CDN是什么意思？详解内容分发网络CDN的原理、技术及作用

2023-07-20 10:54:14

CDN是什么意思

一、CDN是什么意思

CDN是Content Delivery Network英文首字母的缩写，中文翻译为内容分发网络, 是构建在现有互联网基础之上的一层智能虚拟网络，通过在网络各处部署节点服务器，实现将源站内容分发至所有CDN节点，使用户可以就近获得所需的内容。CDN服务缩短了用户查看内容的访问延迟，提高了用户访问网站的响应速度与网站的可用性，解决了网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等问题。

二、CDN介绍

CDN这个概念始于1996年，是美国麻省理工学院的一个研究小组为改善互联网的服务质量而提出的。为了能在传统IP网上发布丰富的宽带媒体内容，他们提出在现有互联网基础上建立一个内容分发平台专门为网站提供服务，并于1999年成立了专门的CDN服务公司，为Yahoo提供专业服务。由于CDN是为加快网络访问速度而被优化的网络覆盖层，因此被形象地称为"网络加速器"。

CDN的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。

用户能够就近访问服务器

CDN网络中包含的功能实体包括内容缓存设备、内容交换机、内容路由器、CDN内容管理系统等组成。

内容缓存为CDN网络节点，位于用户接入点，是面向最终用户的内容提供设备，可缓存静态Web内容和流媒体内容，实现内容的边缘传播和存储，以便用户的就近访问。

内容交换机处于用户接入集中点，可以均衡单点多个内容缓存设备的负载，并对内容进行缓存负载平衡及访问控制。

内容路由器负责将用户的请求调度到适当的设备上。内容路由通常通过负载均衡系统来实现，动态均衡各个内容缓存站点的载荷分配，为用户的请求选择最佳的访问站点，同时提高网站的可用性。内容路由器可根据多种因素制定路由，包括站点与用户的临近度、内容的可用性、网络负载、设备状况等。负载均衡系统是整个CDN的核心。负载均衡的准确性和效率直接决定了整个CDN的效率和性能。

内容管理系统负责整个CDN的管理，是可选部件，作用是进行内容管理，如内容的注入和发布、内容的分发、内容的审核、内容的服务等。

三、CDN的原理

CDN的基本原理是广泛采用各种缓存服务器，将这些缓存服务器分布到用户访问相对集中的地区或网络中，在用户访问网站时，利用全局负载技术将用户的访问指向距离最近的工作正常的缓存服务器上，由缓存服务器直接响应用户请求。

即当用户访问使用CDN服务的网站时，本地DNS服务器通过CNAME方式将最终域名请求重定向到CDN服务。CDN通过一组预先定义好的策略(如内容类型、地理区域、网络负载状况等)，将当时能够最快响应用户的CDN节点IP地址提供给用户，使用户可以以最快的速度获得网站内容。使用CDN后的HTTP请求处理流程如下：

1、CDN节点有缓存场景

CDN节点有缓存场景

HTTP请求流程说明：

(1)、用户在浏览器输入要访问的网站域名，向本地DNS发起域名解析请求。

(2)、域名解析的请求被发往网站授权DNS服务器。

(3)、网站DNS服务器解析发现域名已经CNAME到了www.example.com.c.cdnhwc1.com。

(4)、请求被指向CDN服务。

(5)、CDN对域名进行智能解析，将响应速度最快的CDN节点IP地址返回给本地DNS。

(6)、用户获取响应速度最快的CDN节点IP地址。

(7)、浏览器在得到速度最快节点的IP地址以后，向CDN节点发出访问请求。

(8)、CDN节点将用户所需资源返回给用户。

2、CDN节点无缓存场景

CDN节点无缓存场景

HTTP请求流程说明：

(1)、用户在浏览器输入要访问的网站域名，向本地DNS发起域名解析请求。

(2)、域名解析的请求被发往网站授权DNS服务器。

(3)、网站DNS服务器解析发现域名已经CNAME到了www.example.com.c.cdnhwc1.com。

(4)、请求被指向CDN服务。

(5)、CDN对域名进行智能解析，将响应速度最快的CDN节点IP地址返回给本地DNS。

(6)、用户获取响应速度最快的CDN节点IP地址。

(7)、浏览器在得到速度最快节点的IP地址以后，向CDN节点发出访问请求。

(8)、CDN节点回源站拉取用户所需资源。

(9)、将回源拉取的资源缓存至节点。

(10)、将用户所需资源返回给用户。

四、CDN服务模式

内容分发网络（CDN）是一种新型网络构建方式，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，内容分发网络（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。

五、CDN主要功能

1、节省骨干网带宽，减少带宽需求量；

2、提供服务器端加速，解决由于用户访问量大造成的服务器过载问题；

3、服务商能使用Web Cache技术在本地缓存用户访问过的Web页面和对象，实现相同对象的访问无须占用主干的出口带宽，并提高用户访问因特网页面的相应时间的需求；

