CDN技术详解

什么是CDN？

CDN 的全称是 Content Delivery Network，即 内容分发网络。

您可以把它想象成一个“智能的、分布在全球的图书缓存系统”。

• 没有CDN时：你想读一本书（访问网站），必须跑到唯一的中央图书馆（源服务器）去借，如果离得远（用户在海外），或者很多人同时去借（网站访问高峰），就会非常慢，甚至挤不进去（服务器瘫痪）。
• 有了CDN后：这个系统在全世界各大城市（网络节点）都设立了分馆（CDN节点），当你想借书时，系统会自动判断你离哪个分馆最近，然后直接从最近的分馆把书给你，这样速度极快，而且即使某个分馆的书很受欢迎,也不会影响到中央图书馆和其他分馆的正常运营。

核心定义：CDN是一种构建在现有网络基础之上的智能虚拟网络，它通过在网络各处部署缓存服务器（节点），将源服务器的内容分发到最接近用户的节点上，使用户可以就近获取所需内容，从而提高用户访问的响应速度和命中率,并降低源服务器的压力。

CDN的核心工作原理

CDN的工作流程可以概括为“智能调度 + 缓存分发”。

基本架构：

• 源站的原始服务器，是CDN内容的源头,比如VeryCD的服务器。
• DNS服务器：用户访问网站时，首先会查询DNS,CDN通常通过智能DNS服务来实现调度。
• CDN节点：也叫边缘节点、缓存服务器，是CDN的核心，分布在全球各地,负责缓存和响应用户请求。
• 负载均衡系统：CDN的“大脑”,负责指挥用户的请求应该被导向哪个CDN节点。

详细工作流程（以用户访问 www.verycd.com 为例）：

用户发起请求 用户在浏览器中输入 http://www.verycd.com/image.jpg 并回车。

智能DNS解析

1. 浏览器向本地DNS服务器请求解析 www.verycd.com 的IP地址。
2. 本地DNS服务器发现自己没有这个记录,就会向更顶级的DNS服务器查询。
3. 这个请求最终会到达VeryCD的权威DNS服务器，这个DNS服务器就是CDN的“入口”。
4. CDN的负载均衡系统接收到这个DNS查询请求，它会根据一系列算法，做出一个关键决策：哪个CDN节点离用户最近？
   • 判断依据：通常通过分析请求DNS的IP地址，结合IP库来判断用户所在的地理位置（国家、省份、城市、运营商等）。
   • 决策算法：除了地理位置，还会考虑节点的负载情况（是否过载）、网络延迟、链路质量等，选择一个“最优”的节点。

返回CDN节点IP 负载均衡系统确定最优节点后，会返回这个CDN节点的IP地址给用户的本地DNS服务器,而不是源服务器的IP地址。

用户向CDN节点发起请求 用户的本地DNS将IP地址返回给浏览器，浏览器直接向这个“最优”的CDN节点发起请求，请求下载 image.jpg。

CDN节点响应请求 此时会发生两种情况：

• 情况A：缓存命中 - “命中”

  • CDN节点检查自己是否缓存了 image.jpg。
  • 如果缓存了，它会直接将文件从本地缓存中取出，通过高速网络返回给用户，整个过程毫秒级完成,用户体验极好。

• 情况B：缓存未命中 - “回源”

  • 如果没缓存，CDN节点会代表用户，向源站（VeryCD的原始服务器）发起一个请求，拉取 image.jpg 这个文件，这个过程称为“回源”或“拉取”。
  • 源站将文件返回给CDN节点。
  • CDN节点在收到文件后，会将其缓存到本地,以备后续其他用户的请求。
  • CDN节点再将文件返回给最初的那个用户。

流程图总结：

用户 -> 浏览器 -> 智能DNS -> 负载均衡系统(选择最优CDN节点) -> 用户 -> CDN节点 |--(缓存命中)---> 直接返回文件 |--(缓存未命中)---> 源站 --(回源)---> CDN节点 --(缓存并返回)---> 用户

CDN的核心技术组件

1. 内容路由技术：即上述的负载均衡和智能DNS，是CDN的“指挥官”。
2. 内容缓存技术：核心是缓存置换算法（如LRU - 最近最少使用），决定哪些内容应该被保留在节点上,哪些应该被淘汰。
3. 内容分发技术从源站到各个CDN节点的“预热”或“预分发”过程,可以在用户访问前就将热门内容推送到节点上。
4. 内容存储技术：CDN节点需要大容量、高IOPS的存储设备来存放海量内容。
5. 网络安全技术：提供DDoS攻击防护、WAF（Web应用防火墙）、HTTPS加速等,是网站的安全屏障。

