CDN架构以及原理分析

CDN架构以及原理分析

详见： http://blog.yemou.net/article/query/info/tytfjhfascvhzxcytp61

在不同地域的用户访问网站的响应速度存在差异,为了提高用户访问的响应速度、优化现有Internet中信息的流动,需要在用户和服务器间加入中间层CDN. 使用户能以最快的速度，从最接近用户的地方获得所需的信息，彻底解决网络拥塞，提高响应速度，是目前大型网站使用的流行的应用方案.

1. CDN 概述

CDN的全称是Content Delivery Network，即内容分发网络。其目的是通过在现有的Internet中增加一层新的CACHE(缓存)层，将网站的内容发布到最接近用户的网络"边缘"的节点，使用户可以就近取得所需的内容，提高用户访问网站的响应速度。从技术上全面解决由于网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等原因，提高用户访问网站的响应速度。



Cache层的技术，消除数据峰值访问造成的结点设备阻塞。Cache服务器具有缓存功能，所以大部分网页对象（Web
page object）,如html, htm,
php等页面文件，gif,tif,png,bmp等图片文件，以及其他格式的文件，在有效期（TTL）内，对于重复的访问，不必从原始网站重新传送文件实体,
只需通过简单的认证（Freshness Validation）-
传送几十字节的Header，即可将本地的副本直接传送给访问者。由于缓存服务器通常部署在靠近用户端，所以能获得近似局域网的响应速度，并有效减少广域带宽的消耗。不仅能提高响应速度，节约带宽，对于加速Web服务器，有效减轻源服务器的负载是非常有效的。

根据加速对象不同，分为 客户端加速 和 服务器加速
客户端加速 : Cache部署在网络出口处，把常访问的内容缓存在本地，提高响应速度和节约带宽；

服务器加速 : Cache部署在服务器前端，作为Web服务器的代理缓存机，提高Web服务器的性能，加速访问速度
如果多台Cache加速服务器且分布在不同地域，需要通过有效地机制管理Cache网络，引导用户就近访问(比如通过DNS引导用户)，全局负载均衡流量，这是CDN内容传输网络的基本思想.

CDN对网络的优化作用主要体现在如下几个方面 　- 解决服务器端的“第一公里”问题 　- 缓解甚至消除了不同运营商之间互联的瓶颈造成的影响 　- 减轻了各省的出口带宽压力 　- 缓解了骨干网的压力 　- 优化了网上热点内容的分布

2. CDN 的工作原理

2.1. 传统访问过程(未加速缓存服务)

我们先看传统的未加缓存服务的访问过程，以便了解CDN缓存访问方式与未加缓存访问方式的差别：

由上图可见，用户访问未使用CDN缓存网站的过程为:用户输入访问的域名,操作系统向 LocalDns 查询域名的ip地址.

LocalDns向 ROOT DNS 查询域名的授权服务器(这里假设LocalDns缓存过期)

ROOT DNS将域名授权dns记录回应给 LocalDns

LocalDns得到域名的授权dns记录后,继续向域名授权dns查询域名的ip地址

域名授权dns 查询域名记录后，回应给 LocalDns

LocalDns 将得到的域名ip地址，回应给 用户端

用户得到域名ip地址后，访问站点服务器

站点服务器应答请求，将内容返回给客户端.

2.2. CDN访问过程(使用缓存服务)

CDN网络是在用户和服务器之间增加Cache层，主要是通过接管DNS实现,将用户的请求引导到Cache上获得源服务器的数据
下面让我们看看访问使用CDN缓存后的网站的过程：使用了CDN缓存后的网站的访问过程变为：用户输入访问的域名,操作系统向 LocalDns 查询域名的ip地址.

