CDN（Content Delivery Network）内容分发网络原理、组成、访问过程、动静态加速、作用详解

cdn简介

什么是CND

CDN（Content Delivery Network）的缩写，是一种利用分布式节点技术，在全球部署服务器，即时地将网站、应用视频、音频等静态或动态资源内容分发到用户所在的最近节点，提高用户访问这些内容的速度和稳定性，降低网络拥塞和延迟，同时也能减轻源站的压力。提高网络或应用的可用性和安全型。

CDN的基本原理是将源站的内容分发到离用户最近的节点上进行缓存，并通过智能路由、负载均衡等技术来保证用户能够快速、稳定地访问到所需资源。CDN将源站与用户之间的网络传输距离缩短，通过多节点并行传输，从而显著降低了网络传输的延迟和带宽消耗。

为什么需要CDN

考虑如下场景：

某部电视剧非常火爆，在某视频APP实现了1千万用户同时在线观看。如果大家观看的是1080p清晰度的视频（理论上需要4Mbps带宽），那么，累计需要的流量带宽是10,000,000×4Mbps=40,000,000Mbps=40Tbps。

对于优酷、爱奇艺这样的互联网视频内容提供商来说，这无疑是非常巨大的流量压力。我们普通计算机的网卡，是1Gbps的带宽。如果优酷有一台超级服务器，那么，这台超级服务器就需要4万块网卡，而且必须百分之百跑满速度，才能够实现这1千万用户的流畅观看。对于一些实力不够的服务商，或者突发流量陡增的情况，就会造成拥塞，从而导致卡顿和延时。有这么一个说法：当用户打开一个页面，等待超过4秒，他就会关闭这个页面。也就是说，这个用户就会流失。

CDN作为一项非常有效的缩短时延的技术，能够有效解决上述问题。

CDN的原理

CDN就是采用更多的缓存服务器（CDN边缘节点），布放在用户访问相对集中的地区或网络中。当用户访问网站时，利用全局负载技术，将用户的访问指向距离最近的缓存服务器上，由缓存服务器响应用户请求。（有点像电商的本地仓）

CDN与镜像服务器的区别：

镜像服务器是源内容服务器的完整复制。

CDN是部分内容的缓存，智能程度更好。CND = 更智能的镜像 + 缓存 + 流量导流。

CDN的系统组成

CDN的系统组成通常包含以下组件：

源服务器（Origin Server）	源服务器是存储网站内容的主要服务器。它存放着原始的网页、图像、视频和其他静态或动态文件。当内容发生更改时，源服务器会产生新的版本，并将其传递给 CDN。
边缘服务器（Edge Server）	边缘服务器是部署在全球各个地点的服务器节点，它们构成了 CDN 的基础架构。每个边缘服务器都存有一部分或全部的缓存内容，包括从源服务器获取到的静态文件副本。边缘服务器负责提供内容的分发和加速，向用户提供最接近的服务器节点。
负载均衡器（Load Balancer）	负载均衡器用于在多个边缘服务器之间均匀分配用户请求的流量。它根据不同算法（如轮询、最少连接等）将请求导向最优的边缘服务器，以实现负载均衡和高可用性。
缓存机制	CDN 使用缓存机制来存储源服务器上的内容副本。当用户请求访问文件时，边缘服务器会尝试返回缓存中的副本，而不必每次都访问源服务器。这减少了对源服务器的负载，提高了响应速度和用户体验。
DNS （Domain Name System）	DNS 解析用户请求的域名并将其映射到最近的边缘服务器。CDN 使用智能 DNS 解析技术，根据用户位置和网络条件来选择最优的边缘服务器。这确保用户能够通过最快的路径获取内容。
内容管理系统（Content Management System）	内容管理系统用于管理和发布网站的内容。它可以与 CDN 集成，使更新的内容能够传递到 CDN，并在边缘服务器上进行缓存。

CDN的访问过程

CDN的访问过程依赖于DNS的重定向技术，即将用户定向至地理位置上距离其最近的边缘CDN节点服务器上。用户首先向根DNS服务器发送域名解析请求，根DNS服务器向授权DNS服务器发送域名解析请求，请求中包含了根服务器的IP地址，当域名解析服务器/根DNS服务器接受到一个CNAME类的DNS记录，域名解析服务器会重定向到CDN节点网络层中的智能CDN域名服务器上，CDN域名服务器将进行一系列的智能解析操作，根据本地DNS域名解析服务器的IP地址，分析各个网络线路的拥堵情况和负载情况，将最适合的CDN节点服务器IP地址返还给根DNS服务器，用户接受到CDN节点的IP地址后，直接向CDN节点服务器发送请求获取网站内容。

具体步骤概括如下：

当用户点击APP上的内容，APP会根据URL地址去本地DNS（域名解析系统）寻求IP地址解析。
本地DNS系统会将域名的解析权交给CDN专用DNS服务器。
CDN专用DNS服务器，将CDN的全局负载均衡设备IP地址返回用户。
用户向CDN的负载均衡设备发起内容URL访问请求。
CDN负载均衡设备根据用户IP地址，以及用户请求的内容URL，选择一台用户所属区域的缓存服务器。
负载均衡设备告诉用户这台缓存服务器的IP地址，让用户向所选择的缓存服务器发起请求。
用户向缓存服务器发起请求，缓存服务器响应用户请求，将用户所需内容传送到用户终端。
如果这台缓存服务器上并没有用户想要的内容，那么这台缓存服务器就要网站的源服务器请求内容。
源服务器返回内容给缓存服务器，缓存服务器发给用户，并根据用户自定义的缓存策略，判断要不要把内容缓存到缓存服务器上。

