CDN技術應用研究

◆李俊杰

(廣東省電信規劃設計院有限公司 廣東 510630)

CDN技術應用研究

◆李俊杰

(廣東省電信規劃設計院有限公司 廣東 510630)

隨著互聯網業務的快速發展，網絡訪問質量直接影響業務訪問效果，CDN作為網絡優化技術，對運營商業務發展和用戶體驗起關鍵作用。本文從業務發展、關鍵技術等方面分析了CDN的業務和技術特點，并通過案例分析研究了CDN的實際應用場景。

CDN

0 引言

隨著移動互聯網、云計算、大數據等互聯網新技術、新業務的快速發展，內容分發網絡（CDN）作為緩解互聯網網絡擁塞、提高互聯網業務響應速度、改善用戶業務體驗的重要手段，已經成為互聯網基礎設施中不可或缺的重要組成部分。傳統企業的互聯化、商務與交易的電子化、移動互聯網以及視頻、游戲業務的極速增長，已經成為拉動CDN增長的持續動力。從Cisco VNI預測顯示，從2015年到2020年，全球IP流量幾乎增加近兩倍。到2020年，總體IP流量預計從2015年的每月72.5EB增長到每月194 EB，復合年均增長率為22%。此增長率僅略微低于2014年到2019年的預計增長率23%。似乎全球IP流量增長穩定在20-25%的范圍內。在數據傳送中地位越來越重要的內容分發網絡(CDN)正在改變流量拓撲結構。到2020年，CDN將傳輸互聯網總流量的64.5%。

圖1 思科VNI預測全球IP流量及CDN互聯網流量（EB/月）

為應對CDN市場的爆發式增長需求，專業CDN 服務提供商積極進行業務拓展，加快開展新的網絡建設和節點部署，強化針對大型客戶的服務定制能力，同時，由于互聯網企業的積極介入，CDN市場格局加速調整。一方面，大型互聯網公司出于管理及成本的考慮，紛紛開始自建 CDN，在服務于自有業務的同時，逐步加強面向商用的 CDN 布局，并積極探索免費提供 CDN服務的市場拓展新模式；另一方面，由于云計算、大數據等新技術大大降低了CDN的建設成本和周期，不斷有新興的互聯網企業借助于技術創新來實現不同架構的CDN 服務，并面向中小企業推出個性化服務。這些在給CDN行業帶來新的生機和活力的同時，也使得傳統CDN服務提供商面臨前所未有的挑戰。

1 CDN作用

（1）解決高流量、大并發的問題：任何一個物理設備都有一個負載極限。為了應對訪問量突增，可使用CDN服務以提升服務能力。

（2）解決南北互聯：我國的網絡是劃江而治的格局，因為利益之爭，各網絡服務商之間并不是通力協作，而是采取各種手段相互限制。這就導致各網之間的互聯互通存在很大的問題，具體表現為：電信的用戶訪問放置在聯通機房的服務器，響應時間特別長，反之亦然。使用CDN技術，可以讓電信的用戶訪問電信的內容緩存服務器，聯通的用戶訪問聯通的內容緩存服務器。通過這樣一種策略，繞開了網絡運營商之間人為設置的障礙。

（3）提升訪問速度：CDN采用緩存技術，把訪問對象緩存起來，以提高訪問加速。

（4）降低總體運營成本：把源站放在一線城市的BGP機房，而把緩存服務器放置在帶寬費用較低的二三線城市。CDN的大部分流量被轉移到緩存服務器上，源站只有較小的訪問請求，因此總體運營成本大幅降低。

