CDN加速原理

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什麼是CDN？

CDN（Content Delivery Network）也叫內容分發網絡，此技術旨在下降帶寬消耗，減小延遲，在網絡負載時體現路由的可擴展性。

直觀上體如今應用程序或網頁的提速，改善應用服務器壓力的同時提升用戶體驗。

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爲何要用CDN？

傳統單一站點，以及流媒體的訪問併發量受帶寬限制和服務器性能等因素限制，無限擴容雖能及時緩解瓶頸壓力，可是治標不治本，還會有資源浪費的嫌疑。所以在網絡「基建」已搭建好的情境下，如何對數據流進行規整，實現既能節省帶寬又能減小對服務器性能依賴成爲了一種新思路。

CDN技術由此應運而生。對源站頁面內容進行緩存，打破跨地域、跨運營商用戶訪問的壁壘，同時緩解了企業帶寬和服務器承載壓力，加快應用的響應速度，爲用戶帶來卓越的交互體驗。

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CDN加速原理

CDN經過創建多個節點，將源站內容更新並下發、緩存到所有節點。當用戶請求資源時，CDN根據就近原則，將距離用戶最近的節點做爲緩存服務器下發資源。

圖｜CDN架構示例

CDN主要從兩點體現加速價值，一是提升網絡的鏈接性，二是從網絡根本的性能上。下面會根據這兩方面分別介紹CDN的功能。

炫酷技術——提升網絡鏈接性

影響網絡鏈接性的因素有不少，能夠把數據傳輸過程想象成排水系統，不一樣類型的數據則能夠理解爲排水系統中不一樣的物質，因此在排水時有兩類問題就須要工廠來明確。

• 從源頭來考慮：

  排放機制是否須要時時刻刻都進行，仍是在中繼處攢到必定容量再統一排放。

• 從中間環節來考慮：

  排水系統的大致積物質如果過大是否會堵塞通道，所以也要考慮物質壓縮問題。

這些問題均可以被形象地類比爲數據傳輸中遇到的問題。工廠第一個排放機制的問題等同於HTTP請求的處理，不管是網絡帶寬，仍是瀏覽器可容納的TCP併發量，都是有閥值限制的，所以須要一些手段合理下降客戶端請求數。第二個問題等同於數據傳輸中大文件的處理方式，是要統一進行壓縮仍是增長「排隊」的長度。

值得欣慰的是，當前CDN的技術能夠很好地解決數據傳輸中的問題。下面5點是從CDN在提升網絡鏈接性的方面應用的技術和算法。

1.     對HTTP頭部實現緩存策略

若是相同版本的HTTP頁面一直在被加載，不管對於源站服務器仍是客戶端都等於作了不少「無用功」。所以CDN會自主學習，將該HTTP頁面當成是「靜態頁面」，並緩存到CDN的緩存服務器上。等用戶再請求相同資源的時候，CDN代替源站服務器，直接返回已進行緩存的資源，節省了進行相同運算的處理時間。帶給用戶的直觀感覺就是程序或網頁響應快。

此外，CDN能夠直接重寫HTTP的緩存標頭，對是否緩存、緩存時間、強制緩存，將源站資源緩存在CDN節點上，徹底根據用戶需求進行定製化部署。

2.     減小HTTP請求

從網絡層面講，每請求一個網頁資源就須要發起一個HTTP請求，當請求數過多時就會形成首字節時間（TTFB）的延長。所以頁面元素越多，也就越消耗時間來加載資源。形成的結果就是，用戶打開內容豐富的頁面，反而引發了5s焦慮，所以放棄繼續訪問[]。丟失用戶這對於應用來講，無異因而巨大的損失。

CDN可經過整合資源從而減小資源的HTTP請求，從而加快用戶加載頁面所消耗的時間。

圖｜CDN進行HTTP資源整合示例

3.     HTML內容壓縮

一般HTML會對整個內容進行壓縮，壓縮後的文件越大，瀏覽器在進行解壓縮並傳遞給用戶的時間就會越長，而影響解壓縮時間的因素與採起的壓縮工具備關。在對GZIP、BZIP、LZMA等壓縮方式進行對比以後發現，GZIP對內容的壓縮量相對較大[2]，且GZIP的壓縮和解壓縮時間都相對較小[3]，所以GZIP爲當前最爲廣泛的壓縮方式。

