CDN技術的主要機制和關鍵技術研究

陳健法

摘 ? 要：隨著互聯網的快速發(fā)展，當前互聯網的用戶數量快速增加，隨之帶來的是網絡服務器負載的增加，進而導致互聯網服務器響應速率下降，為此需要從整體上提升互聯網數據傳輸的服務質量，并進一步提高互聯網服務器的響應效率，從而更好地滿足互聯網發(fā)展的需要。文章所研究的CDN技術正是在這樣的基礎上發(fā)展起來的，能夠通過增加新的網絡構建，實現流媒體內容有效分送，從而降低服務器負載，是一種新興互聯網技術。

關鍵詞：內容分發(fā)網絡技術;主要機制;關鍵技術;負載均衡;流媒體;未來網絡

隨著互聯網信息技術的快速發(fā)展，圖像、視頻、音頻等互聯網內容的數量和體積快速增大;同時，互聯網服務覆蓋的用戶群及用戶區(qū)域也將全球化作為一個標配。由于受到服務器處理能力局限、用戶訪問距離影響以及網絡擁塞導致的網絡波動等，用戶在互聯網使用體驗方面將面臨較大的挑戰(zhàn)。這對傳統(tǒng)的交互技術與傳輸結構，都提出了新的需求。此外，由于用戶與網站之間的交互質量是直接影響到用戶體驗的重要因素，自然也成為急需解決的問題。

1 ? ?CDN技術主要機制

1.1 ?CDN體系結構

內容分發(fā)網絡（Content Delivery Network，CDN）技術本質上是一種提升網絡訪問速度的技術，能夠通過網絡流量特征和帶寬分布、復制內容以及用戶的訪問特征等因素，對用戶的請求進行數字化的定量分析，從而實現對于網絡內容的全網高質量分送，主要通過4個網絡體系結構進行運作[1]：

首先，內容緩存系統(tǒng)。系統(tǒng)分散與世界各地各個運營商的IDC機房，主要負責緩存互聯網訪問內容以及對用戶請求作出響應。在CDN中也叫作服務節(jié)點。這些節(jié)點由服務器集群組成，通過設備負載均衡及應用負載均衡保障單節(jié)點負載能力及可擴展性，以滿足大規(guī)模用戶訪問的需求。這些節(jié)點往往非常靠近互聯網用戶，互聯網用戶在這些節(jié)點獲得請求響應，減少了回源訪問源站服務器的次數，并避免遠距離獲取數據，從而降低源站負載，并縮短了網絡傳輸距離所需要的時間，從而提升了互聯網服務的響應速度，并提升了源站的穩(wěn)定性及服務能力。

其次，日志系統(tǒng)。分布于各個節(jié)點，并通過節(jié)點緩存軟件，將流量日志及訪問日志定時吐出，然后通過數據同步，將數據同步到中心的日志處理服務器，數據統(tǒng)計后用于CDN服務計費，并可以根據訪問日志排查故障、監(jiān)測服務質量、預警服務故障[2]。

再次，監(jiān)控系統(tǒng)。包括設備監(jiān)控、網絡監(jiān)控及應用監(jiān)控，實時將監(jiān)控狀態(tài)匯總到中央監(jiān)控中心，并通過監(jiān)控中心設置的閾值發(fā)出告警。這些告警數據，實時為CDN運營提供支撐數據，運營人員根據告警數據及時排除故障，并將服務器切換到正常的服務器上去執(zhí)行。監(jiān)控中心的告警數據也作為調度中心的自動調度依據，以保障CDN服務的連續(xù)性。

最后，調度中心。主要是實現對于用戶訪問路徑的管理和實施。主要通過預設的節(jié)點覆蓋方案、故障調度方案以及路徑探測結果，根據用戶IP地址屬性等信息，將不同用戶請求分別導向不同的分支節(jié)點，從而實現用戶就近訪問及最優(yōu)路徑訪問，縮短響應時間[1]。

1.2 ?CDN技術的工作流程

當用戶訪問到已經使用了CDN技術架構的服務網站時，能夠通過域名系統(tǒng)（Domain Name System，DNS）的重定向技術實現對于用戶節(jié)點的導向，最終將用戶的請求指向最佳的CDN節(jié)點，而當用戶的請求實現與CDN節(jié)點接觸時，CDN的服務器能夠將用戶請求的內容分送給不同的用戶，詳細流程如下：

（1）CDN一般在提供服務的時候，會根據服務網站提供域名配置調度策略及覆蓋策略，并提供一個服務域名A。服務網站將自身的服務域名（包括子域名），通過配置CNAME到這個服務域名A的方式將解析權交到CDN調度中心上。

（2）當用戶發(fā)出請求，瀏覽器接收到用戶請求，并向本地的DNS請求域名解析，如果本地DNS有緩存該域名，則直接響應CDN節(jié)點IP;如果沒有緩存該域名的DNS解析信息，則進行遞歸解析。遞歸時會發(fā)現解析權在CDN的調度中心，則去CDN調度中心解析這個域名地址，而CDN調度中心根據來訪的本地DNS服務器的歸屬地及運營商屬性，判斷用戶的歸屬地及運營商屬性，并根據預先配置的覆蓋策略，返回最優(yōu)CDN節(jié)點的IP地址。這時候，本地DNS服務器獲得IP地址后，以DNS解析結果形式響應給請求用戶，同時緩存該域名的DNS解析。

