终端用户的体验,特别是对于上图中的C2用户,同时,CDN能够利用数据信息中一些无形的价值,CDN服务提供商转售这部分业务给到CP,从而加重CP给CDN服务提供商提供的现金流。此外,如果CDN服务提供商和移动网络运营商合作,他们还能利用用户的匿名数据,实现多样化的功能。
 
CDN模型的出现,降低了IAP1中面向CP的一部分收入,但同时也节约了面向IAP2的一部分网间成本,传统上,CDNs以及IAPs具有节点自由结算协议,允许CDNs在IAPs网络上免费设置服务器,然而随着大流量的分发,IAPs逐步增加了CDNs节点的费用。但通常现实上,费用的结算并不严格按照流量执行,其中通常会被加入一些其他的原因。
 
最后,从互联网骨干网的角度,CDN能够通过刺激用户产生额外流量,但同时,CDN也会竞争IBP的内容交付市场并降低IBP的收入,CDN所带来的负面影响,取决于CDN与IAPs之间的节点协议数量。如果CDN覆盖的范围足够的广泛,IBP对于IAP1/IAP2/CDN之间的流量以及收益就会越少。
 
2.互联网加密信息对IAP造成的影响
 
随着加密的广泛应用,导致了HTTPS在浏览器(终端用户)以及内容服务器的普及,在最坏的情况下,它将有可能把IAP推向一个聋哑管道的境地。随着海量加密流量的出现,多数IAPs开始采取措施应对互联网加密,在这样的新背景之下,IAP的终极目标,是保持一个可以接受的流量控制能力,从而使其能够具有一定的信息保护能力以及用户QoE的保障力。为此,以下几个方向可能是业务发展方向,并指出其可能存在的优缺点。
 
A、IAP的HTTPS流量监测合法化
 
这可能存在两种不同的方式,通过人工阻断HTTPS流量,这样的机制,能够让MNO完全掌控并优化他们的网络。尽管通过人工干预的方式对于大流量而言,不仅不稳定,也不太切合实际,但这种方式简单直接,尤其当运营商在需要保障国家安全以及打击恐怖主义的过程中,它可以帮到IAPs以及运营商。
 
B、IAP-CDN的充分合作
 
在加密流量的环境下,接入网中的信息能力,比如缓存能力、瞬时吞吐量以及用户移动性等数据,可以打包给CDN服务提供商并和一些其他数据进行交换。这种商业模式被称为NaaS(Network as a Service),移动运营商与CDN服务提供商全面合作的优势,在于能让运营商服务器资源出借给CDN边缘服务器,用于非特定用户的信息交换,如平均信元吞吐量等数据,以及TCP级优化。此外,这种方式同样适用于QUIC(快速UDP互联网连接),因为它能够为QUIC服务器提供具有价值的信息优化统计技术,即数据包同步以及自主重发。
 
另一方面,需要强调的是,在NaaS视角,IAPs应当仔细评估任何潜在的利润问题以避免与CDN产生冲突,事实上,一个对于CDN的高压价格,会影响到CP,甚至某些情况下会影响到终端用户。例如,Netflix可能会被迫增加月支出,导致用户购买其服务,这会导致更少的流量经过IAP和CDN,最终导致CDN与IAP的利益受损。
 
C、TCP级优化
 
一个可能存在的想法是,让IAP减少通过其网络的流量,用以实现在无线接入节点中的TCP冻结机制,在用户水平连接、信元读取或者其他任何相关测量的情况下,通过ZWA信息冻结选定的TCP连接。于是,每当传输问题被检测或者预测时,TCP发送者会被冻结,当系统能够重新运作的时候,TCP也将被重启。如果TCP发送者收到带有ZWA的ACK段落,它将受到冻结,后者迫使TCP发送者延缓所有的中继定时器并让其进入一个Persist模式,直到资源接收到一个NZWA。
 
