云端架构之道：CDN的本质——大规模分布式多级缓存系统

Posted 2021-04-14 云计算那些事儿

一说到CDN，就感觉心情很复杂，曾经从一个完全不入门的小白，短短的2年内，将运营商的CDN业务从零开始做起，搞得风风火火，在公司云计算业务发展的初期，占据了很大一部分的收入。可不曾想到，短短几年内，国内以网宿为代表的传统CDN厂商（包括运营商CDN业务），被阿里云为代表的互联网公司以低价疯狂掠夺CDN市场，将流媒体业务CDN加速的价格从20多元/M/月，一直打压到现在的几块钱！然而，市场风云变幻，以5G+AR/VR+边缘计算的新兴业务，将会给流媒体CDN加速的业务带来怎样的市场规模？未来又是谁家独领风骚？我们拭目以待！

今天我们开启缓存篇章的有关CDN系列内容，大概也会分几个部分来阐述。

我们先从CDN的基础开始讲起。

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什么是CDN

CDN ，全称Content Delivery Network,即内容分发网络，CDN是构建在网络上的内容分发网络，依靠部署在各地边缘服务器，通过中心平台的负载均衡、内容分发、调度等功能，使用户就近获取所需内容，降低网络拥塞，提高用户访问响应速度和命中率，核心技术是内容存储和分发技术。

如果是CDN小白，估计看了上面的一段CDN的定义，一头雾水，没关系，我们举一个关于制造厂与仓库的例子：

有一家生产电子产品的制造厂总部在北京，制造厂在全国各地都建有仓库，这样各地营业网点可以直接从最近的仓库拿货，保证销售网点的库存。

第一个思考点：CDN是什么？类似于仓库。

试想如果没有仓库情况下，在同等运力情况下，全国营业网点都去北京取货，仅仅考虑取货时间，如营业网点在天津，取货往返大概需要2个小时；如营业网点在深圳，及时发顺丰也要两天。对于每个营业网点来说，都希望能最短时间拿到货，来补给网点的库存。

仓库作用是啥呢，虽然电子产品制造厂在北京，但因为有了各地仓库，让各个营业网点取货时间大致相同。

现在我们类比一下CDN，假设业务服务器在北京，服务器上有一些视频文件，服务器会把热点的视频分发到分布在全国各地的CDN节点（相当于各地仓库），这样各地的用户访问热点视频的时候，就能直接就近从CDN节点上访问，让全国各地用户观看视频的访问时间大致相同，不会因为地域性的不同，看到视频的时间差距较大。

第二个思考点：CDN架构？类似仓库建设

从仓库选址到最后建成，考虑因素非常多，例如当地土地价格，人力成本，运输成本，道路交通等等。这里仅仅单纯考虑如何让各个营业网点取货时间大致相同。 最简单方法是各个地市都建立一个仓库 ，这个问题就解决了。

1、初步运输线路

营业网点->>>>>地市仓库->>>>>总部北京

但是这个方案好不好呢，我们目的是让营业网点取货时间大致相同，由于地市仓库到北京总部距离远近各异，如果翻山越岭，长途跋涉，路上抛锚，修车，延误地市仓库补给，最终导致营业网点取货延迟。为了降低这类风险，公司计划继续增加仓库建设，新增大区仓库,例如华北，东北，西北，华南，西南，华东五大大区，这样就形成了多级仓库系统。

2、优化运输线路

营业网点->>>地市仓库->>>大区仓库->>>总部北京

改进后的方案，保证各个运输线路缺货时间大致相同，进而保证全国各地营业网点取货时间。

类比CDN系统，大概也是这么个建设仓库架构演进，层层收敛汇聚，保证全国用户看到热点视频的时间大致相同，如下图是常规的CDN系统架构图：

简单的类比如下：

边缘节点=各地仓库，

区域节点=大区仓库；

中心节点=北京总部。

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CDN属于云计算吗？

CDN业务最早的定位是作为IDC的增值业务，是基于IDC的机架和带宽基础上，通过CDN平台的复用技术，在不同的时间段进行带宽资源的分配，让闲置的带宽资源能够充分利用起来，实现资源的复用。后来随着云计算兴起，发现CDN的特性其实是完美的覆盖了云计算的五个关键特性：

