基于Wi-Fi+蜂窝的双通道切片加速系统设计与应用

随着互联网业务的快速发展，人们对加速业务的需求越来越强烈，特别是视频直播、游戏和支付等业务，这些对网络带宽、时延、稳定性提出了更高的要求。为了满足这些需求，把以mpquic双通道加速技术和以移网QoS、宽带加速、城域网/骨干网QoS为主要内容的运营商网络加速技术相结合，实现了一种新型的双通道加速系统。该系统已在视频直播和游戏加速业务中得到应用，并取得了良好的效果。

引 言     

近年来，随着互联网业务的快速发展，人们对大带宽、低时延的网络质量保障需求也日益增加。特别是在互联网直播、游戏加速和秒杀等业务领域，用户希望直播更加流畅、游戏更少卡顿和支付等重要业务受断网的影响会更少。目前，针对互联网业务的加速技术主要有互联网加速技术和网络加速技术2种，互联网技术通过很多方式提升网络质量，其中包括多路传输技术mpquic、mptcp等，这些技术可以将蜂窝和Wi-Fi 2张网同时利用起来，采用多链路传输的方式提升网络传输质量。而网络加速技术是运营商通过发挥传输网络资源优势，在移动蜂窝网络、Wi-Fi传输和骨干链路传输等方面对网络传输质量进行保障。

本文将2种加速技术结合起来，共同保障重点业务的网络传输质量。由于大多数直播、游戏和支付类等互联网应用服务都是基于TCP/UDP实现传输，本身并不一定支持mpquic或mptcp多链路传输，因此本文提出采用SDK+加速网关的方式实现加速。具体而言，在用户的手机终端安装加速SDK，并在各省市边缘侧部署加速网关，SDK和加速网关之间采用基于mpquic的Wi-Fi+蜂窝的双通道传输链路进行数据传输，从而保障传输质量。当用户希望对应用进行加速时，SDK会把用户应用流量导入mpquic双通道传输隧道，由mpquic传输隧道将应用流量转发到边缘侧加速网关，再由加速网关将流量转发到目的源站。在保障双通道传输的同时，采用移动网络QoS和宽带加速技术保障双通道链路的传输质量，在加速网关与目的源站之间，采用骨干城域网QoS对经过加速网关的流量进行质量保障，最终实现业务加速的目的。基于此方案，实现了重点业务网络带宽、时延、稳定性的提升。

01 双通道加速网关整体架构

双通道加速网关的整体架构如图1所示。整个加速系统由4部分组成。

a）用户手机终端SDK。在用户手机终端安装加速SDK，Android手机通过VpnService，苹果手机通过Network Extension将用户业务流量导入mpquic双通道隧道，进而将数据传送到加速网关。

b）边缘侧加速网关。加速网关被部署在各省市边缘侧，当接收到用户的应用流量时，它会通过已经建立的mpquic双通道隧道，将该流量转发到相应的互联网业务源站。

c）网关OMC。OMC是对边缘侧加速网关进行管理的平台，它负责对网关进行配置下发和网关性能监控。OMC和加速网关一样被部署在边缘侧，以便对加速网关进行就近管理。

d）用于全局集中控制的网关加速平台。负责统一调度和管理所有的加速网关，对加速SDK进行统一管理，同时，负责调用运营商的网络加速能力。

从图1可知，双通道切片加速系统具有以下特点。

a）将mpquic双通道加速技术与移网QoS和宽带加速技术相结合。通过mpquic在SDK端与加速网关之间搭建了蜂窝和Wi-Fi 2条链路，这2条链路都可以使用运营商的网络能力，实现QoS保障。

b）实现了固移融合加速。实现了Wi-Fi固网加速和移网QoS加速的有机结合，进一步提升对用户加速能力的保障水平。

c）实现了接入网+传输骨干网的融合加速。在SDK到加速网关的接入侧使用移网QoS和家宽加速技术，在加速网关到互联网源站之间使用城域网QoS保障。

02 mpquic双通道加速技术

2.1  mptcp和mpquic协议的对比

mptcp是mpquic是多路径传输的两大开源框架。mptcp已经标准化，最新的IETF标准是RFC8684，而mpquic尚未标准化，仍处于研究阶段。mptcp和mpquic的特点及优缺点如表1所示。

从表1中可以看到，mptcp是在内核态实现的，不利于移动端开发。而mpquic是在用户态实现的，易于进行移动端开发。虽然mpquic仍未标准化，存在版本众多和兼容性差的问题，但是在SDK+加速网关的整体架构中，由于SDK和加速网关都只需要与对方进行通信，因此兼容性差的问题对加速业务的推广并无影响。同时，mpquic并未定义拥塞控制的功能，只是规定了几个接口，这样任何拥塞算法都可以实现这些接口，从而提高了系统的灵活性。因此，在本文所构建的场景中使用mpquic。

2.2  基于mpquic的双通道报文转发

mpquic双通道报文传输流程如图2所示。mpquic采用代理技术，在SDK和加速网关之间建立了mpquic双通道传输隧道。总体而言，mpquic的报文转发流程分成3段。