因此,及时冻结将尽可能减少由恶劣的无线通道导致的TCP慢启动,并允许TCP面临覆盖问题的时候,能够以一个相同的速度继续,而不是通过慢启动重复。
 
这样的解决方案不需要使用专用信息(例如ICMP)或者其他命令来冻结TCP发送者,这个机制对于TCP发送者而言意义显而易见,无论对于TCP接收方还是发送方,都不需要额外的支持。结果表明,TCP冻结机制能够带来显著的收益,比方说在某些具有覆盖漏洞的案例中,平均断电时间(20~30%性能收益)和吞吐量(15%下载时长降低)的改善。
 
D、重内容IAPs成为CDN-0 
 
 
在另外的一篇论文中,作者会提到利用内容多寻址降低CP低流量的成本,这在让每个CP签订唯一权威CDN(称之为CDN-0)的情况下是可行的,并且要让CDN削减单个CDN中存在的潜在性能陷阱。因此CDN-0将表现得像Proxy,从注册CPs那里聚集请求,并且从其他CDNs那里获得折扣,成为一个巨大的CP,如同图上所展现的。
 
为了履行它的商业承诺,CDN-0会使用自己的基础设备或者从其他CDNs那里出借服务。这对于某些数据传输以及某些类型的内容而言不可或缺。无论数据是否被加密,它都实际存在,尽管这可能会带来监管上的麻烦。在一些案例中,运营商需要去调整一些纠纷或者争议,比方说小的CP在无法得到更高性能的要求下,可能会提出不愿意支付更高的CDN费用,尽管大CP有时自己会拥有CDN。
 
E、大型Eyeball IAP成为CDN
 
这已经被证实,在社会资源利用最大化的条件下,是唯一可行架构。大型Eyeball IAPs收益来源于大型eyeball网络通过联盟提供的缓存基础设备(从而成为实际上的CDNi),以及第三方实体服务器在CP以及各种eyeball IAP网络之间的业务代理。这种模式能够适应缓存所带来的大部分价值。并且,它不会成为经典CDN模型的阻断器,中小型眼球网络依然会找到传统CDN模式所带来的好处。
 
F、应用级缓存操作
 
从所说的部分,人们或许能够很轻易地发现,缓存的位置、控制以及大小是容易影响价格的重要因素,尤其是在传统的CDN模型中,因此,对于这样的业务来说,关注缓存资源的管理和运用,尤其是技术手段中寻找到解决方案尤为重要。考虑到这一点,下面可以谈一些有关于这方面,具有前景的研究方向:
 
缓存基站:在近期的文件中可以发现,通过具有缓存功能的小型基站,能够在停机概率以及平均交付率上获得显著的收益。因此,对电信运营商来说,部署更多的基站或提高现有的部署存储规模能够实现达到一定的QoE等级。
 
利用缓存移动性:无线接入提供商边缘缓存运营能够通过利用用户的移动性获得提升,在5G的使用场景下,鉴于移动性以及用户的请求模式,能够通过侦测内容并通过SBS的有效缓存减缓宏单元的负荷。SBSs是用户依次访问的,在缓存内容的时候也应该能够配合上用户的使用习惯。
 
结合缓存中的多点传送:优化内容分发过程中,多用户在临近时间内请求相同内容,主要适用于大量人群聚集在同一地区,或者共享一个共同的爱好。比方说,在体育场里,用户可能会同时希望得到其他比赛的统计与分数,在5G的场景中,用户对于同一文件的要求被搜集并且从MBS中通过单个多播传输的方式周期服务,为了避免这样昂贵的MBS传输方式,所有SBS收到的请求相同文件应当被缓存。
 
预测缓存:在用户实际需要用到之前内容能够被预存下来,这种方法在BBC iPlayer中已经获得了真实的数据证明。
 

尽管一些价值网络能够被组成ICN,但通常我们只将重点放在一个上面,那些IAP透明缓存命名内容的价值网络,类似于Web缓存。如同在上图中所示,缓存由ISPs控制,在这种情况下,CP就失去了整个内容分发中的掌控,同时ICN透明缓存内容通过最佳的位置给内容请求提供服务。于是,CP以及IAP1之间的流量以及相关的现金流就减少到和CDN模型一样的要求。
 