4、能克服网站分布不均的问题，并且能降低网站自身建设和维护成本；

5、降低"通信风暴"的影响，提高网络访问的稳定性。

六、CDN主要特点

1、本地Cache加速：提高了企业站点（尤其含有大量图片和静态页面站点）的访问速度，并大大提高以上性质站点的稳定性。

2、镜像服务：消除了不同运营商之间互联的瓶颈造成的影响，实现了跨运营商的网络加速，保证不同网络中的用户都能得到良好的访问质量。

3、远程加速：远程访问用户根据DNS负载均衡技术智能自动选择Cache服务器，选择最快的Cache服务器，加快远程访问的速度。

4、带宽优化：自动生成服务器的远程Mirror（镜像）cache服务器，远程用户访问时从cache服务器上读取数据，减少远程访问的带宽、分担网络流量、减轻原站点web服务器负载等功能。

5、集群抗攻击：广泛分布的CDN节点加上节点之间的智能冗余机制，可以有效地预防黑客入侵以及降低各种D.D.o.S攻击对网站的影响，同时保证较好的服务质量。

七、CDN技术

1、内容发布

内容发布借助于建立索引、缓存、流分裂、组播（Multicast）等技术，将内容发布或投递到距离用户最近的远程服务点（POP）处。内容分发包含从内容源到CDN边缘的Cache的过程。从实现上，有两种主流的内容分发技术：PUSH和PULL。

PUSH是一种主动分发的技术。通常，PUSH由内容管理系统发起，将内容从源或者中心媒体资源库分发到各边缘的 Cache节点。分发的协议可以采用 Http/ftp等。通过PUSH分发的内容一般是比较热点的内容，这些内容通过PUSH方式预分发（ Preload）到边缘Cache，可以实现有针对的内容提供。对于PUSH分发需要考虑的主要问题是分发策略，即在什么时候分发什么内容。一般来说，内容分发可以由CP（内容提供商）或者CDN内容管理员人工确定，也可以通过智能的方式决定，即所谓的智能分发，它根据用户访问的统计信息，以及预定义的内容分发的规则，确定内容分发的过程PULL是一种被动的分发技术，PULL分发通常由用户请求驱动。当用户请求的内容在本地的边缘 Cache上不存在（未命中）时， Cache启动PUL方法从内容源或者其他CDN节点实时获取内容。在PULL方式下，内容的分发是按需的。

2、内容路由

内容路由是整体性的网络负载均衡技术，通过内容路由器中的重定向（DNS）机制，在多个远程POP上均衡用户的请求，以使用户请求得到最近内容源的响应。

CDN负载均衡系统实现CDN的内容路由功能。它的作用是将用户的请求导向整个CDN网络中的最佳节点。最佳节点的选定可以根据多种策略，例如距离最近、节点负载最轻等。负载均衡系统是整个CDN的核心，负载均衡的准确性和效率直接决定了整个CDN的效率和性能。通常负载均衡可以分为两个层次:全局负载均衡（GSLB）和本地负载均衡（SLB）。全局负载均衡主要的目的是在整个网络范围内将用户的请求定向到最近的节点（或者区域）。因此，就近性判断是全局负载均衡的主要功能。本地负载均衡一般局限于一定的区域范围内，其目标是在特定的区域范围内寻找一台最适合的节点提供服务，因此，CDN节点的健康性、负载情况、支持的媒体格式等运行状态是本地负载均衡进行决策的主要依据。

3、内容存储

对于CDN系统而言，需要考虑两个方面的内容存储问题。一个是内容源的存储，一个是内容在 Cache节点中的存储。

对于内容源的存储，由于内容的规模比较大（通常可以达到几个甚至几十个TB），而且内容的吞吐量较大，因此，通常采用海量存储架构，如NAS和SON。对于在 Cache节点中的存储，是 Cache设计的一个关键问题。需要考虑的因素包括功能和性能两个方面:功能上包括对各种内容格式的支持，对部分缓存的支持;在性能上包括支持的容量、多文件吞吐率、可靠性、稳定性。

其中，多种内容格式的支持要求存储系统根据不同文件格式的读写特点进行优化，以提高文件内容读写的效率。特别是对针对流媒体文件的读写。部分缓存能力指流媒体内容可以以不完整的方式存储和读取。部分缓存的需求来自用户访问行为的随机性，因为许多用户并不会完整地收看整个流媒体节目。事实上，许多用户访问单个流媒体节目的时间不超过10分钟。因此，部分缓存能力能够大大提高存储空间的利用率，并有效提高用户请求的响应时间。但是部分缓存可能导致内容的碎片问题，需要进行良好的设计和控制。

Cache存储的另一个重要因素是存储的可靠性，目前，多数存储系统都采用了独立磁盘冗余阵列（RAID）技术进行可靠存储。但是不同设备使用的RAID方式各有不同。

4、内容管理

内容管理通过内部和外部监控系统，获取网络部件的状况信息，测量内容发布的端到端性能（如包丢失、延时、平均带宽、启动时间、帧速率等），保证网络处于最佳的运行状态。

内容管理在广义上涵盖了从内容的发布、注入、分发、调整、传递等一系列过程。在这里，内容管理重点强调内容进人 Cache点后的内容管理，称其为本地内容管理。本地内容管理主要针对一个ODN节点（有多个 CDN Cache设备和一个SLB设备构成）进行。本地内容管理的主要目标是提高内容服务的效率，提高本地节点的存储利用率。通过本地内容管理，可以在CDN节点实现基于内容感知的调度，通过内容感知的调度，可以避免将用户重定向到没有该内容的 Cache设备上，从而提高负载均衡的效率。通过本地内容管理还可以有效实现在ODN节点内容的存储共享，提高存储空间的利用率。