CDN带来的核心优势

• 提升访问速度，优化用户体验：这是最直接的好处，用户访问的是就近的节点，延迟大大降低,页面加载速度飞快。
• 减轻源站服务器压力：大部分请求由CDN节点处理，源站只需处理“回源”请求,负载压力呈数量级下降。
• 降低带宽成本：源站不需要将所有带宽都铺设到全球，只需保证对CDN节点的出口带宽即可,通常可以节省大量带宽费用。
• 提高网站可用性和稳定性：即使某个CDN节点出现故障，负载均衡系统会自动将流量切换到其他健康的节点，即使源站短暂宕机，CDN上缓存的静态内容依然可以正常访问,保障了服务的连续性。
• 防御网络攻击：CDN作为“挡箭牌”，可以吸收和分散大部分DDoS攻击流量,保护源站安全。

VeryCD与CDN：一个时代的经典案例

VeryCD（电驴）是中国互联网早期一个极具代表性的网站,它的发展历程与CDN技术紧密相连。

背景：VeryCD的挑战

VeryCD在鼎盛时期,面临着几个巨大的挑战：

1. 巨大的用户基数：作为中国最大的资源分享社区之一，它拥有数千万级别的用户，日PV（页面浏览量）非常高。
2. 海量静态资源：网站首页、详情页、列表页包含了大量的，如图片、CSS样式表、JavaScript脚本、CSS/JS/HTML文件等，这些内容不常变化，但每次访问都需要下载,是网站性能的瓶颈。
3. 访问地域分散：用户遍布全国，甚至海外，服务器部署在一线城市（如上海），那么偏远地区（如新疆、西藏）或海外用户的访问延迟会非常严重。
4. 服务器和带宽成本高昂：为了支撑高并发访问,VeryCD需要投入大量资金购买高性能服务器和昂贵的带宽。

CDN如何赋能VeryCD

VeryCD很早就意识到了性能问题，并成为了国内最早一批大规模应用CDN技术的网站之一，CDN的介入,完美地解决了上述挑战：

1. 解决了访问慢的问题：

   • 一个在西藏的用户访问VeryCD，请求的图片和JS文件不再需要从上海的源服务器下载,而是被智能调度到距离最近的西部地区的CDN节点。
   • 网站首页加载速度从几秒甚至十几秒，缩短到一两秒,用户体验得到了质的飞跃。

2. 大幅降低了服务器压力：

   • 每天数千万的PV请求中，90%以上都是对静态资源的请求，这些请求全部被CDN节点“拦截”并处理。
   • VeryCD的源服务器只需要处理用户登录、发帖、搜索等少量动态请求和CDN节点的“回源”请求，服务器负载骤降,变得更加稳定。

3. 节省了巨额带宽成本：

   • 如果所有流量都从源服务器走,带宽成本将是天文数字。
   • 通过CDN，VeryCD只需要为源服务器到CDN节点之间的“回源”流量付费，这部分流量远小于总流量,成本大大降低。

4. 保障了服务的稳定性：

   • 在网站举办大型活动或发布热门资源时，访问量会瞬间激增，CDN的分布式架构可以轻松应对这种流量洪峰,避免源服务器因过载而崩溃。
   • 即使源站某个环节出现短暂问题，用户依然可以访问到CDN上缓存的静态页面，网站不会完全“打不开”。

VeryCD案例的启示

VeryCD的成功，清晰地展示了CDN对于一个大型内容型网站的重要性，它不再是一个“锦上添花”的选项，而是支撑业务发展的“必需品”，这个案例也教育了整个中国互联网行业：要服务海量用户，必须使用CDN。

CDN的应用场景

除了VeryCD这样的网站,CDN如今已无处不在：

• 网站加速：几乎所有门户网站、新闻网站、博客、电商网站都在使用。
• 下载加速：如软件更新（操作系统、杀毒软件）、游戏补丁、应用商店等，通过CDN可以提供高速、稳定的下载体验。
• 视频点播/直播：这是CDN最核心的应用场景之一，优酷、爱奇艺、B站、抖音等平台，通过CDN将视频内容推送到离用户最近的节点,保证流畅的播放体验。
• 游戏加速：通过CDN节点分发游戏更新包和资源。
• 安全防护：作为抵御DDoS攻击的第一道防线。

CDN技术通过“就近访问”和“缓存命中”两大核心思想，彻底改变了互联网内容的分发方式，它通过一个分布式的网络架构，将源服务器的压力分散到全球各个边缘节点，不仅极大地提升了用户的访问速度和体验，还显著降低了源站的服务器与带宽成本,并增强了网站的稳定性和安全性。

VeryCD的案例，是CDN技术在中国互联网早期发挥巨大价值的缩影，它证明了，对于任何需要服务广泛用户、承载海量内容的应用来说，CDN都是通往高性能、高可用、高性价比之路的关键基础设施，时至今日，CDN已经成为现代互联网的“水电煤”，是我们每天上网都离不开的无形英雄。