1）弹性服务

CDN服务规模可快速伸缩，可以自动适应业务负载的动态变化。

对于客户来说，可以认为CDN服务提供商能够提供的带宽是没有上限的，能够满足突发流量的需求。

2）资源池化

CDN全网的节点通过中心节点对全网的带宽资源统一调度，全网的带宽资源以共享资源池的方式统一管理。

大型的CDN服务商全网的带宽资源能够达到TB级，强调规模和资源的动态调度和复用。

3）按需服务

CDN是标准的按需服务的模式，并可根据用户需求，自动分配资源，而不需要系统管理员干预。

4）服务可计费

客户可以通过控制台监控自己的资源使用量，并根据资源的使用情况对服务计费。

5）泛在接入

用户无论使用何种终端设备（如PC电脑、笔记本电脑、智能手机等）都能随时随地通过互联网访问CDN提供的服务。

总结一下： 云计算是强调对CPU计算资源的复用，而CDN强调的是对带宽资源的复用。

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CDN的作用：不仅仅是提升访问性能

1. 实现跨运营商、跨地域的全网覆盖

互联不互通、区域ISP地域局限、出口带宽受限制等种种因素都造成了网站的区域性无法访问。CDN加速可以覆盖全球的线路，通过和运营商合作，部署IDC资源，在全国骨干节点上，合理部署CDN边缘分发存储节点，充分利用带宽资源，平衡源站流量。

2. 保障网站安全

CDN的负载均衡和分布式存储技术，可以加强网站的可靠性，相当无无形中给你的网站添加了一把保护伞，应对绝大部分的互联网攻击事件。防攻击系统也能避免网站遭到恶意攻击。

3. 异地备援

当某个服务器发生意外故障时，系统将会调用其他临近的健康服务器节点进行服务，进而提供接近100%的可靠性，这就让你的网站可以做到永不宕机。

4. 节约成本投入

使用CDN加速可以实现网站的全国铺设，你根据不用考虑购买服务器与后续的托管运维，服务器之间镜像同步，也不用为了管理维护技术人员而烦恼，节省了人力、精力和财力。

5. 让你更专注业务本身

CDN加速厂商一般都会提供一站式服务，业务不仅限于CDN，还有配套的云存储、大数据服务、视频云服务等，而且一般会提供7x24运维监控支持，保证网络随时畅通，你可以放心使用。并且将更多的精力投入到发展自身的核心业务之上。

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看透CDN的本质

CDN本质其实是一种大规模分布式多级缓存系统，为啥这样说呢？

首先，我们来看一下所谓的多级缓存系统。

我们知道CPU有三级缓存，L1\L2\L3，越是靠近CPU，缓存的性能越快，受制于成本，容量越小。

我们在给客户的业务系统设计云端的存储架构的时候，也会考虑多级存储，比如热点数据我们会放在性能较好的SSD块存储上，冷数据我们会放在云存储上，归档数据我们会放在归档存储上，存储的访问性能逐级下降。

对于CDN节点的存储来说，一般也是采用分级存储，比如淘宝的CDN，采用了SSD + SAS + SATA混合存储，图片随着热点变化而迁移，最热的图片存储在SSD上，中等热度的存储到SAS，轻热度的存储到SATA。通过此种方式，能够很好的结合几种存储介质的成本与优势。

对于CDN系统来说，整体的架构，我们知道一般是三级架构：

中心->区域->边缘节点

中心节点缓存了最多的业务数据，会分发到区域节点，再由区域节点分发到边缘节点，属于三级缓存系统。

其次，我们要了解分布式系统的特性，以及CDN是否符合分布式的特性。

分布式系统有以下特性：

1. 分布性：分布式系统中的计算机可以在空间上任意分布。CDN节点不仅仅在空间上分布在全国各个城市，还要覆盖三大运营商，外加教育网、广电网等网络，甚至还需要满足海外CDN的需求。
2. 并发性：在一个分布式系统中，会经常涉及到并发操作一些共享的资源。在CDN系统中，可能会涉及到大量用户并发访问边缘节点的热点资源；
3. 容错性：对于组成分布式的计算机，随时都有可能发生任何形式的故障。在CDN系统中，各个节点都会考虑冗余的服务器和存储空间来防止热点数据的丢失；
4. 透明性：对于应用的访问是透明的。CDN系统中，用户不用关心我要访问哪些CDN节点，所有的访问都是由后台的调度系统来统一管理。

最后，我们说CDN是大规模的缓存系统，是因为国内的主流的CDN厂商，他们的边缘节点、骨干节点都是分布在全国各地，拥有几百个节点、TB级的带宽资源，对于缓存系统来说，真的可以算是大规模系统了！

   

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