在網絡如此發達的今天，如何能夠跨地區實現數據，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技術環節：CDN。

什么是CDN？

CDN，全稱 Content Delivery Network，翻譯為內容分發網絡，它是一個地理分布的服務器和數據中心網絡，旨在提高 Web 內容的性能和可用性。CDN 通過將副本存儲在戰略性地分布在世界各地的服務器上，從而減少延遲并加速靜態資產（如圖像、視頻和腳本）的交付。

當用戶請求內容時，CDN 會自動將請求路由到最近的服務器，從而最大限度地減少物理距離，從而減少加載時間。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：

• 減少延遲：通過從靠近用戶的服務器提供內容，CDN最小化數據傳輸時間，從而加快加載速度并改善用戶體驗。
• 可擴展性：CDN可以通過將內容分布到多個服務器來處理高流量負載和突發需求，防止網站崩潰和停機。
• 可靠性：CDN通過減少服務器故障和網絡擁堵的風險來提高內容傳遞的可靠性。它們還提供冗余和故障轉移機制，以確保持續可用性。
• 分布式安全：CDN 通過在多個服務器上分發內容來提供額外的安全層。這有助于緩解分布式拒絕服務 （DDoS） 攻擊，因為 CDN 可以在惡意流量到達源服務器之前吸收和緩解惡意流量。
• 負載均衡：CDN 通常采用負載均衡技術，以在多個服務器之間有效地分配傳入流量。這樣可以確保沒有單個服務器過載，并有助于在流量高峰期間保持最佳性能。

CDN的組成部分

CDN由多個組件組成，如下圖所示：

• 客戶端（Client）：請求CDN內容的終端用戶設備（如筆記本電腦、智能手機）。
• 路由系統（Routing System）：根據網絡接近性和服務器可用性等因素確定內容傳遞的最佳路徑。
• 清洗服務器（Scrubber Servers）：過濾惡意流量，防護DDoS攻擊等網絡威脅。
• 代理服務器（Proxy Servers）：緩存和傳遞內容給用戶，減少源服務器的負載并提高性能。
• 分發系統（Distribution System）：管理內容分發到邊緣服務器，并確保網絡內的一致傳遞。
• 源服務器（Origin Servers）：存儲內容的原始副本，并將其提供給 CDN進行緩存和分發。
• 負載均衡器（Load Balancers）：這些組件將傳入流量分布到多個服務器，優化性能并確保高可用性。
• 內容優化工具（Content Optimization Tools）：在緩存和傳遞前預處理和優化內容，提高性能并減少帶寬使用。
• 日志和監控工具（Logging and Monitoring Tools）：這些工具跟蹤 CDN性能指標，監控服務器健康狀況，并提供流量模式和使用趨勢的見解。
• 管理系統（Management System）：控制和監控CDN的運行，包括配置、性能監控和分析。

CDN的工作原理

假設有這樣的一個場景：韓國的用戶希望訪問托管在美國服務器上的視頻網站。

• 在沒有 CDN的情況下，用戶的請求需要跨越長距離，導致加載緩慢和緩沖問題。
• 使用 CDN后，用戶就可以從最近的節點獲取數據流，大大縮減了數據加載的時長。

那么，整個工作流程是怎樣的呢？

• 客戶端：韓國的終端用戶設備發送請求訪問視頻流網站。
• 路由系統：請求通過負載均衡器分配流量并優化內容傳遞，被路由到韓國最近的出入口（PoP）或邊緣服務器。
• 代理服務器：韓國 PoP的代理服務器檢查請求的視頻內容是否在其緩存中。
• 內容優化工具：如果內容可用，則直接傳遞給用戶，提升性能并減少帶寬使用。否則，請求繼續下一步。
• 源服務器：代理服務器從位于美國的源服務器獲取請求的視頻內容。
• 負載均衡器：負載均衡器用于在多個源服務器之間分配傳入請求，優化資源利用并確保可擴展性。
• 分發系統：獲取的內容隨后分發到韓國的代理服務器以及全球其他邊緣服務器或PoP。
• 內容緩存策略：內容在韓國的代理服務器上緩存以供未來請求使用，采用推送或拉取緩存等緩存策略以優化性能并減少延遲。
• 健康檢查：CDN持續監控代理服務器和源服務器的健康狀況和可靠性，確保高效的內容傳遞和容錯能力。
• 管理系統：CDN管理系統控制和監控CDN的運行，包括配置、性能監控和分析，以確保最佳的CDN性能和用戶體驗。

整個流程如下圖所示：

數據緩存策略

CDN 主要采用以下 2種數據緩存策略：

• 推送緩存：源服務器在內容被請求之前主動推送內容到邊緣服務器，確保更快的傳遞給用戶。
• 拉取緩存：邊緣服務器在用戶請求時實時從源服務器獲取內容，減少存儲需求并確保內容的新鮮度。

常見的問題

1.如何找到最近的代理服務器？

CDN是如何將尋找最近的代理服務器？兩個關鍵因素如下：

(1) 網絡距離又包含以下兩個主要因素：

• 網絡路徑長度：用戶與代理服務器之間的物理距離決定了網絡路徑的長度。較短的路徑通常會導致較低的延遲。
• 容量（帶寬）限制：網絡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器。這確保了更快的內容傳遞給用戶。

(2) 請求負載：代理服務器在任何給定時間的負載，即請求負載，是另一個重要考慮因素。如果一組代理服務器負載較高，請求路由系統應將請求重定向到負載較低的服務器。這有助于平衡代理服務器的負載并減少用戶的響應延遲。

2.如何將請求路由到最近的代理服務器?

• 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器的IP地址。當客戶端發送DNS查詢以解析域名時，DNS服務器響應最近代理服務器的IP地址，指導客戶端到該服務器獲取內容。
• Anycast：Anycast路由是一種網絡尋址和路由技術，將數據包定向到共享相同IP地址的一組服務器中最近或性能最佳的節點。使用Anycast，多個代理服務器廣播相同的IP地址，路由器根據網絡拓撲自動將流量路由到最近的服務器，最小化延遲并提高可靠性。
• 客戶端多路復用：客戶端多路復用涉及在客戶端和不同代理服務器之間保持多個并發連接。這允許客戶端同時連接多個服務器，并選擇延遲最低的服務器進行內容檢索。
• HTTP重定向：基于HTTP的重定向涉及代理服務器使用HTTP狀態碼（如301（永久移動）或302（找到））將客戶端重定向到更近的服務器。當客戶端向代理服務器發送請求時，服務器評估客戶端的位置并將請求重定向到最近的服務器進行數據檢索。

總結

在實際工作中，大部分公司通常選擇使用 CDN云產品，CDN 通過利用分布式邊緣服務器網絡，減少延遲，提高可靠性，并增強整體用戶體驗。通過本文對 CDN的分析，我們可以更好的理解 CDN的工作原理。