T0阶段。将用户要加速应用的流量通过tun口进行拦截。Android手机采用VpnService组件进行流量拦截，可以选择采用基于应用白名单或基于应用目标IP地址的拦截方式。苹果手机采用iOS的Network Extension组件进行流量拦截，只能选择基于应用目标IP地址的拦截方式。

T1阶段。在流量被拦截后，SDK终结APP的TCP/UDP连接，建立SDK到加速网关之间的mpquic双通道连接。接着，SDK会提取所终结APP连接所承载的payload，并通过Wi-Fi+蜂窝双通道将所拦截的流量传输到加速网关。在传输过程中，mpquic隧道所承载的同一会话（session）的connection ID都是相同的。

T2阶段。当接到一个完整的stream报文后，加速网关会模拟APP向目标源站发起新的TCP/UDP连接，并转发该报文数据。

报文的回传也是类似的相反过程。

2.3  mpquic双通道报文传输策略

在传输过程中，针对不同的业务类型，采用不同的数据传输策略，具体为：

a）针对视频直播业务的大带宽需求，采用client端在蜂窝链路和Wi-Fi链路中分别进行分包发送，并在server端进行聚合的方式，以提高传输带宽。

b）针对游戏业务的低时延需求，采用同一报文client在蜂窝链路和Wi-Fi链路中双发报文，server按照“先到先转发、后到不转发”的方式选收和转发报文，以降低传输时延。

c）针对支付等重要业务，采用双链路传输，即使一个链路断网，整体网络也不会受到影响，以保证业务的稳定性。

03 网络加速技术

网络加速技术是运营商利用其传输网络资源优势，对网络质量进行全面保障的一种手段。在SDK+切片加速网关的业务场景下，主要是通过移网QoS、宽带加速和骨干城域网QoS这3种措施保障网络质量。

3.1  移网QoS加速

移网QoS加速主要解决在使用蜂窝移动网络时，从用户终端到PGW/UPF的无线网络质量问题。移网QoS加速如图3所示。用户通过手机终端向网关加速平台发起加速请求，网关加速平台调用PCC能力平台提供的能力接口，将控制指令下发至用户归属地的PCF/PCRF。通过核心网的配置策略下发，实现蜂窝移动网络质量的保障。

进行移动QoS动态调用时，主要需要确定3组参数。

a）标记用户属性的参数。主要包括用户的手机号misdn，发起加速请求时的公网IP和私网IP（用户手机号和公网IP可以二选一）。

b）标记加速保障目标IP的参数。在SDK+加速网关场景下，目标IP就是加速网关对外暴露的公网IP地址。

c）拟下发的PCC策略参数。包括策略名称、QCI等级、最低保障带宽（GBR）和最大保障带宽（MBR）等参数。

移网QoS可以根据所要保障的业务下发不同的PCC策略。如视频直播类业务需要大带宽的网络保障，可以将PCC策略的QCI等级调整为4。游戏类业务需要低时延的网络保障，可以将PCC策略的QCI等级调整为3。

移网QoS保障是指在现有蜂窝网络环境下，通过调整QoS等级来实现网络质量的保障。在信号较弱或无网络覆盖的情况下，移网QoS保障不能增强网络信号。

3.2  宽带加速

宽带加速主要解决在使用Wi-Fi宽带时，从光猫到BRAS/BNG之间传输链路的网络质量问题。宽带加速及城域网/骨干网加速如图4所示。用户通过手机终端向网关加速平台发起加速请求，网关加速平台调用运营商互联网加速平台提供的能力接口，将控制指令下达到光猫和BRAS上，最终实现网络质量的保障。

宽带加速可以采用3种方式确定一条Wi-Fi连接传输通道。

a）通过宽带ID号进行确定。

b）把用户手机Wi-Fi公网IPv4作为源地址、加速网关IPv4地址作为目的地址，通过这一组IPv4地址进行确定。

c）使用用户手机Wi-Fi公网IPv6进行确定。

在SDK+加速网关场景下，由于用户可能处于移动状态，宽带ID号不确定，可以采用b）、c）方式来确定Wi-Fi链路。

在确定Wi-Fi链路后，可以根据所要保障的互联网业务类型，调整并下发不同的businessID，从而实现对大带宽和低时延业务的适配性保障。

3.3  城域网/骨干网QoS

城域网/骨干网QoS旨在保障城域网和169骨干网的网络质量。需要保障的源端是加速网关，目的端是互联网业务源站。

城域网/骨干网Qos有2种加速方式。

a）端到点QoS。源端需要具有一个确定的IP地址，而目的端不需要指定特定的IP地址，只需配置区域信息、省份编码或城市编码即可。

b）点到点QoS。源端必须具有一个确定的IP地址，而目的端则可以具有一个或多个明确的IP地址。

在SDK+加速网关的应用场景下，源端都是有确定公网IP地址的网关。而目的端是互联网源站，其IP地址是分散且会发生变化的，即便对某一个业务，其源站地址也可能会发生变化。因此在加速策略上采用端到点QoS保障方式。

