在網(wǎng)絡(luò)如此發(fā)達(dá)的今天，如何能夠跨地區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)，視頻信息的快速加載？這篇文章，我們將分析其中非常重要的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)：CDN。

什么是CDN？

CDN，全稱 Content Delivery Network，翻譯為內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，它是一個(gè)地理分布的服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，旨在提高 Web 內(nèi)容的性能和可用性。CDN 通過將副本存儲(chǔ)在戰(zhàn)略性地分布在世界各地的服務(wù)器上，從而減少延遲并加速靜態(tài)資產(chǎn)（如圖像、視頻和腳本）的交付。

當(dāng)用戶請(qǐng)求內(nèi)容時(shí)，CDN 會(huì)自動(dòng)將請(qǐng)求路由到最近的服務(wù)器，從而最大限度地減少物理距離，從而減少加載時(shí)間。如下圖，大概描述了CDN 模型的全貌：

為什么需要CDN？

CDN主要解決以下幾種挑戰(zhàn)：

• 減少延遲：通過從靠近用戶的服務(wù)器提供內(nèi)容，CDN最小化數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，從而加快加載速度并改善用戶體驗(yàn)。
• 可擴(kuò)展性：CDN可以通過將內(nèi)容分布到多個(gè)服務(wù)器來處理高流量負(fù)載和突發(fā)需求，防止網(wǎng)站崩潰和停機(jī)。
• 可靠性：CDN通過減少服務(wù)器故障和網(wǎng)絡(luò)擁堵的風(fēng)險(xiǎn)來提高內(nèi)容傳遞的可靠性。它們還提供冗余和故障轉(zhuǎn)移機(jī)制，以確保持續(xù)可用性。
• 分布式安全：CDN 通過在多個(gè)服務(wù)器上分發(fā)內(nèi)容來提供額外的安全層。這有助于緩解分布式拒絕服務(wù) （DDoS） 攻擊，因?yàn)?CDN 可以在惡意流量到達(dá)源服務(wù)器之前吸收和緩解惡意流量。
• 負(fù)載均衡：CDN 通常采用負(fù)載均衡技術(shù)，以在多個(gè)服務(wù)器之間有效地分配傳入流量。這樣可以確保沒有單個(gè)服務(wù)器過載，并有助于在流量高峰期間保持最佳性能。

CDN的組成部分

CDN由多個(gè)組件組成，如下圖所示：

• 客戶端（Client）：請(qǐng)求CDN內(nèi)容的終端用戶設(shè)備（如筆記本電腦、智能手機(jī)）。
• 路由系統(tǒng)（Routing System）：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接近性和服務(wù)器可用性等因素確定內(nèi)容傳遞的最佳路徑。
• 清洗服務(wù)器（Scrubber Servers）：過濾惡意流量，防護(hù)DDoS攻擊等網(wǎng)絡(luò)威脅。
• 代理服務(wù)器（Proxy Servers）：緩存和傳遞內(nèi)容給用戶，減少源服務(wù)器的負(fù)載并提高性能。
• 分發(fā)系統(tǒng)（Distribution System）：管理內(nèi)容分發(fā)到邊緣服務(wù)器，并確保網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一致傳遞。
• 源服務(wù)器（Origin Servers）：存儲(chǔ)內(nèi)容的原始副本，并將其提供給 CDN進(jìn)行緩存和分發(fā)。
• 負(fù)載均衡器（Load Balancers）：這些組件將傳入流量分布到多個(gè)服務(wù)器，優(yōu)化性能并確保高可用性。
• 內(nèi)容優(yōu)化工具（Content Optimization Tools）：在緩存和傳遞前預(yù)處理和優(yōu)化內(nèi)容，提高性能并減少帶寬使用。
• 日志和監(jiān)控工具（Logging and Monitoring Tools）：這些工具跟蹤 CDN性能指標(biāo)，監(jiān)控服務(wù)器健康狀況，并提供流量模式和使用趨勢(shì)的見解。
• 管理系統(tǒng)（Management System）：控制和監(jiān)控CDN的運(yùn)行，包括配置、性能監(jiān)控和分析。

CDN的工作原理

假設(shè)有這樣的一個(gè)場(chǎng)景：韓國(guó)的用戶希望訪問托管在美國(guó)服務(wù)器上的視頻網(wǎng)站。

• 在沒有 CDN的情況下，用戶的請(qǐng)求需要跨越長(zhǎng)距離，導(dǎo)致加載緩慢和緩沖問題。
• 使用 CDN后，用戶就可以從最近的節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)流，大大縮減了數(shù)據(jù)加載的時(shí)長(zhǎng)。

