什么是CDN

什么是CDN,第1张

DN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中增加一层新的网络架构,将网站的内容发布到最接近用户的网络”边缘”,使用户可以就近取得所需的内容,解决Internet网络拥挤的状况,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所造成的用户访问网站响应速度慢的问题。

实际上,内容分发布网络(CDN)是一种新型的网络构建方式,它是为能在传统的IP网发布宽带丰富媒体而特别优化的网络覆盖层;而从广义的角度, CDN代表了一种基于质量与秩序的网络服务模式。简单地说,内容发布网(CDN)是一个经策略性部署的整体系统,包括分布式存储、负载均衡、网络请求的重定向和内容管理4个要件,而内容管理和全局的网络流量管理(Traffic Management)是CDN的核心所在。通过用户就近性和服务器负载的判断,CDN确保内容以一种极为高效的方式为用户的请求提供服务。总的来说,内容服务基于缓存服务器,也称作代理缓存(Surrogate),它位于网络的边缘,距用户仅有”一跳”(Single Hop)之遥。同时,代理缓存是内容提供商源服务器(通常位于CDN服务提供商的数据中心)的一个透明镜像。这样的架构使得CDN服务提供商能够代表他们客户,即内容供应商,向最终用户提供尽可能好的体验,而这些用户是不能容忍请求响应时间有任何延迟的。据统计,采用CDN技术,能处理整个网站页面的 70%~Array5%的内容访问量,减轻服务器的压力,提升了网站的性能和可扩展性。

与目前现有的内容发布模式相比较,CDN强调了网络在内容发布中的重要性。通过引入主动的内容管理层的和全局负载均衡,CDN从根本上区别于传统的内容发布模式。在传统的内容发布模式中,内容的发布由ICP的应用服务器完成,而网络只表现为一个透明的数据传输通道,这种透明性表现在网络的质量保证仅仅停留在数据包的层面,而不能根据内容对象的不同区分服务质量。此外,由于IP网的”尽力而为”的特性使得其质量保证是依靠在用户和应用服务器之间端到端地提供充分的、远大于实际所需的带宽通量来实现的。在这样的内容发布模式下,不仅大量宝贵的骨干带宽被占用,同时ICP的应用服务器的负载也变得非常重,而且不可预计。当发生一些热点事件和出现浪涌流量时,会产生局部热点效应,从而使应用服务器过载退出服务。这种基于中心的应用服务器的内容发布模式的另外一个缺陷在于个性化服务的缺失和对宽带服务价值链的扭曲,内容提供商承担了他们不该干也干不好的内容发布服务。

纵观整个宽带服务的价值链,内容提供商和用户位于整个价值链的两端,中间依靠网络服务提供商将其串接起来。随着互联网工业的成熟和商业模式的变革,在这条价值链上的角色越来越多也越来越细分。比如内容/应用的运营商、托管服务提供商、骨干网络服务提供商、接入服务提供商等等。在这一条价值链上的每一个角色都要分工合作、各司其职才能为客户提供良好的服务,从而带来多赢的局面。从内容与网络的结合模式上看,内容的发布已经走过了ICP的内容(应用)服务器和IDC这两个阶段。IDC的热潮也催生了托管服务提供商这一角色。但是,IDC并不能解决内容的有效发布问题。内容位于网络的中心并不能解决骨干带宽的占用和建立IP网络上的流量秩序。因此将内容推到网络的边缘,为用户提供就近性的边缘服务,从而保证服务的质量和整个网络上的访问秩序就成了一种显而易见的选择。而这就是内容发布网(CDN)服务模式。CDN的建立解决了困扰内容运营商的内容”集中与分散”的两难选择,无疑对于构建良好的互联网价值链是有价值的,也是不可或缺的最优网站加速服务。

CDN的应用

目前的CDN服务主要应用于证券、金融保险、ISP、ICP、网上交易、门户网站、大中型公司、网络教学等领域。另外在行业专网、互联网中都可以用到,甚至可以对局域网进行网络优化。利用CDN,这些网站无需投资昂贵的各类服务器、设立分站点,特别是流媒体信息的广泛应用、远程教学课件等消耗带宽资源多的媒体信息,应用CDN网络,把内容复制到网络的最边缘,使内容请求点和交付点之间的距离缩至最小,从而促进Web站点性能的提高,具有重要的意义。CDN 网络的建设主要有企业建设的CDN网络,为企业服务;IDC的CDN网络,主要服务于IDC和增值服务;网络运营上主建的CDN网络,主要提供内容推送服务;CDN网络服务商,专门建设的CDN用于做服务,用户通过与CDN机构进行合作,CDN负责信息传递工作,保证信息正常传输,维护传送网络,而网站只需要内容维护,不再需要考虑流量问题。