2 CDN關鍵技術

（1)內容分發技術

內容分發包含從內容源到CDN邊緣的Cache的過程。從實現上看，有兩種主流的內容分發技術：PUSH和PULL。

PUSH是一種主動分發的技術。通常，PUSH由內容管理系統發起，將內容從源或者中心媒體資源庫分發到各邊緣的Cache節點。分發的協議可以采用 HTTP/FTP等。通過PUSH分發的內容一般是比較熱點的內容，這些內容通過PUSH方式預分發到邊緣Cache，可以有針對的選擇內容。對于PUSH分發需要考慮的主要問題是分發策略，即在什么時候分發什么內容。一般來說，內容分發可以由內容管理員人工確定，也可以通過智能的方式決定，即所謂的智能分發。它根據用戶訪問的統計信息，以及預定義的內容分發的規則，確定內容分發的過程。

PULL是一種被動的分發技術，PULL分發通常由用戶請求驅動。當用戶請求的內容在本地的邊緣Cache上不存在時，Cache啟動PULL方法從內容源或者其他CDN 節點實時獲取內容。在PULL方式下，內容的分發是按需的。

（2)多級網絡結構CDN節點設置：中心節點：作為全網的內容發布中心，存儲全部內容；服務區域中心未命中的用戶，并提供全網的冗余功能。

區域中心節點：服務邊緣節點未命中的用戶，并承擔部分冗余功能。

邊緣節點：就近部署，存儲熱點內容，服務絕大部分用戶。

在網絡建設初期，用戶規模較小，可采用二級架構（中心節點+邊緣節點），在保證用戶服務質量的基礎上盡量節約系統建設成本。隨著用戶的逐步增加，二級架構在系統容量、可靠性等方便已不能滿足需要的情況下，可采用三級架構（中心節點+區域中心節點+邊緣節點）。

圖2 CDN節點設置示意

(3)內容路由技術

CDN負載均衡系統實現CDN的內容路由功能。它的作用是將用戶的請求導向整個CDN網絡中的最佳節點。最佳節點的選定可以根據多種策略，例如距離最近、節點負載最輕等。負載均衡系統是整個CDN的核心，負載均衡的準確性和效率直接決定了整個CDN的效率和性能。

通常負載均衡可以分為兩個層次:全局負載均衡(GSLB)和本地負載均衡(SLB)。全局負載均衡(GSLB)主要的目的是在整個網絡范圍內將用戶的請求定向到最近的節點(或者區域)。因此，就近性判斷是全局負載均衡的主要功能。本地負載均衡一般局限于一定的區域范圍內，其目標是在特定的區域范圍內尋找一臺最適合的節點提供服務，因此，CDN節點的健康性、負載情況、支持的媒體格式等運行狀態是本地負載均衡進行決策的主要依據。

3 CDN案例分析

下面以某視頻網站的視頻點播采用的遞歸式查詢+緩存方式進行介紹：

Step1、用戶端的播放器向邊緣節點發出視頻數據請求，邊緣節點判斷是否有相關視頻數據，如果有數據，直接發送給播放器；如果沒有，進行setp2。

Step2、邊緣CDN節點向與其連接的區域中心節點發出視頻請求，如果區域中心節點有相關視頻數據，則發送至邊緣節點，邊緣節點再發送至播放器；如果區域中心沒有相關視頻數據則進行Step3。

Step3、區域中心向與其連接的中心節點發出視頻請求，如果中心節點有相關視頻數據，則發送至區域中心，再通過區域中心發送至邊緣節點，邊緣節點再發送至播放器；如果中心節點沒有相關視頻數據則進行Step4。

Step4、中心節點向直播源服務器發出視頻請求，直播源服務器將視頻數據發送至中心節點，通過中心節點發送至區域節點，通過區域中心發送至邊緣節點，邊緣節點再發送至播放器。

圖3 CDN應用案例網絡圖示意

4 未來展望

CDN可在架構上打破傳統運營商骨干網互通相對封閉的控制體系，改善視頻、游戲、社交和電子商務等網上應用的訪問質量，提升用戶的信息化水平，降低網絡通信成本。隨著CDN技術不斷完善，CDN將會以高質量網絡匹配業務應用發展對網絡的需求，大大提升用戶體驗，為業務規模化運營打下良好基礎。