CDN原理簡析

CDN（Content Delivery Network，內容分發網絡）將源站的內容發佈到接近用戶的網絡「邊緣」，用戶能夠就近獲取所需數據，不只下降了網絡的擁塞情況、提升請求的響應速度，也可以減小源站的負載壓力。

不少同窗都比較熟悉CDN的做用和功能，可是可能也會像我以前同樣，對CDN的原理不是十分了解。因此本文旨在對CDN的工做原理和核心組件進行簡要的描述。

1. 訪問源站的過程

爲了更加清楚地展現CDN的原理，咱們首先回顧一下不使用緩存直接到源站請求數據的過程：

如上圖所示，若是要訪問的網站名爲："join.qq.com"，客戶端首先會在本機的hosts文件和hosts緩存中查找該域名對應的IP地址；若是本機中沒有此信息，則會到咱們的本地DNS進行詢問該域名對應的IP地址；若是本地DNS中仍然沒有該域名的IP信息時，則會由本地DNS依次向根DNS、頂級域DNS、權威DNS進行詢問，最終本地DNS將IP地址發送給客戶端。客戶端經過IP地址向遠程的源站服務器發出HTTP請求並獲取相應的數據內容。

以上是經過DNS的迭代解析模式獲取域名對應的IP地址併發送HTTP請求的過程。源站的提供商經過配置權威DNS將源站的域名與提供服務的服務器主機進行綁定，使客戶端經過DNS服務能夠順利地獲取源站域名對應的IP地址並經過IP地址與源站進行通訊。

DNS的記錄類型

爲了方便後續的討論，須要瞭解DNS是如何對查詢請求進行應答的。

在DNS系統中，最多見的資源記錄方式是Internet類記錄，該記錄由包含4個字段的數據構成：Name、Value、Type、TTL。其中Name和Value能夠理解爲一對鍵值對，可是其具體含義取決於Type的類型，TTL記錄了該條記錄應當從緩存中刪除的時間。在資源記錄的類型中中，最爲常見且重要的類型Type主要有：

1. A記錄（Address）

   A記錄用於描述目標域名到IP地址的映射關係，將目標域名與A記錄的Name字段進行匹配，將成功匹配的記錄的Value字段的內容（IP地址）輸出到DNS迴應報文中。

2. NS記錄（Name Server）

   NS記錄用於描述目標域名到負責解析該域名的DNS的映射關係，根據目標域名對NS記錄的Name字段進行匹配，將成功匹配的記錄的Value字段（負責解析目標域名的DNS的IP地址）輸出到DNS迴應報文中。

3. CNAME記錄

   CNAME記錄用於描述目的域名和別名的對應關係，若是說A記錄能夠將目標域名轉換爲對應主機的IP地址，那麼CNAME記錄則能夠將一個域名（別名）轉換爲另外一個域名，若是多條CNAME記錄指向同一個域名，則能夠將多個不一樣的域名的請求指向同一臺服務器主機。而且，CNAME記錄一般還對應了一條A記錄，用於提供被轉換的域名的IP地址。

2. 經過CDN獲取緩存內容的過程

在上一章節中主要介紹了經過DNS服務直接訪問源站的請求響應過程。與其不一樣的是，CDN將咱們對源站的請求導向了距離用戶較近的緩存節點，而非源站。

如圖所示是經過CDN進行請求響應的過程圖。經過圖中能夠看出，在DNS解析域名時新增了一個全局負載均衡系統（GSLB），GSLB的主要功能是根據用戶的本地DNS的IP地址判斷用戶的位置，篩選出距離用戶較近的本地負載均衡系統（SLB），並將該SLB的IP地址做爲結果返回給本地DNS。SLB主要負責判斷緩存服務器集羣中是否包含用戶請求的資源數據，若是緩存服務器中存在請求的資源，則根據緩存服務器集羣中節點的健康程度、負載量、鏈接數等因素篩選出最優的緩存節點，並將HTTP請求重定向到最優的緩存節點上。

爲了更清晰地說明CDN的工做原理，下面以客戶端發起對"join.qq.com/video.php"的HTTP請求爲例進行說明：

1. 用戶發起對"join.qq.com/video.php"的HTTP請求，首先須要經過本地DNS經過"迭代解析"的方式獲取域名"join.qq.com"的IP地址；
2. 若是本地DNS的緩存中沒有該域名的記錄，則向根DNS發送DNS查詢報文；
3. 根DNS發現域名的前綴爲"com"，則給出負責解析com的頂級DNS的IP地址；
4. 本地DNS向頂級DNS發送DNS查詢報文；
5. 頂級DNS發現域名的前綴爲"qq.com"，在本地記錄中查找負責該前綴的權威DNS的IP地址並進行回覆；
6. 本地DNS向權威DNS發送DNS查詢報文；
7. 權威DNS查找到一條NAME字段爲"join.qq.com"的CNAME記錄（由服務提供者配置），該記錄的Value字段爲"join.qq.cdn.com"；而且還找到另外一條NAME字段爲"join.qq.cdn.com"的A記錄，該記錄的Value字段爲GSLB的IP地址；
8. 本地DNS向GSLB發送DNS查詢報文；
9. GSLB根據本地DNS的IP地址判斷用戶的大體位置爲深圳，篩選出位於華南地區且綜合考量最優的SLB的IP地址填入DNS迴應報文，做爲DNS查詢的最終結果；
10. 本地DNS回覆客戶端的DNS請求，將上一步的IP地址做爲最終結果回覆給客戶端；
11. 客戶端根據IP地址向SLB發送HTTP請求："join.qq.com/video.php"；
12. SLB綜合考慮緩存服務器集羣中各個節點的資源限制條件、健康度、負載狀況等因素，篩選出最優的緩存節點後迴應客戶端的HTTP請求（狀態碼爲302，重定向地址爲最優緩存節點的IP地址）；
13. 客戶端接收到SLB的HTTP回覆後，重定向到該緩存節點上；
14. 緩存節點判斷請求的資源是否存在、過時，將緩存的資源直接回復給客戶端，不然到源站進行數據更新再回復。

其中較爲關鍵的步驟爲6~9，與普通的DNS過程不一樣的是，這裏須要服務提供者（源站）配置它在其權威DNS中的記錄，將直接指向源站的A記錄修改成一條CNAME記錄及其對應的A記錄，CNAME記錄將目標域名轉換爲GSLB的別名，A記錄又將該別名轉換爲GSLB的IP地址。經過這一系列的操做，將解析源站的目標域名的權力交給了GSLB，以至於GSLB能夠根據地理位置等信息將用戶的請求引導至距離其最近的"緩存節點"，減緩了源站的負載壓力和網絡擁塞。

以上主要介紹了目前CDN中最爲常見的工做方式，這種工做方式利用CNAME將域名和目標IP之間進行解耦，將目標IP的解析權下放到GSLB中，方便實現更多自定義的功能，是一種更加靈活的方式。