CDN原理简析

Posted 2022-01-28 火山石

CDN（Content Delivery Network，内容分发网络）将源站的内容发布到接近用户的网络“边缘”，用户可以就近获取所需数据，不仅降低了网络的拥塞状况、提高请求的响应速度，也能够减少源站的负载压力。

很多同学都比较熟悉CDN的作用和功能，但是可能也会像我之前一样，对CDN的原理不是十分了解。所以本文旨在对CDN的工作原理和核心组件进行简要的描述。

1. 访问源站的过程

为了更加清楚地展示CDN的原理，我们首先回顾一下不使用缓存直接到源站请求数据的过程：

如上图所示，如果要访问的网站名为："join.qq.com"，客户端首先会在本机的hosts文件和hosts缓存中查找该域名对应的IP地址；如果本机中没有此信息，则会到我们的本地DNS进行询问该域名对应的IP地址；如果本地DNS中仍然没有该域名的IP信息时，则会由本地DNS依次向根DNS、顶级域DNS、权威DNS进行询问，最终本地DNS将IP地址发送给客户端。客户端通过IP地址向远程的源站服务器发出HTTP请求并获取相应的数据内容。

以上是通过DNS的迭代解析模式获取域名对应的IP地址并发送HTTP请求的过程。源站的提供商通过配置权威DNS将源站的域名与提供服务的服务器主机进行绑定，使客户端通过DNS服务可以顺利地获取源站域名对应的IP地址并通过IP地址与源站进行通信。

DNS的记录类型

为了方便后续的讨论，需要了解DNS是如何对查询请求进行应答的。

在DNS系统中，最常见的资源记录方式是Internet类记录，该记录由包含4个字段的数据构成：Name、Value、Type、TTL。其中Name和Value可以理解为一对键值对，但是其具体含义取决于Type的类型，TTL记录了该条记录应当从缓存中删除的时间。在资源记录的类型中中，最为常见且重要的类型Type主要有：

1. A记录（Address）

   A记录用于描述目标域名到IP地址的映射关系，将目标域名与A记录的Name字段进行匹配，将成功匹配的记录的Value字段的内容（IP地址）输出到DNS回应报文中。

2. NS记录（Name Server）

   NS记录用于描述目标域名到负责解析该域名的DNS的映射关系，根据目标域名对NS记录的Name字段进行匹配，将成功匹配的记录的Value字段（负责解析目标域名的DNS的IP地址）输出到DNS回应报文中。

3. CNAME记录

   CNAME记录用于描述目的域名和别名的对应关系，如果说A记录可以将目标域名转换为对应主机的IP地址，那么CNAME记录则可以将一个域名（别名）转换为另一个域名，如果多条CNAME记录指向同一个域名，则可以将多个不同的域名的请求指向同一台服务器主机。并且，CNAME记录通常还对应了一条A记录，用于提供被转换的域名的IP地址。

2. 通过CDN获取缓存内容的过程

在上一章节中主要介绍了通过DNS服务直接访问源站的请求响应过程。与其不同的是，CDN将我们对源站的请求导向了距离用户较近的缓存节点，而非源站。

如图所示是通过CDN进行请求响应的过程图。通过图中可以看出，在DNS解析域名时新增了一个全局负载均衡系统（GSLB），GSLB的主要功能是根据用户的本地DNS的IP地址判断用户的位置，筛选出距离用户较近的本地负载均衡系统（SLB），并将该SLB的IP地址作为结果返回给本地DNS。SLB主要负责判断缓存服务器集群中是否包含用户请求的资源数据，如果缓存服务器中存在请求的资源，则根据缓存服务器集群中节点的健康程度、负载量、连接数等因素筛选出最优的缓存节点，并将HTTP请求重定向到最优的缓存节点上。

为了更清晰地说明CDN的工作原理，下面以客户端发起对"join.qq.com/video.php"的HTTP请求为例进行说明：

1. 用户发起对"join.qq.com/video.php"的HTTP请求，首先需要通过本地DNS通过"迭代解析"的方式获取域名"join.qq.com"的IP地址；
2. 如果本地DNS的缓存中没有该域名的记录，则向根DNS发送DNS查询报文；
3. 根DNS发现域名的前缀为"com"，则给出负责解析com的顶级DNS的IP地址；
4. 本地DNS向顶级DNS发送DNS查询报文；
5. 顶级DNS发现域名的前缀为"qq.com"，在本地记录中查找负责该前缀的权威DNS的IP地址并进行回复；
6. 本地DNS向权威DNS发送DNS查询报文；
7. 权威DNS查找到一条NAME字段为"join.qq.com"的CNAME记录（由服务提供者配置），该记录的Value字段为"join.qq.cdn.com"；并且还找到另一条NAME字段为"join.qq.cdn.com"的A记录，该记录的Value字段为GSLB的IP地址；
8. 本地DNS向GSLB发送DNS查询报文；
9. GSLB根据本地DNS的IP地址判断用户的大致位置为深圳，筛选出位于华南地区且综合考量最优的SLB的IP地址填入DNS回应报文，作为DNS查询的最终结果；
10. 本地DNS回复客户端的DNS请求，将上一步的IP地址作为最终结果回复给客户端；
11. 客户端根据IP地址向SLB发送HTTP请求："join.qq.com/video.php"；
12. SLB综合考虑缓存服务器集群中各个节点的资源限制条件、健康度、负载情况等因素，筛选出最优的缓存节点后回应客户端的HTTP请求（状态码为302，重定向地址为最优缓存节点的IP地址）；
13. 客户端接收到SLB的HTTP回复后，重定向到该缓存节点上；
14. 缓存节点判断请求的资源是否存在、过期，将缓存的资源直接回复给客户端，否则到源站进行数据更新再回复。

其中较为关键的步骤为6~9，与普通的DNS过程不同的是，这里需要服务提供者（源站）配置它在其权威DNS中的记录，将直接指向源站的A记录修改为一条CNAME记录及其对应的A记录，CNAME记录将目标域名转换为GSLB的别名，A记录又将该别名转换为GSLB的IP地址。通过这一系列的操作，将解析源站的目标域名的权力交给了GSLB，以致于GSLB可以根据地理位置等信息将用户的请求引导至距离其最近的"缓存节点"，减缓了源站的负载压力和网络拥塞。

以上主要介绍了目前CDN中最为常见的工作方式，这种工作方式利用CNAME将域名和目标IP之间进行解耦，将目标IP的解析权下放到GSLB中，方便实现更多自定义的功能，是一种更加灵活的方式。