LocalDns向 ROOT DNS 查询域名的授权服务器(这里假设LocalDns缓存过期)

ROOT DNS将域名授权dns记录回应给 LocalDns

LocalDns得到域名的授权dns记录后,继续向域名授权dns查询域名的ip地址

域名授权dns 查询域名记录后(一般是CNAME)，回应给 LocalDns

LocalDns 得到域名记录后,向智能调度DNS查询域名的ip地址

智能调度DNS 根据一定的算法和策略(比如静态拓扑，容量等),将最适合的CDN节点ip地址回应给 LocalDns

LocalDns 将得到的域名ip地址，回应给 用户端

用户得到域名ip地址后，访问站点服务器

CDN节点服务器应答请求，将内容返回给客户端.(缓存服务器一方面在本地进行保存，以备以后使用，二方面把获取的数据返回给客户端，完成数据服务过程)

通过以上的分析我们可以得到，为了实现对普通用户透明(使用缓存后用户客户端无需进行任何设置)访问，需要使用DNS(域名解析)来引导用户来访问Cache服务器，以实现透明的加速服务. 由于用户访问网站的第一步就是 域名解析 ,所以通过修改dns来引导用户访问是最简单有效的方式.

2.3. CDN网络的组成要素

对于普通的Internet用户，每个CDN节点就相当于一个放置在它周围的网站服务器.
通过对dns的接管，用户的请求被透明地指向离他最近的节点，节点中CDN服务器会像网站的原始服务器一样，响应用户的请求.
由于它离用户更近，因而响应时间必然更快.从上面图中 虚线圈起来的那块，就是CDN层,这层是位于 用户端 和 站点服务器之间.智能调度DNS(比如f5的3DNS)
智能调度DNS是CDN服务中的关键系统.当用户访问加入CDN服务的网站时，域名解析请求将最终由 智能调度DNS 负责处理.
它通过一组预先定义好的策略，将当时最接近用户的节点地址提供给用户，使用户可以得到快速的服务.
同时它需要与分布在各地的CDN节点保持通信，跟踪各节点的健康状态,容量等，确保将用户的请求分配到就近可用的节点上.

缓存功能服务
负载均衡设备(如lvs,F5的BIG/IP)

内容Cache服务器(如squid）

共享存储(根据缓存数据量多少决定是否需要)

3. CDN 智能调度Dns 实例分析

分析img.alibaba.com域名
在系统中，执行dig命令,输出如下:

#dig img.alibaba.com

; 部分省略

;; QUESTION SECTION:
;img.alibaba.com.		IN	A

;; ANSWER SECTION:
img.alibaba.com.	600	IN	CNAME	img.alibaba.com.edgesuite.net.
img.alibaba.com.edgesuite.net. 7191 IN	CNAME	img.alibaba.com.georedirector.akadns.net.
img.alibaba.com.georedirector.akadns.net. 3592 IN CNAME	a1366.g.akamai.net.
a1366.g.akamai.net.	12	IN	A	204.203.18.145
a1366.g.akamai.net.	12	IN	A	204.203.18.160

; 部分省略

从上面查询结果可以看出 img.alibaba.com. CNAME img.alibaba.com.edgesuite.net. 后面的CNAME是由 Akamai(CDN服务商) 去跳转到 智能调度器上的.

分析www.discovery.com域名
在系统中，继续执行dig命令,输出如下:

#dig www.discovery.com

; 部分省略

;; QUESTION SECTION:
;www.discovery.com.		IN	A

;; ANSWER SECTION:
www.discovery.com.	1077	IN	CNAME	www.discovery.com.edgesuite.net.
www.discovery.com.edgesuite.net. 21477 IN CNAME	a212.g.akamai.net.
a212.g.akamai.net.	20	IN	A	204.203.18.154
a212.g.akamai.net.	20	IN	A	204.203.18.147

; 部分省略

从上面查询结果可以看出 www.discovery.com. IN CNAME www.discovery.com.edgesuite.net. 后面的CNAME是由 Akamai(CDN服务商) 去跳转到 智能调度器上的.
总结:一般来说，网站需要使用到CDN服务时，一般都是将需要加速访问的域名 CNAME到 CDN服务商的域名上.
缓存服务和调度功能都是由服务商来完成.

4. CDN的 智能调度Dns 简化实现

4.1. 调度策略说明

在用户请求解析域名的时候，智能DNS判断用户的LocalDns的IP，然后跟DNS服务器内部的IP表范围匹配一下，看看用户是电信还是网通用户，然后给用户返回对应的IP地址
这里使用的是静态拓扑的方法,只是判断LocalDns的IP.要想使用更复杂的调度算法可以考虑商业产品,如F5的3DNS.

