CDN

CDN 内容分发网络董洋（信通9班 2013140052）概念和优势：CDN 是在现代网络的基础上把内容缓存到代理服务器，使用户下载所需内容时可以不用经过骨干网，或不用再到源服务器来获取资料，它的

CDN 内容分发网络

董洋

（信通9班 2013140052）

概念和优势：CDN 是在现代网络的基础上把内容缓存到代理服务器，使用户下载所需内容时可以不用经过骨干网，或不用再到源服务器来获取资料，它的优势在于可以使用户的内容访问更加便捷。

提纲：本文第一部分先对支持CDN 的关键技术进行分析。第二部分对CDN 的工作方式和工作原理进行梳理。第三部分对目前国内外在CDN 方向的进展进行总结。第四部分预测CDN 可能的发展趋势。第五部分补充CDN 存在的问题和有价值的研究点。

一、CDN 的关键技术

CDN 的缓存控制方法的技术包括HTTP 协议、URL 、万维网文档和Cookie 。局部负载均衡的技术有DNAT ，IP 隧道方式。全局负载均衡技术有基于DNS 解析的方式、基于应用层协议重定向的方式。下面分别分析这几项关键技术。

1.HTTP 协议特点

与FTP 的区别：只使用一条TCP 连接。没有分开的控制连接；在客户和服务器之间只有数据传送。虽然HTTP 使用TCP 的服务，但HTTP 本身是无状态的协议。与SMTP 的区别：①HTTP 不是给人看的，这些报文是给HTTP 服务器和HTTP 客户（浏览器）读取和解释的，命令和请求都是嵌入在报文中。②SMTP 报文采用存储转发方式，但HTTP 是立即交付的。

HTTP 的报文： 请求报文：

响应报文：

状态码：

100系列的代码只是提供信息的，200系列的代码则提示成功的请求。300系列的代码是把客户重新定向到另一个URL ，400系列的代码指示在客户端的差错。500系列代码指示在服务器端的差错。

2．统一资源定位符

为方便地访问在世界范围的文档，HTTP 使用统一资源定位符（URL ）。URL 定义了5样元素如下：

协议://主机:端口/路径 ? 表单信息 从浏览器输入到服务器的参数是使用表单(form)来发送的。若表单中的信息很少（如一个字），则它可在URL 的后面的问号之后。

3. 万维网文档 分类： 静态的、动态地和活动的。这种分类基于文档内容被确定的时间。

⑴静态文档是固定内容的文档，

它由服

务器创建，并存储在服务器中。即文件的内容是在文件被创建时就确定的，而不是在它被使用时。

⑵动态文档是在浏览器请求该文档时才由万维网服务器创建出来。因为对每一个请求都创建出新的文档，因此每一个请求得到的动态文档的内容就会不同。

①通用网关接口(CGI)

一种创建和处理动态文档的技术。CGI 是一组标准，它定义动态文档应如何写，输入数据应如何加到程序上，以及输出结果应如何使用。

从浏览器输入到服务器是使用表单来发送的。在服务器端执行CGI 程序，并把输出发送给客户（浏览器）。输出通常是普通正文或HTML 结构的正文。

②动态文档的脚本技术

使用CGI 对每一次的请求这个程序必须生成整个的文档。解决这个问题的方法就是使用HTML 来生成包含固定部分的文件，同时嵌入一个脚本源代码，它可以由服务器来运行提供变化的内容。

常用的是超文本预处理器(PHP)，它使用Perl 语言；JSP(Java Server Pages)，它使用Java 语言进行编排；以及使用VB 语言的ASP 、和嵌入SQL 数据库查询的ColdFusion 。

⑶活动文档 对于许多应用，我们需要程序能够在客户端运行。如在屏幕上产生动画图形或与用户进行交互的程序。这就叫做活动文档。 ①Java 小应用程序 小应用程序是在服务器端用Java 编写的程序。它被编译后就准备运行。这个文档的格式是字节码(二进制) 。 ②JavaScript 如果在文档中的活动部分不大，那么它就可以用脚本语言来编写；然后它就可以在客户端在同一时间被解释和运行。脚本是源代码(文本) 而不是二进制形式。