CDN加速原理

CDN的加速原理主要通过负载均衡、缓存机制、数据传输优化、动态加速技术和安全保障等方面来实现网络加速，提升用户的网络访问体验。

负载均衡：CDN通过将用户请求分发到不同的节点，避免单一节点过载，从而保证用户请求响应速度。
缓存机制：CDN将静态资源缓存在靠近用户的节点上，当用户请求这些资源时，可直接从缓存中获取，避免了从源站获取资源的耗时。
数据传输优化：CDN采用自动智能路由技术，选择最优的传输路径，避免网络拥塞，从而优化数据传输过程。
动态加速技术：CDN可以使用动态加速技术，对动态内容进行加速，例如应用程序、交互式内容和数据库查询等。
安全保障：CDN可以提供一些常用的安全防护机制，如ddos攻击防护、源站防护等，保障网站的安全。

静态加速

静态加速是指对网页中的静态资源（包括html文件、CSS文件、js文件、图片、flash动画等）进行CDN节点缓存，使得用户在访问网页中的静态资源时，调取CDN边缘节点缓存；在访问网页中的动态资源如asp、php、jsp等时从源站中调取，从而实现“动静分离”，达到加速的目的。“动静分离”的好处在于用户访问网站时，静态资源直接从离自己最近的CDN节点缓存中获取（具体架构见使用CDN后的访问），减少用户访问静态资源的时间，同时又降低源站服务器的带宽压力、静态资源访问压力。

动态加速

通过CDN众多节点找到一条最快的路由，去源站点取数据从而达到对动态网站加速，再配合数据压缩技术，可以将动态网站的访问速度提高10倍甚至100倍。另外，动态网站的页面内容一般是由静态图片和动态文本混合组成，而静态图片将会被缓存到CDN节点的硬盘上，也能提高动态网站的访问速度。

动态加速是指CDN的DNS解析中通过动态链路探测，监控网络环境的变化，监控各地网络延迟，寻找到一条最稳定、最高效、最快速的路径，回源动态资源，从而实现动态资源（如asp、php、jsp等）加速。然后构成链路列表，绑定到DNS解析上，更新到CDN的本地域名服务器上。简单架构见下图所示。

CDN的数据节点的更新和同步

CDN分为推拉两种方式，推是服务器将内容推到cdn节点上，拉是cdn在第一次接受请求的时候从服务器拉取资源进行响应并保存，当资源在CDN缓存之后，如果服务器上的资源发生变化，cdn节点是不会知道的，除非缓存时间到期重新拉取或者修改新资源的访问。

动态资源的话，一般都是无延迟的。静态对于 css 和 js 来说，建议在编译生成的阶段，为文件名加上时间戳。而且最好是在文件名里面，而不是 querystring 里面加。这是最方便的方案，因为一旦发生了更新，每次去取的一定是新文件，不涉及缓存刷新的问题

CDN的核心技术

内容路由技术：内容路由技术是CDN的核心技术之一，通过智能选择最优路径来实现请求的快速响应。其中包括DNS负载均衡、IP Anycast技术、BGP路由协议等。
缓存技术：CDN采用了高效的缓存技术，将内容缓存在离用户最近的节点上，实现快速访问。
分发技术：CDN采用多种分发技术，包括HTTP协议、HTTPS协议、流媒体协议等，同时支持直播和点播两种场景。
动态加速技术：CDN可以使用一些技术来加速动态内容的传输，例如Web加速技术、TCP协议优化技术、SSL加速技术等。
安全防护技术：CDN提供了多种安全防护技术，包括ddos攻击防护、Web应用防火墙等。
数据分析技术：CDN可以对网站访问数据进行收集、整理和分析，帮助网站优化内容和提升用户体验。
智能控制平台：CDN主要通过智能控制平台提供服务，包括内容管理、性能监测、安全防护等。通过智能控制平台，CDN可以自动化、智能化地管理和优化网站内容分发。

CDN的主要作用

CDN 的主要作用是通过就近缓存、加速内容传输和提供全球分发网络，改善用户体验，减轻源服务器负载，并提供更高的网站可用性和保护。

加速内容传输：CDN 在全球范围内部署了多个服务器节点，将网站的静态资源和动态内容缓存到靠近用户的边缘服务器上。这样，当用户请求访问网站时，可以从最近的边缘服务器获取内容，减少了传输延迟和网络拥塞，提高了页面加载速度。
减轻源服务器负载：CDN 的边缘服务器能够缓存和提供网站内容的副本，当用户请求访问时，不必每次都访问源服务器。这有效减轻了源服务器的负载压力，提升了整体的性能和可扩展性。
提高全球访问速度：由于 CDN 在全球各地都有服务器节点，通过智能的路由选择，用户可以从最近的边缘服务器获取内容，大大减少了数据在互联网上的传输距离和时间，从而提高了全球用户的访问速度和响应时间。
增强网站的稳定性和可靠性：CDN 具备容错和冗余机制，如果某个边缘节点出现故障，请求会自动切换到其他可用的节点上。这种冗余机制提高了网站的稳定性和可用性，防止单点故障导致整个系统不可用。
抵御DDoS攻击：CDN 可以提供一定程度的分布式拒绝服务（DDoS）攻击防护能力。由于 CDN 分散了流量并具备弹性扩展能力，可以对来自恶意请求的攻击进行过滤和缓解，确保正常用户访问不受干扰。
降低成本：通过CDN可以降低带宽和服务器的成本，提高用户体验的同时，降低网站运营成本。