CDN 内容分发网络

Question

在正式开讲前，我们先来看看到现在为止 HTTP 手头都有了哪些 武器 。

协议方面，HTTPS 强化通信链路安全、HTTP/2 优化传输效率；应用方面，Nginx/OpenResty 提升网站服务能力，WAF 抵御网站入侵攻击，讲到这里，你是不是感觉还少了点什么？

没错，在应用领域，还缺一个在外部加速 HTTP 协议的服务，这个就是我们今天要说的 CDN（Content Delivery Network 或 Content Distribution Network），中文名叫 内容分发网络 。

为什么要有网络加速？

你可能要问了，HTTP 的传输速度也不算差啊，而且还有更好的 HTTP/2，为什么还要再有一个额外的 CDN 来加速呢？是不是有点 多此一举 呢？

这里我们就必须要考虑现实中会遇到的问题了。你一定知道，光速是有限的，虽然每秒 30 万公里，但这只是真空中的上限，在实际的电缆、光缆中的速度会下降到原本的三分之二左右，也就是 20 万公里 / 秒，这样一来，地理位置的距离导致的传输延迟就会变得比较明显了。

比如，北京到广州直线距离大约是 2000 公里，按照刚才的 20 万公里 / 秒来算的话，发送一个请求单程就要 10 毫秒，往返要 20 毫秒，即使什么都不干，这个 硬性 的时延也是躲不过的。

另外不要忘了， 互联网从逻辑上看是一张大网，但实际上是由许多小网络组成的，这其中就有小网络 互连互通 的问题，典型的就是各个电信运营商的网络，比如国内的电信、联通、移动三大家

这些小网络内部的沟通很顺畅，但网络之间却只有很少的联通点。如果你在 A 网络，而网站在 C 网络，那么就必须 跨网 传输，和成千上万的其他用户一起去 挤 连接点的 独木桥 。而带宽终究是有限的，能抢到多少只能看你的运气。

还有，网络中还存在许多的路由器、网关，数据每经过一个节点，都要停顿一下，在二层、三层解析转发，这也会消耗一定的时间，带来延迟。

把这些因素再放到全球来看，地理距离、运营商网络、路由转发的影响就会成倍增加。想象一下，你在北京，访问旧金山的网站，要跨越半个地球，中间会有多少环节，会增加多少时延？

最终结果就是，如果仅用现有的 HTTP 传输方式，大多数网站都会访问速度缓慢、用户体验糟糕。

什么是 CDN？

这个时候 CDN 就出现了，它就是专门为解决 长距离 上网络访问速度慢而诞生的一种网络应用服务。

从名字上看，CDN 有三个关键词： 内容``分发 和 网络 。

先看一下 网络 的含义。CDN 的最核心原则是 就近访问 ，如果用户能够在本地几十公里的距离之内获取到数据，那么时延就基本上变成 0 了。

所以 CDN 投入了大笔资金，在全国、乃至全球的各个大枢纽城市都建立了机房，部署了大量拥有高存储高带宽的节点，构建了一个专用网络。这个网络是跨运营商、跨地域的，虽然内部也划分成多个小网络，但它们之间用高速专有线路连接，是真正的 信息高速公路 ，基本上可以认为不存在网络拥堵。

有了这个高速的专用网之后，CDN 就要 分发 源站的 内容 了，用到的就是在第 22 讲说过的 缓存代理 技术。使用 推 或者 拉 的手段，把源站的内容逐级缓存到网络的每一个节点上。

于是，用户在上网的时候就不直接访问源站，而是访问离他 最近的 一个 CDN 节点，术语叫 边缘节点 （edge node），其实就是缓存了源站内容的代理服务器，这样一来就省去了 长途跋涉 的时间成本，实现了 网络加速 。

那么，CDN 都能加速什么样的 内容 呢？

在 CDN 领域里， 内容 其实就是 HTTP 协议里的 资源 ，比如超文本、图片、视频、应用程序安装包等等。

资源按照是否可缓存又分为 静态资源 和 动态资源 。所谓的 静态资源 是指数据内容 静态不变 ，任何时候来访问都是一样的，比如图片、音频。所谓的 动态资源 是指数据内容是 动态变化 的，也就是由后台服务计算生成的，每次访问都不一样，比如商品的库存、微博的粉丝数等。

很显然，只有静态资源才能够被缓存加速、就近访问，而动态资源只能由源站实时生成，即使缓存了也没有意义。不过，如果动态资源指定了 Cache-Control ，允许缓存短暂的时间，那它在这段时间里也就变成了 静态资源 ，可以被 CDN 缓存加速。