4.Cookie 的运用 创建和存储：

⑴当服务器收到来自客户的请求后，它就把有关客户的信息存储在一个文件或字

符串中。这个信息可以包含客户的域名、cookie 的内容、时间戳，以及其他与实现有关的信息。

⑵服务器向客户发送的响应包含这个cookie 。

⑶当客户收到响应时，浏览器把这个cookie 存储在cookie 目录中，它是按域名服务器的名字来分类的。 使用：

当一个客户向服务器发送请求时，浏览器就查找在cookie 目录中是否有那个服务器发送的cookie 。如果找到了，就把这个cookie 包含在请求中。当服务器收到这个请求时，它就知道这是一个老客户，而不是一个新客户。请注意，这个cookie 的内容从来没有被浏览器读过，也没有暴露给用户。cookie 是服务器制作的，也是被服务器吃掉的。例如电子商务的购物车就能用cookie 来实现。

5. 目标NAT(DNAT) 概念：

网络地址转换NAT 中，专用网使用专用地址。专用网地址看Internet 是透明的；Internet 看见的只是NAT 路由器的一个Public IP。所以由专用网到Internet 时要修改源地址，由Internet 到专用网时要修改目的地址。按照使用方式分两种，其中DNAT 则主要用在为内部主机架设可以让Internet 访问的服务器。

6.IP 隧道 概念： 将一个IP 报文封装到另一个IP 报文中的技术，这使得目标为一个IP 地址的数据报文能被封装和转发到另一个IP 地址。 7.DNS 解析 特点： 主机名的管理分配在不同层次的DNS 服务器当中，并进行分层管理，所以每一台DNS 服务器记忆的信息就不会很多。

每个上一层的DNS 服务器所记录的信息，其实只有其下一层的主机名而已。至于

再下一层，则直接授权给下层的某台主机来管理。

因为你如果已经申请到主机名解析的授权，那么在你自己的DNS 服务器中，就能够修改全世界都可以查询到的主机名了，而不用通过上层ISP 的维护。

8.HTTP 应用层协议重定向 原理： 应用层重定向主要利用了HTTP 、MMS 、RTSP 等协议本身的重定向机制来实现，由于各种应用层协议的重定向机制基本相同，因此以HTTP 协议为例来说明。 在HTTP 协议中，有三类重定向状态码：301永久性转移、302暂时性转移或特定时间后重定向到新的网页。

二、CDN 的工作方式和工作原理

本小节来梳理CDN 部署的两个重点，分别是缓存策略和负载均衡。 1. 缓存策略： ①静态文档的缓存策略：

静态文档是由apache 吐出的，缓存策略主要通过HTTP 响应消息首部行中的两项来控制，即Last-modified 和cache-control ：max-age 。它们是由apache 的expire 和header 模块控制的。Apache 缺省配置，所有静态文件在CDN 中只缓存3600s （需要我们按需求调整被加速服务器的apache 设置）。3600s 后CDN 失效，用户访问时会重新请求原帖，如果没有变化，缓存失效周期自动延长10。 ②动态内容的缓存策略（URL 形式必须是静态的）：

动态内容可以由嵌入在HTML 中的脚本语言生成，是由源站jsp 或php 生成的，由这些程序控制last-modified, cache-control ：max-age 、public 。 apache 的设置将不起作用，CDN 根据这两项判断是否需要到源站更新内容。 ③CDN 和应用的结合策略：

⑴变化不频繁的页面（例如图吧图片显示页）：在原站生成静态页面，原站apache 上定义过期时间，例如1天。原站上静态文件

更新后，可以等待CDN 过期。或者主动通知CDN 更新（随着CDN 节点越来越多，代价会非常高）。

⑵变化频繁的页面（正在进行的比赛对阵页）：

不生成静态页面，由jsp 或php 定义过期时间，例如5s 或60s 。CDN 过期后，如果有用户访问就从原站上抓取。优点：相关页面过期后，不需要主动通知CDN 节点都来抓取，有效降低原站的压力。如果页面内容没有变化，返回lastmodified 不变，这样原站会直接返回304给cdn ，cdn 也会返回304给用户。减少网络传输和速度，比赛结束后，“正在进行的比赛对阵页”转换为第一类情况，再生成静态文件。 ⑶特殊静态资源（图片库和某些大型产品库中的评论，或赛事库的比分文件）：

通过apache nocache 告诉IE 不缓存，html 中就不需要使用pinglun.js?123456这样的代码形式，然后用max-age 告诉cdn 缓存1s ，这样避免每次用户请求都转到原站。 2. 负载均衡

负载均衡可以分为全局负载均衡和局部负载均衡。 1. 局部负载均衡：

①用LVS 负载均衡服务器实现四层负载均衡的关键模块是IPVS ，支持NAT （网络地址转换）、YUN （IP 隧道）、DR （直接路由）等多种方式。因为后台服务器节点向用户返回其所需内容时，采用DR 方式将无须再经负载均衡节点对返回内容进行处理，具有较高性能，也是LVS 四层负载均衡实现方式的默认选项。