CDN能夠對HTML進行GZIP壓縮，最大程度優化由於網頁內容的壓縮和解壓縮影響下的TTFB。

4.     圖片加載

常規的圖片壓縮方式分爲三種：

第一種是有損壓縮，將圖片的質量下降，從而減小圖片大小；

第二種是將圖片變成像素模式，並同時將圖片優化，使其看起來更好看而不是所有由像素點構成的圖片，從而減小瀏覽器加載圖片的時間；

第三種是將柵格式的圖片所有變成矢量圖，從根本上減小圖片大小，同時維持高質量的視覺效果。

CDN則利用第三種方式，在無損圖片質量的同時最大程度減小圖片大小。所以圖片越大，越能體現CDN對於圖片處理的優越性。

5.     SSL鏈接

圖｜CDN雙向加密示例

①　安全性

數據傳輸固然不可忽視數據加密問題，在使用CDN過程當中涉及兩階段SSL加密過程。優秀的CDN服務商，在用戶和CDN交互過程使用的是CDN提供的經由CA認證的高等級A+證書。所以一般狀況下用戶與CDN節點的緩存數據進行交互過程是安全可控的。而CDN訪問源站的過程是須要自行按需部署SSL證書，因此保證了數據在CDN和源站進行交互的過程也是加密的。

除此以外，CDN還可提供HTTP嚴格傳輸安全協議( HSTS )技術。即CDN可統一對接入的源站域名進行管理，使該域只能經過SSL/TLS進行訪問。可是由於有些應用在https進行訪問後會重定向到http，若應用HSTS，則有可能會影響部分功能，所以HSTS技術仍是根據用戶需求按需部署。

②　高效

當client請求數據的時候，本質上是經過與CDN邊緣節點服務器進行交互，而CDN邊緣節點服務器再按期或根據用戶需求向源站進行數據同步或預取。在用戶與CDN進行數據交互過程當中，CDN提供keep alive機制。當用戶請求資源時，CDN支持短期的開放鏈接，使用戶無需重複與CDN節點創建鏈接，從而減小了SSL反覆創建鏈接過程當中浪費的時間。

穩固地基——改善網絡性能

CDN是否優秀，一方面體如今對於改善網絡鏈接所使用的多種技術。可是不管提供的技術有多智能、多便捷，CDN的立足之本都是節點的物理位置選擇和總體網絡的架構部署。就比如搭建房子，根基穩了才能在上層建築上凸顯個性。所以CDN的根基主要是從網絡的數據傳輸方式、路由策略和運營商的選擇來衡量的。

1.     拯救運維工程師睡眠的技術——任意播(Anycast)

網絡環境中，數據從客戶端到服務器的通訊方式有多種選擇，常見爲單播、組播、廣播。

• 單播(Unicast)是指一對一的通訊方式，只有客戶端發起了請求服務器纔會發送數據流。這種方式最爲普遍，常見的TCP就是屬於單播模式。更直觀來說，用戶發送郵件、瀏覽網頁就是單播最好的體現，即點對點傳輸。

• 組播(Multicast)是指一對多的通訊方式，可是隻發給特定「組」的用戶，當下視頻會議、流媒體等資源多數採用組播方式。形象的比喻是用戶在油管上關注了一個播主，那麼這個播主更新的內容會自動推送到訂閱該播主的用戶上。不在這個訂閱組的用戶將收不到更新的推送。那麼「組」的這個概念就很好理解了。

• 廣播(Broadcast)也是一對多的通訊方式，只不過相較於組播，廣播是發給廣播域裏面全部用戶。由於用戶只能是被動接受，如果再加上網絡結構設計不合理，所以纔會有「廣播風暴」這種網絡故障存在。

然而任意播(Anycast)的產生則是概念性的突破。任意播是由IPV6衍生出的一個技術，即經過「就近原則」，向最近節點發送數據的方式。那麼問題來了，網絡又不像實際路況，到某一個節點路由器時，面對新解鎖的地圖它怎麼知道誰最近呢？尤爲涉及到全球範圍，每個國家的路由是不會讓別人摸清的，那依靠任意播的CDN、DNS是怎麼工做的呢？

答案就是利用BGP。不一樣地域之間靠邊緣ISP將路由告知給鄰居節點，從而實現了將保密區域內部結構私有化，同時不一樣地域之間又能互通。

CDN即是依託於該特色，在全球節點互通互聯的基礎上，向全球用戶提供加速服務。

圖｜CDN路由選擇示例

2.     運營商強強聯合

CDN選取的運營商線路所影響的加速效果遠比CDN提供的技術性能優化明顯得多。通常來說，一級運營商的專線質量以及節點位置、數量會遠遠高於2、三級運營商。所以爲保證運營商效益，一級運營商會在不一樣地域構成一個相似於聯盟性質的「一級運營商俱樂部」，在穩固了本身的市場佔有率同時，又保證彼此經過聯盟而向用戶提供最優的鏈路質量。與此同時，優質CDN則會協議使用「一級運營商俱樂部」提供的鏈路，將加速效果最大化。

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總結

經過CDN的靈活部署，在節省了互聯網出口帶寬的同時，爲業務帶來了更多的可能性。不用再顧慮大文件、高清音頻是否會出現嚴重卡頓現象，再也不考量其餘地域用戶是否有時延問題等。應用CDN不但爲業務免除了數據傳輸的影響因素，並且帶來了卓越的用戶體驗，讓業務能夠更加專一於應用的開發以及客戶羣體的定位。

做爲當前已經使用CDN的業務，如今是否是已經開始偷着樂了呢。