4.2. 假设CDN节点规划

在这里我们将使用 BIND 的View功能来实现运营商的区分,假设我们在每个运营商的机房都放有一个CDN节点,列表如下:域名
运营商（view）
服务地址

www.cdntest.com	网通(CNC)	192.168.0.1
www.cdntest.com	电信(TELECOM)	192.168.0.2
www.cdntest.com	教育网(EDU)	192.168.0.3
www.cdntest.com	默认(ANY)	192.168.0.4

4.3. bind view 配置

以下是named.conf配置文件的部分截取，只是涉及到 View 的部分,其他细节可参考互联网.

acl "cnc_iprange"{   //定义ip范围(网通)
192.168.1.0/24;
192.168.2.0/24;
//此处只是示例,其他省略
};

acl "tel_iprange"{  //定义ip范围(电信)
192.168.3.0/24;
192.168.4.0/24;
//其他省略
};

acl "edu_iprange"{  //定义ip范围(教育网)
192.168.5.0/24;
192.168.6.0/24;
//其他省略
};

acl "default_iprange"{ //定义ip范围(默认)
192.168.7.0/24;
192.168.8.0/24;
//其他省略
};

view "CNC" {
Match-clients{cnc_iprange};
zone "." IN {
type hint;
file "named.root";
};

zone "localhost" IN {
type master;
file "localhost.zone";
allow-update { none; };
};

zone "cdntest.com" IN {
type master;
file "cnc_cdntest.zone";
};
};

view "TEL" {
Match-clients{tel_iprange};
zone "." IN {
type hint;
file "named.root";
};

zone "localhost" IN {
type master;
file "localhost.zone";
allow-update { none; };
};

zone "cdntest.com" IN {
type master;
file "tel_cdntest.zone";
};
};

view "EDU" {
Match-clients{edu_iprange};
zone "." IN {
type hint;
file "named.root";
};

zone "localhost" IN {
type master;
file "localhost.zone";
allow-update { none; };
};

zone "cdntest.com" IN {
type master;
file "edu_cdntest.zone";
};
};

view "DEFAULT" {
Match-clients{default_iprange};
zone "." IN {
type hint;
file "named.root";
};

zone "localhost" IN {
type master;
file "localhost.zone";
allow-update { none; };
};

zone "cdntest.com" IN {
type master;
file "default_cdntest.zone";
};
};

zone文件的配置说明
这4个zone配置文件(cnc_cdntest.zone,tel_cdntest.zone,edu_cdntest.zone,default_cdntest.zone)中，只有www.cndtest.com的A记录不一样，其他的都是一样.

域名
zone配置文件
A记录地址

www.cdntest.com	cnc_cdntest.zone	192.168.0.1
www.cdntest.com	tel_cdntest.zone	192.168.0.2
www.cdntest.com	edu_cdntest.zone	192.168.0.3
www.cdntest.com	default_cdntest.zone	192.168.0.4

以上只列出了 www.cdntest.com 的A记录地址,其他关于zone的语法 请参考互联网.域名解析流程简要说明

用户向 LocalDns 查询域名 www.cdntest.com

LocalDns 向 授权DNS 查询www.cdntest.com

授权DNS 判断用户使用的 LocalDns的ip地址,匹配上述设置的ip范围,如果范围在网通，就将网通对应的ip地址(192.168.0.1),回应给LocalDns(其他依此类推)

LocalDns 将得到的域名ip地址，回应给 用户端 (域名解析完成)
说明:再此过程中，我们简化了主DNS 到 智能DNS 之间的CNAME过程(为了简要说明问题).
这里使用的是静态拓扑(根据ip范围)的方法,也称为地域化方法,只是判断LocalDns的IP.

此简化方案中的存在的问题

如果用户设置错误的dns，可能会导致用户访问比原来慢(比如网通用户设置了电信的DNS）

不能判断CDN节点服务器的健康状态和容量状态，可能会把用户定向到不可用的CDN节点

由于静态拓扑方法,可能存在用户访问的CDN节点不是最优化和最快的

.....可能还有其他想不到的....

5. 总结(Summary）

在建立CDN网路时，最关键的就是 智能调度DNS，这个是CND网络总协调,通过高效的调度算法，可以使用户得到最佳的访问体验.
其次就是 CND节点的管理,比如涉及到 内容的同步机制，配置文件的更新等等，都需要有一套机制来保证.
当然在大型网站中，也要考建设CDN体系的成本和回报率.