套用一句广告词来形容 CDN 吧，我觉得非常恰当： 我们不生产内容，我们只是内容的搬运工。

CDN，正是把 数据传输 这件看似简单的事情 做大做强``做专做精 ，就像专门的快递公司一样，在互联网世界里实现了它的价值

CDN 的负载均衡

全局负载均衡（Global Sever Load Balance）一般简称为 GSLB，它是 CDN 的 大脑 ，主要的职责是当用户接入网络的时候在 CDN 专网中挑选出一个 最佳 节点提供服务，解决的是用户如何找到 最近的 边缘节点，对整个 CDN 网络进行 负载均衡 。

原来没有 CDN 的时候，权威 DNS 返回的是网站自己服务器的实际 IP 地址，浏览器收到 DNS 解析结果后直连网站。

但加入 CDN 后就不一样了，权威 DNS 返回的不是 IP 地址，而是一个 CNAME( Canonical Name ) 别名记录，指向的就是 CDN 的 GSLB。它有点像是 HTTP/2 里 Alt-Svc 的意思，告诉外面： 我这里暂时没法给你真正的地址，你去另外一个地方再查查看吧。

因为没拿到 IP 地址，于是本地 DNS 就会向 GSLB 再发起请求，这样就进入了 CDN 的全局负载均衡系统，开始 智能调度 ，主要的依据有这么几个：

• 看用户的 IP 地址，查表得知地理位置，找相对最近的边缘节点；
• 看用户所在的运营商网络，找相同网络的边缘节点；
• 检查边缘节点的负载情况，找负载较轻的节点；
• 其他，比如节点的 健康状况 、服务能力、带宽、响应时间等。

GSLB 把这些因素综合起来，用一个复杂的算法，最后找出一台 最合适 的边缘节点，把这个节点的 IP 地址返回给用户，用户就可以 就近 访问 CDN 的缓存代理了。

CDN 的缓存代理

缓存系统是 CDN 的另一个关键组成部分，相当于 CDN 的 心脏 。如果缓存系统的服务能力不够，不能很好地满足用户的需求，那 GSLB 调度算法再优秀也没有用。

但互联网上的资源是无穷无尽的，不管 CDN 厂商有多大的实力，也不可能把所有资源都缓存起来。所以，缓存系统只能有选择地缓存那些最常用的那些资源。

这里就有两个 CDN 的关键概念： 命中 和 回源 。

命中 就是指用户访问的资源恰好在缓存系统里，可以直接返回给用户； 回源 则正相反，缓存里没有，必须用代理的方式回源站取。

相应地，也就有了两个衡量 CDN 服务质量的指标： 命中率 和 回源率 。命中率就是命中次数与所有访问次数之比，回源率是回源次数与所有访问次数之比。显然，好的 CDN 应该是命中率越高越好，回源率越低越好。现在的商业 CDN 命中率都在 90% 以上，相当于把源站的服务能力放大了 10 倍以上。

怎么样才能尽可能地提高命中率、降低回源率呢？

首先，最基本的方式就是在存储系统上下功夫，硬件用高速 CPU、大内存、万兆网卡，再搭配 TB 级别的硬盘和快速的 SSD。软件方面则不断 求新求变 ，各种新的存储软件都会拿来尝试，比如 Memcache、Redis、Ceph，尽可能地高效利用存储，存下更多的内容。

其次，缓存系统也可以划分出层次，分成一级缓存节点和二级缓存节点。一级缓存配置高一些，直连源站，二级缓存配置低一些，直连用户。回源的时候二级缓存只找一级缓存，一级缓存没有才回源站，这样最终 扇入度 就缩小了，可以有效地减少真正的回源。

第三个就是使用高性能的缓存服务，据我所知，目前国内的 CDN 厂商内部都是基于开源软件定制的。最常用的是专门的缓存代理软件 Squid、Varnish，还有新兴的 ATS（Apache Traffic Server），而 Nginx 和 OpenResty 作为 Web 服务器领域的 多面手 ，凭借着强大的反向代理能力和模块化、易于扩展的优点，也在 CDN 里占据了不少的份额

小结

CDN 发展到现在已经有二十来年的历史了，早期的 CDN 功能比较简单，只能加速静态资源。随着这些年 Web 2.0、HTTPS、视频、直播等新技术、新业务的崛起，它也在不断进步，增加了很多的新功能，比如 SSL 加速、内容优化（数据压缩、图片格式转换、视频转码）、资源防盗链、WAF 安全防护等等。

现在，再说 CDN 是 搬运工 已经不太准确了，它更像是一个 无微不至 的 网站保姆 ，让网站只安心生产优质的内容，其他的 杂事 都由它去代劳。

• 由于客观地理距离的存在，直连网站访问速度会很慢，所以就出现了 CDN；
• CDN 构建了全国、全球级别的专网，让用户就近访问专网里的边缘节点，降低了传输延迟，实现了网站加速；
• GSLB 是 CDN 的 大脑 ，使用 DNS 负载均衡技术，智能调度边缘节点提供服务；
• 缓存系统是 CDN 的 心脏 ，使用 HTTP 缓存代理技术，缓存命中就返回给用户，否则就要回源。