那么，整個(gè)工作流程是怎樣的呢？

• 客戶端：韓國(guó)的終端用戶設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求訪問視頻流網(wǎng)站。
• 路由系統(tǒng)：請(qǐng)求通過負(fù)載均衡器分配流量并優(yōu)化內(nèi)容傳遞，被路由到韓國(guó)最近的出入口（PoP）或邊緣服務(wù)器。
• 代理服務(wù)器：韓國(guó) PoP的代理服務(wù)器檢查請(qǐng)求的視頻內(nèi)容是否在其緩存中。
• 內(nèi)容優(yōu)化工具：如果內(nèi)容可用，則直接傳遞給用戶，提升性能并減少帶寬使用。否則，請(qǐng)求繼續(xù)下一步。
• 源服務(wù)器：代理服務(wù)器從位于美國(guó)的源服務(wù)器獲取請(qǐng)求的視頻內(nèi)容。
• 負(fù)載均衡器：負(fù)載均衡器用于在多個(gè)源服務(wù)器之間分配傳入請(qǐng)求，優(yōu)化資源利用并確?？蓴U(kuò)展性。
• 分發(fā)系統(tǒng)：獲取的內(nèi)容隨后分發(fā)到韓國(guó)的代理服務(wù)器以及全球其他邊緣服務(wù)器或PoP。
• 內(nèi)容緩存策略：內(nèi)容在韓國(guó)的代理服務(wù)器上緩存以供未來請(qǐng)求使用，采用推送或拉取緩存等緩存策略以優(yōu)化性能并減少延遲。
• 健康檢查：CDN持續(xù)監(jiān)控代理服務(wù)器和源服務(wù)器的健康狀況和可靠性，確保高效的內(nèi)容傳遞和容錯(cuò)能力。
• 管理系統(tǒng)：CDN管理系統(tǒng)控制和監(jiān)控CDN的運(yùn)行，包括配置、性能監(jiān)控和分析，以確保最佳的CDN性能和用戶體驗(yàn)。

整個(gè)流程如下圖所示：

數(shù)據(jù)緩存策略

CDN 主要采用以下 2種數(shù)據(jù)緩存策略：

• 推送緩存：源服務(wù)器在內(nèi)容被請(qǐng)求之前主動(dòng)推送內(nèi)容到邊緣服務(wù)器，確保更快的傳遞給用戶。
• 拉取緩存：邊緣服務(wù)器在用戶請(qǐng)求時(shí)實(shí)時(shí)從源服務(wù)器獲取內(nèi)容，減少存儲(chǔ)需求并確保內(nèi)容的新鮮度。

常見的問題

1.如何找到最近的代理服務(wù)器？

CDN是如何將尋找最近的代理服務(wù)器？?jī)蓚€(gè)關(guān)鍵因素如下：

(1) 網(wǎng)絡(luò)距離又包含以下兩個(gè)主要因素：

• 網(wǎng)絡(luò)路徑長(zhǎng)度：用戶與代理服務(wù)器之間的物理距離決定了網(wǎng)絡(luò)路徑的長(zhǎng)度。較短的路徑通常會(huì)導(dǎo)致較低的延遲。
• 容量（帶寬）限制：網(wǎng)絡(luò)路徑上的容量或帶寬也影響接近性。最佳接近性涉及選擇路徑最短且可用帶寬最高的服務(wù)器。這確保了更快的內(nèi)容傳遞給用戶。

(2) 請(qǐng)求負(fù)載：代理服務(wù)器在任何給定時(shí)間的負(fù)載，即請(qǐng)求負(fù)載，是另一個(gè)重要考慮因素。如果一組代理服務(wù)器負(fù)載較高，請(qǐng)求路由系統(tǒng)應(yīng)將請(qǐng)求重定向到負(fù)載較低的服務(wù)器。這有助于平衡代理服務(wù)器的負(fù)載并減少用戶的響應(yīng)延遲。

2.如何將請(qǐng)求路由到最近的代理服務(wù)器?

• DNS重定向：基于 DNS的重定向涉及將域名映射到靠近客戶端的代理服務(wù)器的IP地址。當(dāng)客戶端發(fā)送DNS查詢以解析域名時(shí)，DNS服務(wù)器響應(yīng)最近代理服務(wù)器的IP地址，指導(dǎo)客戶端到該服務(wù)器獲取內(nèi)容。
• Anycast：Anycast路由是一種網(wǎng)絡(luò)尋址和路由技術(shù)，將數(shù)據(jù)包定向到共享相同IP地址的一組服務(wù)器中最近或性能最佳的節(jié)點(diǎn)。使用Anycast，多個(gè)代理服務(wù)器廣播相同的IP地址，路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥詣?dòng)將流量路由到最近的服務(wù)器，最小化延遲并提高可靠性。
• 客戶端多路復(fù)用：客戶端多路復(fù)用涉及在客戶端和不同代理服務(wù)器之間保持多個(gè)并發(fā)連接。這允許客戶端同時(shí)連接多個(gè)服務(wù)器，并選擇延遲最低的服務(wù)器進(jìn)行內(nèi)容檢索。
• HTTP重定向：基于HTTP的重定向涉及代理服務(wù)器使用HTTP狀態(tài)碼（如301（永久移動(dòng)）或302（找到））將客戶端重定向到更近的服務(wù)器。當(dāng)客戶端向代理服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器評(píng)估客戶端的位置并將請(qǐng)求重定向到最近的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。

總結(jié)

在實(shí)際工作中，大部分公司通常選擇使用 CDN云產(chǎn)品，CDN 通過利用分布式邊緣服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，減少延遲，提高可靠性，并增強(qiáng)整體用戶體驗(yàn)。通過本文對(duì) CDN的分析，我們可以更好的理解 CDN的工作原理。