（3）用戶端獲得CDN節(jié)點IP后，向該IP發(fā)起網絡訪問請求，相應的CDN服務器對用戶請求的響應。

2 ? ?CDN解決的問題

當前CDN技術的應用能夠較好地提升服務器的響應速率，這主要是由于它能夠解決以下問題：首先，能夠解決源站網絡成本過高的問題，即利用CDN使得回源量下降到1%～10%左右，還能夠降低回源帶寬成本。其次，能夠使得源站負載降低，即將大部分的訪問負載由CDN技術進行必要的邊緣節(jié)點處理，從而使得源站服務器架構能夠實現簡化、輕量化。再次，能夠實現就近訪問，使得運行和服務速度加快，從而提升用戶的體驗，還能夠通過監(jiān)控整個訪問質量進行調度，并使用不同的節(jié)點服務器為客戶提供必需的服務，從而提升用戶的訪問成功率。此外，能夠實現動態(tài)調度節(jié)點，即通過動態(tài)加速技術彈性地進行帶寬輸出，進而可以降低網絡攻擊的可能性。最后，能夠通過內容緩存實現全局負載均衡（DNS調度）、設備負載均衡、應用負載均衡等多層調度保障系統(tǒng)軟件服務能力。

3 ? ?CDN技術的關鍵技術

3.1 ?CDN靜態(tài)內容緩存技術

當前靜態(tài)內容緩存技術的主要內容是通過反向代理，將用戶經常訪問的互聯網靜態(tài)內容預先緩存到邊緣節(jié)點，當用戶發(fā)出請求時，就近發(fā)放內容，從而將網絡遠距離傳輸中的各種不確定因素進行排除，從而更好地利用用戶的本地高帶寬，達到提高用戶響應速率的目的。

關鍵技術包含：內容切片分段緩存、內容熱度管理、內容存儲位置管理、預取技術、數據壓縮、協議轉換與優(yōu)化、負載均衡等。其中，負載均衡技術用于均衡互聯網訪問量，主要分為服務器負載均衡技術和全局負載均衡技術兩種，從而整合服務器資源及帶寬資源。負載均衡技術是將網絡流量盡可能均勻地分配到相同服務器去執(zhí)行和處理任務的主要技術，通過該技術能夠實現對于網絡節(jié)點的均勻利用，避免過載造成部分節(jié)點過載或者服務器過載，導致整體服務器癱瘓或成本出現突發(fā)、不可控等不利狀況。

3.2 ?CDN動態(tài)加速技術

當前動態(tài)加速技術包括實時網絡探測、最優(yōu)路徑算法、網絡協議優(yōu)化、長連接池的連接復用、數據壓縮等，主要是為了通過動態(tài)的內容分發(fā)，實現對于互聯網內容的及時響應。這主要是由于網站的訪問響應速率往往會受到帶寬瓶頸、骨干網擁塞、網絡波動、網站服務器的處理能力以及訪問距離等因素的影響，而這些制約因素的優(yōu)化方法，主要是采用CDN動態(tài)加速技術實現的。簡而言之便是CDN技術能夠實現對于數據傳輸路徑的智能管理，通過“驛站”方式將數據以最快速度遞送至目的地。主要流程如下：

當用戶進行CDN網站服務訪問時，通過域名解析獲取就近的CDN服務節(jié)點，讓用戶能夠以最快的速度獲取服務。而動態(tài)加速技術，由于實時探測節(jié)點間的訪問速率，并通過動態(tài)路徑算法計算出了最佳的轉發(fā)節(jié)點路徑，存儲于邊緣節(jié)點，當請求到達時，將通過這個最優(yōu)路徑進行數據轉發(fā)回源;到達源站后，也將原路返回響應。在節(jié)點到節(jié)點的傳輸過程中，使用數據壓縮、私有協議、共享的長連接通道等進行轉發(fā)，從而提升傳輸速度，實現動態(tài)加速。

4 ? ?結語

CDN技術作為一種新型的網絡架構，能夠通過負載均衡、內容緩存、動態(tài)分發(fā)以及動態(tài)內容路由等技術，實現對于互聯網訪問速度和質量的快速提升，并保證互聯網服務器的高質量運行，特別是在流媒體的內容傳輸過程中，仍然能夠實現高性能的提升。因此，CDN技術已經逐漸成了當前互聯網研究的重點內容之一，更是組建未來網絡高速公路的重要技術。

[參考文獻]

[1]甘士成.內容分發(fā)網絡負載均衡技術研究[D].廣州：華南理工大學，2017.

[2]何騰蛟.基于CDN的視頻流媒體內容分發(fā)策略的研究[D].深圳：深圳大學，2017.