web网站加速之CDN(Content Delivery Network)技术原理

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:

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：

通过上图，我们可以了解到，使用了CDN缓存后的网站的访问过程变为：

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

• 此简化方案中的存在的问题

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.