由于最佳缓存的选择,骨干网的流量降低,因此,IAPs和IBP之间的费用降低,这可能会导致IBP的抵制,并降低他们对于ICN的部署。基建以及维护缓存设备这些IAP增加的成本并不在价值网络上说明,仅仅探索流量的成本关系,而后面会有一些关于这部分的解释。
 
3.ICN模型的背景
 
对于信息中心网络的挑战——在部署ICN时,可能存在一些挑战,下面就是一些关于这部分的探索,首先是CDN市场中的双边定价(上图),这影响到CDN提供商的合并成为全网范围的CDNs。一个全网CDN或一个互联CDN与ICN模型中拥有相同的覆盖面,因此会被认定为ICN直接的竞争对手。此外,CDN提供商可能通过放置更多靠近用户侧的缓存服务器,尤其是在某个地点与ISP具有紧密的合作关系,就可能成为ICN。
 
CDN模型是一个双边市场模型,具有一个中央平台协调业务并提供服务水平保障,此外,CDN服务提供商提供使用统计数据为CP提供服务。而提及的价值网络ICN模型,不具有独特的能够提供保障服务以及增值服务的中央平台和双边市场有交集。由于CP服务等级保障和数据统计都是具有价值的产品,ICN模型需要解决这些问题以获得CP的认可。此外,对于广告主,作为CP的一个重要的收入来源,能够识别每个用户是重要的,但缓存让识别更不明确。为了解决这系列的问题,IAPs需要为CP收集用户信息和使用情况,然而ICN的能力以及IAP的意愿目前来看都是不确定的。
 
ICN中另外一个问题是CP对于其内容的掌控,尤其是在某些市场中的动态内容,这意味着CP与IAP之间可能存在一些矛盾,IAPs可能不会有动力频繁升级内容缓存,同时,CP又希望他的内容是保持最新的。采用一些法律规范、商业协定和经济刺激可能能够有助于改变这个矛盾,以及其他ICN模型中能认知的限制。然而,这些限制必须在ICN推出前被解决,中心平台的存在能让收费变得更为便捷。在ICN模型中,模糊的是谁应该为此服务,同时谁又应该为此付费,这在最坏的情况下可能导致CP指责失去接入网掌控,尤其是当内容还包括一些广告赞助的时候。从CDN的市场中,可以发现CPs,相比ISPs更愿意将费用支付内容交付质量,尽管如此,ISPs依然更愿意部署ICN在网络关键需要掌控的地方。因此,对于ISP而言,如果他们更愿意将成本给到消费者甚至是CPs,这也将成为未来分发的重要潜在平台。
 
IAPs对于ICN的投资意愿由网络流量减少、额外投资以及其余成本所决定(商业模型的重塑需要IAPs对于缺失的人力资源以及与CPs的协议推动)。然而在这样的网络模型中,ICN模型将不考虑与现有的CDN模型竞争,尽可能避免额外的投资并且从CDN服务提供商中获得一定的收益。于是,对于IAPs而言,需要额外的推动与激励促使其在ICN上作出投资,这个激励要足以弥补其在CDN模型中所获得的收益。例如,一个eyeball IAP具有投资缓存的意愿,它能够从CP那里获得足够的费用,另一方面,ICN能够帮助它实现面向内容的互联协议,不仅仅基于传输的数据量,同样包括合作伙伴内容的可用性。如果可用内容的价值高于传输的成本,那么这种新的方式,将给IAPs投资ICN给予更高的动力以及奖励。
 
最后是基于价值网络的分析,IBP将缓存加入到网络的意愿是非常低的,但它能够被显著下降的流量费用所刺激,所以尽管流量收入一直以来都是IBPs的主要收入来源,IBPs目前也能转移到其余收入来源,包括提供CDN服务。因此,IBPs也可以公开在ICN中寻找到切实可行的盈利模式。
 