DR 工作方式除了要对负载均衡服务器进行必要的配置外，还需要修改各台真实服务器的配置（主要是禁止它们响应ARP 报文），要对负载均衡服务器配置虚拟IP ，设置相应路由，创建虚拟服务及其相应端口选择调度算法，最后建立虚拟服务与后台真实服务器的HTTP 服务的链接，并使用DR 工作方式。实现以IP 地址为单位来进行负载均衡的调度。

②用Nginx 实现七层负载均衡。需要配置nginx.conf 文件。设置HTTP 服务器并利

用其反向代理功能实现负载均衡。定义负载均衡服务器列表，设置默认的轮询方式。

为了体现出Nginx 的七层负载均衡能力（例如对用户访问请求中的域名信息进行分析），需要为Nginx 服务器配置相应的域名（www.cdn.com ）并作为它被访问时进行用户请求负载调度的依据，因此部署环境中还包括了一台用于安装BIND DNS 服务器的虚拟机。

2. 全局负载均衡： 全局负载均衡有两种方式，分别为：DNS 解析和HTTP 重定向。

①DNS 域名解析：

当网站使用CDN 提供服务并用GSLB 来解析其原站域名时，通常会由权威DNS 设置一个GSLB 认可的域名作为原域名的别名(CNAME)。有了别名，GSLB 就可以将它唯一映射成一个由多个虚拟服务器组成的服务池，这些服务器就是用户输入网站URL 后经负载均衡调度直接提供服务的服务器。GSLB 在解析域名的时候会直接返回其中一个虚拟服务器的IP 地址。比如www.netitv.com.cn 域名CNAME 设置为www.netitv.cdn.com.cn 。如果需要GSLB 来进行解析www.netitv.com.cn 的IP 地址，那么就需要在GSLB 上面设定域组www.netitv.cdn.com.cn ，这样GSLB 就会按照内部设置的负载均衡策略，选择相关联的Pool 以及虚拟服务器来提供服务了。 ②HTTP 重定向：

⑴用户首先向网站的本地DNS 请求域名（www.CDNbook.com ）解析。

⑵由于网站已经预先进行了域名CNAME 指向服务CDN 的GSLB 域名和IP ，所以本地DNS 会向用户返回GSLB 设备的IP 地址。（注意，是一个具体IP 地址，这样DNS 解析过程就终结了。）

⑶用户向这台GSLB 设备发起HTTP GET请求，请求该网站某个网页的内容。应该注意的是，在用户浏览一个完整的网页时，事实上是发起了多个HTTP 请求，针对某个独立的对象，比如一张图片、一段视频、一段文字，都会存在这样一个独立的HTTP 请求。 ⑷GSLB 设备将综合分析用户IP 、内容分布、

设备负载、链路状况等实时信息，为用户选

择一个合适的服务单元。“单元”是指将用户访问请求调度到一个合适的服务区，或者一个集群，再由区域均衡或本地均衡设备做下一步负载均衡工作。

如果GSLB 在自己的静态路径表中没有查到用户IP 所在网段的信息，可以通过两种方式完成路由策略。方式一，GSLB 将用户请求通过轮询的方式定向到其他节点。方式二，GSLB 会以同样方式去查动态最近路径表，如仍没有记录，GSLB 会通知各POP 点的SLB 一同去测各POP 点离用户的距离及时延，并报告核心节点确定最优站点，该IP 地址所在的网段会被添加至动态最近路径表，供今后用户直接与最优的分配层节点的SLB 设备建立连接。

⑸用户根据得到的IP 地址向CDN 的POP 节点发出媒体访问请求。

⑹如果这个IP 地址的节点设备仍然是一个负载均衡设备，则通过负载均衡把请求转发给选择一台合适的服务设备。

⑺响应报文能从后端服务器直接返回给客户。

三、国内外CDN 方向进展

1.NBA 成立于1946年，是一个包括美国和加拿大30支球队在内的全球性体育和娱乐品牌。NBA 采用Akamai 的流媒体播放和管理系统，Akamai 为每场NBA 现场球赛进行音频和视频编码，因而该机构仅需要一到两名员工就可以实现每年网播1500多场赛事，使网上广告收入增加500。NBA.com 网站的流量已实现每月成倍增长，每月有分布在222个国家的3500多万独立用户访问NBA 网站内容。

