CDN的功能及原理

Posted 2022-12-24

为了缓解互联网用户增加与服务等待时间增长的矛盾，在增加互联网核心交换网、汇聚网与接入网带宽同时，MIT研究者于1998年提出了内容分发网络（ContentDelivery Network，CDN）的概念，开始了CDN技术及其应用的研究。CDN系统设计的基本思路可以归纳为两点：

• 如果某个内容被很多用户关注，就将它缓存在离用户最近的节点中。
• 选择最适合的缓存节点为用户提供服务。选择最合适的缓存节点的过程中需要使用负载均衡技术。被选中的缓存节点有可能离用户最近，也可能拥有一条与用户相连的条件最好的传输路径。

CDN的主要功能

CDN主要提供四项基本功能：分布式存储、负载均衡、网络请求的重定向、内容管理等。CDN内容服务是基于缓存节点的代理缓存功能。代理缓存是互联网内容提供商（ICP）源服务器内容的一个透明镜像。网站维护人员只需将内容注入CDN系统，就可自动通过部署在不同物理位置的缓存节点，实现跨运营商、跨地域的内容分发服务。

CDN系统能实时根据网络流量和各节点的连接、负载状况，以及到用户的距离、响应时间等因素，避开可能影响传输速度和稳定性的瓶颈位置，将用户的服务请求导向离用户最近的缓存节点，以便用户可以就近取得所需内容，尽可能使内容传输速度更快、等待时间短，使互联网服务更方便和稳定。CDN的工作过程对于用户是透明的，用户能感到访问互联网资源的时间缩短，并不会感到CDN系统的存在。

CDN的功能结构

典型的CDN功能结构由三个部分组成：分发服务系统、均衡负荷系统与运营管理系统。

• 分发服务系统

分发服务系统主要的功能是：完成内容从源服务器向边缘的推送与存储，将内容数据流分发到分布在全网的缓存服务器中，由缓存服务器为最终用户提供服务。因此，分发服务系统的基本服务单元是大量的缓存服务器。根据承载的内容与服务类型的不同，分发服务系统可进一步分为网页（静态、动态）内容加速子系统、流媒体加速子系统与应用协议加速子系统。

• 均衡负荷系统

均衡负荷系统是CDN的核心单元，它的主要功能是为用户的服务请求进行优化的访问调度，为用户提供最终访问的缓存服务器IP地址。均衡负荷系统一般分为两级：全局/区域负荷均衡系统、本地负荷均衡系统。全局/区域负荷均衡系统一般采用DNS解析与应用层重定向的方法，根据用户就近访问的原则选择缓存服务器节点。本地负荷均衡系统负责缓存服务器节点内部的调度。

• 运营管理系统

运营管理系统由两个子系统组成：运营管理与网络管理。运营管理子系统是CDN系统的业务管理实体，主要由客户管理、业务管理、计费管理与数据采集等模块组成。网络管理子系统实现对CDN系统的网络设备、拓扑结构、链路与故障的管理，以及对源站、流量与服务质量的监控任务。

CDN的工作原理

1. 传统的互联网访问模式

用户通过浏览器访问Web网站的过程如下：

1）用户在浏览器中输入要访问的网站域名，浏览器向本地DNS服务器发出域名解析请求。

2）如果本地DNS服务器没有该域名的解析结果，本地DNS服务器可采用递归方法向整个DNS系统请求解析。

3）DNS服务器将解析结果中的该网站的Web服务器IP地址发送给浏览器。

4）浏览器使用这个IP地址向Web服务器发出URL访问请求。

5）Web服务器将用户请求的内容发送给浏览器。

2. 引入CDN之后的互联网访问模式

用户通过浏览器访问CDN系统的过程如下：

1）用户在浏览器中输入要访问的网站域名，浏览器向本地DNS服务器发出域名解析请求。

2）本地DNS服务器将域名的解析权转交给CDN专用的DNS服务器，并请求解析该域名。

3）CDN专用的DNS服务器将域名解析请求发送给CDN全局负载均衡器。

4）CDN全局负载均衡器将自己的IP地址发送给浏览器。

5）浏览器向CDN全局负载均衡器发送URL访问请求。

6）CDN全局负载均衡器根据用户的IP地址与请求访问的URL，选择一台位于用户所属区域的负载均衡器，并转交用户发出的URL请求。

7）CDN区域负载均衡器根据用户的IP地址与请求访问的URL，判断哪个缓存节点有该请求内容、离用户最近、可提供服务，并将该缓存节点的IP地址发送给浏览器。

8）浏览器使用该IP地址向CDN缓存节点发出URL访问请求。

9）CDN缓存服务器将用户请求的内容发送给浏览器。如果这台缓存服务器没有用户请求的内容，而区域负载均衡器仍然将用户请求分配给该缓存服务器，那么该缓存服务器需要向它上一级的缓存服务器请求该内容，直至追溯到原服务器并将内容“拉”到本地。