CDN能够为网络的快速、安全、稳定、可扩展等方面提供保障。

IDC建立CDN网络,IDC运营商一般需要有分布各地的多个IDC中心,服务对象是托管在IDC中心的客户,利用现有的网络资源,投资较少,容易建设。例如某IDC全国有10个机房,加入IDC的CDN网络,托管在一个节点的Web服务器,相当于有了10个镜像服务器,就近供客户访问。宽带城域网,域内网络速度很快,出城带宽一般就会瓶颈,为了体现城域网的高速体验,解决方案就是将Internet网上内容高速缓存到本地,将Cache部署在城域网各POP点上,这样形成高效有序的网络,用户仅一跳就能访问大部分的内容,这也是一种加速所有网站CDN的应用。

CDN的技术原理

 

在描述CDN的实现原理,让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:

用户向浏览器提供要访问的域名;

浏览器调用域名解析函数库对域名进行解析,以得到此域名对应的IP地址;

浏览器使用所得到的IP地址,域名的服务主机发出数据访问请求;

浏览器根据域名主机返回的数据显示网页的内容。

通过以上四个步骤,浏览器完成从用户处接收用户要访问的域名到从域名服务主机处获取数据的整个过程。CDN网络是在用户和服务器之间增加Cache 层,如何将用户的请求引导到Cache上获得源服务器的数据,主要是通过接管DNS实现,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:

用户向浏览器提供要访问的域名;

浏览器调用域名解析库对域名进行解析,由于CDN对域名解析过程进行了调整,所以解析函数库一般得到的是该域名对应的CNAME记录,为了得到实际IP地址,浏览器需要再次对获得的CNAME域名进行解析以得到实际的IP地址;在此过程中,使用的全局负载均衡DNS解析,如根据地理位置信息解析对应的IP 地址,使得用户能就近访问。

此次解析得到CDN缓存服务器的IP地址,浏览器在得到实际的IP地址以后,向缓存服务器发出访问请求;

缓存服务器根据浏览器提供的要访问的域名,通过Cache内部专用DNS解析得到此域名的实际IP地址,再由缓存服务器向此实际IP地址提交访问请求;

缓存服务器从实际IP地址得得到内容以后,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;

客户端得到由缓存服务器返回的数据以后显示出来并完成整个浏览的数据请求过程。 通过以上的分析我们可以得到,为了实现既要对普通用户透明(即加入缓存以后用户客户端无需进行任何设置,直接使用被加速网站原有的域名即可访问),又要在为指定的网站提供加速服务的同时降低对ICP的影响,只要修改整个访问过程中的域名解析部分,以实现透明的加速服务,下面是CDN网络实现的具体操作过程。

作为ICP,只需要把域名解释权交给CDN运营商,其他方面不需要进行任何的修改;操作时,ICP修改自己域名的解析记录,一般用cname方式指向CDN网络Cache服务器的地址。

作为CDN运营商,首先需要为ICP的域名提供公开的解析,为了实现sortlist,一般是把ICP的域名解释结果指向一个CNAME记录;

当需要进行sorlist时,CDN运营商可以利用DNS对CNAME指向的域名解析过程进行特殊处理,使DNS服务器在接收到客户端请求时可以根据客户端的IP地址,返回相同域名的不同IP地址;

由于从cname获得的IP地址,并且带有hostname信息,请求到达Cache之后,Cache必须知道源服务器的IP地址,所以在CDN运营商内部维护一个内部DNS服务器,用于解释用户所访问的域名的真实IP地址;

在维护内部DNS服务器时,还需要维护一台授权服务器,控制哪些域名可以进行缓存,而哪些又不进行缓存,以免发生开放代理的情况。

CDN的网络架构

CDN网络架构主要由两大部分,分为中心和边缘两部分,中心指CDN网管中心和DNS重定向解析中心,负责全局负载均衡,设备系统安装在管理中心机房,边缘主要指异地节点,CDN分发的载体,主要由Cache和负载均衡器等组成。