城域网/骨干网QoS通过网关加速平台调用互联网加速平台提供的能力接口，将控制指令下达给CR和169网路由器。城域网/骨干网QoS采用在加速之前，提前下发配置指令的方式进行。

04 网关加速控制

4.1  加速网关控制整体架构

由图1可知，加速网关按照2级控制的架构进行控制。

第1级是边缘OMC控制。原则上，OMC与加速网关应部署在边缘侧的同一VPC内，但OMC也可采用拉远的方式，实现对加速网关的控制。OMC负责实时监控边缘侧加速网关的运行状态，接收网关发送的告警信息，并对网关上报话单日志进行处理。同时，也可以下发网关配置参数。

第2级是用于全局集中控制的网关控制器。该控制器负责对边缘侧的OMC和网关进行性能监控和管理，运维人员可以登录网关控制器，查看辖区范围内的网关和网关集群的运行状态。

4.2  网关选择

网关选择是网关加速平台的主要功能，负责对网关进行全局调度。由于加速网关部署在省市边缘侧，当用户使用SDK进行加速时，按照2个原则来选择网关。首要原则是确保流量不绕行，就近选择加速网关提供服务。其次，参考网关的负荷和性能情况，选择运行负荷轻、运行状态良好的加速网关。

05 结束语

通过将以mpquic双通道技术为核心的互联网加速技术和以移网QoS、宽带加速和城域网/骨干网QoS为主要内容的网络技术相结合，本文设计了一款基于Wi-Fi+蜂窝的双通道加速网关。针对视频直播的大带宽需求和游戏的低时延需求，对加速策略进行了调整，显著提升了重点业务网络带宽、时延和稳定性等方面的性能。

参考文献

［1］ 李洪峰，王志会，赫罡.移动互联网差异化业务保障方案研究［J］.邮电设计技术，2015（8）：36-41.

［2］ 王顺新.采用 L2 VPN 技术建设新型城域数据网［J］.电信技术，2007（2）：51-54.

［3］ 刘守政，赵艳怀.QoS 技术在 IP 城域网上应用［J］.硅谷，2011（18）：137-138.

［4］ 涂永胜，周振勇，宋连军.IP城域网QoS的部署与实现研究［J］.邮电设计技术，2007（10）：11-17.

［5］ 席刚 .城域网 QoS 专题研究［J］.通信与信息技术，2013（4）：50-53，60.

［6］ 马泽芳，霍龙社.LTE 核心网中基于 PCC 的 QoS 控制和能力开放技术研究［J］. 信息通信技术，2013，7（2）：58-63.

［7］ 张帆.基于 QoS 的 PCC 差异化服务在热点区域的应用［C］//辽宁省通信学会 2019 年度学术年会.沈阳：辽宁省通信学会，2019：583-586.

［8］ DE CONINCK Q，BONAVENTURE O. Multipath QUIC：design and evaluation［C］//Proceedings of the 13th International Conference on emerging Networking EXperiments and Technologies. Incheon，Republic of Korea，New York，NY，USA：Association for Computing Machinery，2017：160-166.

［9］ NETZE H. Architectural guidelines for multipath TCP development［J］. Heise Zeitschriften Verlag，2024（3）：4.

［10］ LI M，LUKYANENKO A，CUI Y. Network coding based multipath TCP［C］//2012 Proceedings IEEE INFOCOM Workshops. Orlando，FL，USA：IEEE，2012：25-30.

［11］ RAICIU C，PaaSCH C，BARRE S，et al. How hard can it be? Designing and implementing a deployable multipath TCP［C］//Proceedings of the 9th USENIX conference on Networked Systems Design and Implementation. San Jose，CA，USA：USENIX Association，2012：29.

［12］ OKUNISHI R，TENG R，SATO K. Reachability-Based packet scheduler of multipath QUIC for heterogeneous Mobile networks［J］.Communications and Network，2022，14（4）：200-209.

［13］ SWAMI B D，MISHRA V K，DAS D. Reliable control message exchange in wireless Real-World Multi-Path deployments［C］//2019 IEEE International Conference on Electronics，Computing and Communication Technologies （CONECCT）. Bangalore，India：IEEE，2019：1-6.

［14］ VIERNICKEL T，FROEMMGEN A，RIZK A，et al. Multipath QUIC：A deployable multipath transport protocol［C］//2018 IEEE International Conference on Communications （ICC）. Kansas City，MO，USA：IEEE，2018：1-7.

［15］ 武丽英 . 基于 AAC 的 PCC-QoS 能力开放架构设计［J］. 数字技术与应用，2017（8）：190-191.

作者简介

岳红强，毕业于中科院自动化所，博士，主要从事切片技术和5G创新技术的开发工作；

张伟强，高级工程师，硕士，主要从事切片技术和5G创新技术的产品设计工作；

童磊，高级工程师，硕士，主要从事网络切片产品创新工作；

李莹雪，工程师，硕士，主要从事网络切片产品创新工作。

论文地址：https://image.c114.com.cn/file/ys2024-03-17.pdf