2. 中国电信自2004年开始建设CDN ，在CDN 的研发和建设过程中，采用自主研发与合作相结合的方式，在保持自身网络技术优势的同时，迅速扩大规模和引用新技术，成为国内CDN 市场的新兴强大力量。到目前为止，中国电信CDN 已经建成79个节点，网络容量达到1TB 规模。建设初期主要用于自营的互联星空网站和IPTV 等业务的分发服务，随着网络不断扩容，能力也获得提升，

逐渐对外提供服务。目前，中国电信CDN 能够提供流媒体加速（包括点播和直播）、网页加速、下载加速和应用加速等各种服务，主要用于加速互联网网站在中国电信网络范围内的分发服务。

中国电信CDN 网络已为奇艺、乐视、凤凰等多家网站提供CDN 服务。

3.ChinaCache(蓝汛) 是中国第一家专业CDN 服务提供商。2000年ChinaCache 获得信息产业部CDN 服务许可。截止2011年上半年，ChinaCache 在全国113个城市的机房中部署了节点，同时管理400GB 带宽资源。其CDN 网络覆盖国内各大运营商，其客户包括搜狐、网易、eBay 、易趣、淘宝、慧聪、携程、新华网等几十家，另外还有“国网”等政府网站，以及宝马、可口可乐等企业网站。2006~2009年，蓝汛净收入从7000万元增长到2.72亿元；2010年全年收入4.034亿元，比2009年增长48.1，蓝汛的最大客户变成了中国移动，占蓝汛2010年上半年总营收入的12.8。

4. 网宿科技在2010年网宿科技总收入为3.623亿元，比2009年增长26.22，其中CDN 业务收入1.88亿元。网宿科技CDN 包含200多个节点，可承载带宽（峰值）高达600GB 。

四、CDN 可能发展趋势

CDN 与P2P 是经常被拿来进行对比的两

种技术，原因是两者都是数字媒体文件的重要传送机制，大部分用户会同时使用到这两种机制，从而产生体验对比。应该说两种技术各有所长，在不同场景和需求下具有另一种技术所不具备的优势。然而，技术的发展总是盛衰相继，分分合合，并没有非此即彼的绝对性。

正当业界普遍认为P2P 将是未来的互联网发展趋势并预测P2P 流量还会不断增长时，在2007年后，P2P 流量的增长势头出人意料地开始减缓，特别是在近几年其流量占比在持续下降。

一方面，源自P2P 系统本身存在的缺点。 ⑴P2P 系统的可用性问题很难解决。尽管从整个系统而言，P2P 是可靠的，但是对于单

个内容或者单个任务而言，P2P 是不稳定的。每个Peer 可以随时终止服务，甚至退出系统，因此系统中的交换内容随时可能被删除或者被终止共享。

⑵P2P 一直没有找到良好的商业模式。P2P 在安全、管理和版权等方面存在很多问题，主要体现在P2P 技术缺乏有效的管理，并且具有匿名发布的特性，所以大多数P2P 服务都将不可避免地和知识产权发生冲突。

⑶用户对P2P 客户端的安装存在抵触情绪。 依据P2P 和CDN 技术融合层面的不同，目前有三种主流的融合方案：控制层面融合方案、网络叠加融合方案和设备层面融合方案。

五、CDN 存在的挑战

挑战有两点：光纤时代CDN 的挑战、后http1.1时代的CDN 。 1. 光纤时代的CDN 的挑战

用户带宽大：很多城市已经推行10-20M 带宽。在线时间长：3G 手持设备如Ipad 等可以提供更长的在线能力。交互数据多：页面丰富程度高。移动客户端流行：Andoid 和IOS 设备大行其道。CDN 的发展：容量更大，单 个数据文件更大，命中率更低，业务逻辑需求增多。 2.Ajax 的大量使用，促成了框架页面静态化：有更多内容可以做cache 啦。Html V5 的普及，更多的视频等媒体展示：文件、流量变更大啦。http/2.0 来了，服务器该怎样支持。

参考文献：

【1】雷葆华 孙颖 王峰 陈晓益《CDN 技术详解》[M]北京：电子工业出版社 2012.6

【2】徐珩《动态网页缓存技术研究》[J] 华南理工大学 2006.10.20

【3】余洪春《构建高可用Linux 服务器》[M] 北京：机械工业出版社 2012.7

【4】Behrouz A.Forouzan Sophia Chung Fegan 《TCP/IP协议族》清华大学出版社 2006.5

【5】平台化CDN 基础架构 赵永明 【6】CDN 缓存策略 网络