当用户访问加入CDN服务的网站时,域名解析请求将最终交给全局负载均衡DNS进行处理。全局负载均衡DNS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,使用户能够得到快速的服务。同时,它还与分布在世界各地的所有CDNC节点保持通信,搜集各节点的通信状态,确保不将用户的请求分配到不可用的CDN节点上,实际上是通过DNS做全局负载均衡。

对于普通的Internet用户来讲,每个CDN节点就相当于一个放置在它周围的WEB。通过全局负载均衡DNS的控制,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。

每个CDN节点由两部分组成:负载均衡设备和高速缓存服务器

负载均衡设备负责每个节点中各个Cache的负载均衡,保证节点的工作效率;同时,负载均衡设备还负责收集节点与周围环境的信息,保持与全局负载DNS的通信,实现整个系统的负载均衡。

高速缓存服务器(Cache)负责存储客户网站的大量信息,就像一个靠近用户的网站服务器一样响应本地用户的访问请求。

CDN的管理系统是整个系统能够正常运转的保证。它不仅能对系统中的各个子系统和设备进行实时监控,对各种故障产生相应的告警,还可以实时监测到系统中总的流量和各节点的流量,并保存在系统的数据库中,使网管人员能够方便地进行进一步分析。通过完善的网管系统,用户可以对系统配置进行修改。

理论上,最简单的CDN网络有一个负责全局负载均衡的DNS和各节点一台Cache,即可运行。DNS支持根据用户源IP地址解析不同的IP,实现就近访问。为了保证高可用性等,需要监视各节点的流量、健康状况等。一个节点的单台Cache承载数量不够时,才需要多台Cache,多台Cache同时工作,才需要负载均衡器,使Cache群协同工作。

不清楚你说的越用越慢具体是怎么个情况,在不考虑攻击的情况下,CDN速度取决于源服务器于节点的连通性,节点与客户本地的连通性两大主要因素,还有一些次要因素,像DNS解析速度,客户本地网络速度等,理想的CDN状态是每个省级都有对应当地的机房节点以及随影不同线路划分,这样才真正叫负载均衡,但一般CDN很难做到,而且投入后后期维护比较大

我们经常通过缓存技术来加快网站的访问速度,从而提升用户体验。HTTP协议中也规定了一些和缓存相关的Header,来允许浏览器或共享高速缓存缓存资源。这些Header包括:

Last-Modified 和 If-Modified-Since

ETag 和 If-None-Match

Expires

Cache-Control

以上Header又可以分成两种类型:

协商缓存:浏览器发送验证到服务器,由服务器决定是否从缓存中读取,如 1 和 2 。

强缓存:浏览器验证缓存的有效性,然后决定是否从缓存中读取数据,如 3 和 4 。

本文将会分别介绍这四种配置的作用以及可能产生的影响。

1、Last-Modified 和 If-Modified-Since

Last-Modified:服务器在响应请求时,告知浏览器资源的最后修改时间。

If-Modified-Since:浏览器再次发送请求时,会通过此Header通知服务器在上次请求时所得到的资源最后修改时间。服务器会将If-Modified-Since与被请求资源的最后修改时间进行比对。若资源的最后修改时间晚于If-Modified-Since,表示资源已被改动,则响最新的资源,返回200状态码;若资源的最后修改时间早于或等于If-Modified-Since,表示浏览器端的资源已经是最新版本,响应304状态码,通知浏览器继续使用缓存中的资源。

2、ETag 和 If-None-Match

ETag:服务器分配给资源的唯一标识符,资源被修改后,ETag也会随之发生变化。

If-None-Match:浏览器再次发送请求时,会通过此Header通知服务器已缓存资源的ETag。服务器会将If-None-Match与被请求资源的最新ETag进行比对。若不相同,表示资源已被改动,则响应最新的资源,返回200状态码;若值相同,则直接响应304状态码,通知浏览器继续使用缓存中的资源。

 3、Expires

服务器可以通过此Header向浏览器传递一个具体的时间(格林威治格式,例如:Thu, 19 Jul 2018 07:43:05 GMT) ,来明确地宣告资源的有效期。在资源过期之前,浏览器不再发送请求,而是直接从缓存中读取数据。只有当资源过期之后,浏览器才会再次向服务器请求该资源。