4.ICN联盟的组成架构与模型
 
经过上述内容的阐述,基本上可以认定缓存在这个环境下的优势(主要来源于技术)以及劣势(主要来源于商业模式),事实上,在大多数ICN中具有特征的自组织透明缓存其实很难能够盈利,因为它就是一个黑盒(无法掌控数据)。于是就需要提出一种基于ICN的商业缓存业务模型,缓存中的内容分配由值得信赖的权威决定,称之为交付经纪人。
 
l CDN作为交付经纪人(比如Akamai),这个新的角色带动额外的收入给到CDN(基于ICN联盟),从而促使模式的转变。
 
l ICN联盟成员部署和管理自己的ICN网络,但仍享有共同的实体,和谐围绕在CP、终端用户以及CDN之间。
 
l 由于联盟面向ICN,因此对于IAPs而言是一个长远的规划,在整体的战略调整中,可以被认定为短期/中期战略。
 

ICN联盟的价值网络可以从上图中获悉,基于这样的架构CP能够获得一种潜在的掌控力,让CP在交付经纪人分配的时候具有一定偏向的能力,为了便于阅读,CDN以及IAP3之间的流量和费用并没有在报告中呈现。
 
5.性能评估
 
一个值得争议的问题是,对于运营商而言,是否通过缓存功能能够持续丰富BSs?他们的收入规模是否能够满足5G下的流量爆发?是否能够在内部网络中抵消成本的增加,尤其是加密流量?是否让CDN服务提供商参与到接入网管理工作会更有利于运营商的发展?需要多少成本才能将IAP网络完全掌控?ICN是不是就能解决所有这些问题?
 
 
在试图解答这些问题的同时,可以先比较几个关键的参数,即终端用户的延迟、控制(缓存和内容分发)、网络可拓展性和监管问题。如上图所示。
 

从IAP的角度来看,最重要的因素是在加密内容通过IAP网络的时候,最终用户的QoS。在这样看来,DPI以及ICN会是最为合理的解决方案。
 
最后,着眼于网络整体,其中的一个关键要素是网络的可拓展性,在这方面,ICN模型对于流量而言会更好,由于网络的分散性,它将有利于其中的利益相关者。
 
6.总结
 
近年来,CDN迅速成长为安全快速的内容交付解决方案途径。这种方式在当前环境下能够如此繁荣,是因为它能够解决端到端的QoS问题,通过利用互联网接入服务提供商(IAPs)与CPs需求的不对称,因此,双边定价让CDNs同时吸引了IAPs和CPs,导致CDN服务提供商巩固并且壮大。
 
考虑到未来网络的变化,即无处不在的加密,网络流量的爆发,网络可延展性需求,延迟的要求以及网络控制等要素,可以肯定的是,当以上的几个元素,出现了质的要求,CDN模型将出现不稳定的发展,并且从长远来看,没有生存的空间。
 
因此,下一步的工作将是,在短期内,巩固目前的CDN模式,追随繁荣的节点商业模式以及推动更紧密的IAPs与CDNs的合作关系。而另一边,从长远来看,随着大IAPs将面对加密内容的失控,带宽的进一步膨胀,基于新一代设备以及基于视频流量的需求造成的流量爆发,新的变革将会出现
 
ICN模型,考虑到CDN模式的演变路线,通过独有内容命名和优化缓存特征,基于新的网络特征。尽管可能被认为是提升互联网可延展性的一个概念,其设计将面临技术,乃至现有业务和商业模式的挑战。因此面对这些挑战,提出了商业化缓存以及交付经纪人的模式,最大限度保障大部分网络相关者的利益。
 
 
2017年4月12~13日,北京四季酒店,五年历程,合作伙伴包括网宿科技、蓝汛、帝联科技、阿里云、腾讯云、百度开放云、光载无限、世纪互联、Akamai、Limelight、Level3、中国电信、中国联通、中国移动、华为、中兴等互联网各大参与者,全球CDN服务提供商欢聚的盛会,将再度开启。
 
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来源: AsiaOTT作者:王旭

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