4、Cache-Control

服务器使用此Header来向客户端建议缓存策略,它有一下几个可选值:

max-age=秒:告知浏览器缓存的有效时长,在该时间内浏览器将直接从缓存中读取数据。

s-maxage=秒:作用同max-age,但是只对共享高速缓存(如CDN)有效,对浏览器无效。

no-cache:告知浏览器不要直接使用缓存,而是必须向服务器发送请求。

no-store:告知浏览器不要缓存本次请求和响应的任何信息。

public:宣告任何缓存媒介都可以缓存该响应。

private:宣告该响应只允许个体客户端(如浏览器)去缓存,而不允许共享高速缓存(如CDN)去缓存。

在上面的介绍中我们了解到浏览器会根据max-age设置的时间进行缓存。而通过研究发现CDN也会识别源站响应头中Cache-Control属性,根据max-age设置的时间进行缓存,但是,如果源站同时设置了s-maxage和max-age,那么CDN会优先采用s-maxage。

下面通过图例来展示一下这些可选值的效果。

首先了解一下浏览器是怎样根据max-age进行缓存的:

从上图不难发现,服务器在Header中返回了Cache-Control: max-age=100后,浏览器成功缓存100秒,该时间段内的请求都从直接以本地缓存来响应。

那么,服务器在Header中返回Cache-Control:s-maxage=100时,又会对浏览器产生什么样的影响呢?

如上图所示,浏览器没有采取任何缓存策略,这是因为s-maxage面向的是共享高速缓。

上面这两个例子很容易理解,在现实世界中,为了加快网站响应速度,我们可能会在浏览器和服务器之间引入CDN服务。浏览器的请求会先到达CDN,然后CDN判断是从缓存中读取数据还是回源到服务器。接下来,让我们看看max-age和s-maxage会对CDN的缓存策略带来哪些影响。

可以看出CDN也会利用max-age来缓存,所以在100秒内强制刷新浏览器时,CDN会直接用缓存来响应。

如果服务器使用了s-maxage又会如何呢?

不难发现CDN对max-age和s-maxage采取了同样的缓存策略,但浏览器并不会根据s-maxage来进行缓存。

CDN供应商的特殊规则

我们分别测试了阿里云和腾讯云的CDN对Cache-Control的支持情况,发现他们都有一些独特的规则。阿里云CDN可以在控制台里设置Cache-Control,该设置会覆盖源服务器的Cache-Control。

腾讯云CDN虽然没有再控制台提供覆盖Cache-Control的功能,但其规则却一点也不简单,在使用的时候一定要特别注意:

服务器和CDN均不对缓存进行配置时,CDN会采用默认的缓存机制(静态文件缓存30天,动态请求不缓存);

CDN配置缓存机制(但并未开启高级缓存配置)且服务器设置Cache-Control: s-maxage=200,max-age=100时,CDN会按照其控制台设置的规则进行缓存,浏览器则按照max-age进行缓存;

服务器不设置Cache-Control时,CDN会自动在响应的Header中添加Cache-Control: max-age=600,这就会让浏览器将该资源缓存600秒;

服务器设置为禁用缓存时,CDN和浏览器均不进行缓存;

服务器设置Cache-Control: s-maxage=200,max-age=100并开启CDN的高级缓存配置时,CDN会从s-maxage和控制台中设置的缓存时间中选择最小值来作为缓存时间,而浏览器则始终使用max-age;

服务器设置Cache-Control:max-age=100并开启CDN的高级缓存配置时,CDN会从max-age和控制台中设置的缓存时间中选择最小值来作为缓存时间,不影响浏览器的缓存策略。

 组合使用

如果同时设置了这些Header,浏览器和高速共享缓存会按照下面的优先级进行缓存:

Cache-Control >Expires >ETag >Last-Modified

也就是说,Cache-Control不仅是强缓存,而且拥有最高的优先级,我们可以为不经常发生变化的资源应用该Header来提升响应时间。

 在Ada中使用缓存

Ada提供了UI脚手架和API脚手架,这两类脚手架的服务器端入口文件分别为index.server.js和index.js,我们只需要在入口文件的请求处理函数中为响应添加适当的Header,即可通知客户端进行响应的缓存,比如:

// 设置CDN缓存300秒,浏览器缓存200秒 ctx.response.headers.set('Cache-Control',public,s-maxage=300,max-age=200)

在为请求添加缓存Header之前,应该先为其制定适当的缓存策略,需要考虑该URL是否适合缓存(数据是否特定于用户)以及需要缓存的时长等等。

总结

通过使用这些HTTP Header,我们可以主动影响浏览器甚至CDN的缓存策略,从而减少请求数量,提升网页性能,减轻服务器压力。

Ada的灵活机制能让我们为不同的URL设置不同的缓存策略,能够更有针对性地进行主动缓存。


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