《CDN 之我见》原理篇——CDN的由来与调度

CDN是将源站内容分发至全国所有的节点，从而缩短用户查看对象的延迟，提高用户访问网站的响应速度与网站的可用性的技术。它能够有效解决网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等问题。

为了让大家更全面的了解CDN的原理、调度、缓存和安全等关键技术点，阿里云高级技术专家白金将自己从事 CDN 相关领域工作 8 年来的一些经验、收获和个人认知撰写成《CDN之我见》系列文章，分享给大家。

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《CDN 之我见》共分成多个部分，分为原理篇、详解篇和陨坑篇，因为篇幅问题这里先讲第一部分。本篇章适合那些从未接触过、或仅了解一些 CDN 专业术语，想深入了解和感受 CDN 究竟是什么的同学。下面我们进入分享正文：

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这个篇章，主要分成 4 个小部分来和大家做一下简单的介绍和分享。

CDN的起源

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CDN 诞生于二十多年前，随着骨干网压力的逐渐增大，以及长传需求的逐渐增多，使得骨干网的压力越来越大，长传效果越来越差。于是在 1995 年，MIT 的应用数学教授 Tom Leighton 带领着研究生 Danny Lewin 和其他几位顶级研究人员一起尝试用数学问题解决网络拥堵问题。

他们使用数学算法，处理内容的动态路由安排，并最终解决了困扰 Internet 使用者的难题。后来，史隆管理学院的 MBA 学生 Jonathan Seelig 加入了 Leighton 的队伍中，从那以后他们开始实施自己的商业计划，最终于 1998 年 8 月 20 日正式成立公司，命名为 Akamai。

同年 1998 年，中国第一家 CDN 公司 ChinaCache 成立。

在接下来的20年中，CDN行业历经变革和持续发展，行业也涌现出很多云CDN厂商。阿里云CDN是2008年从淘宝CDN起家，在2014年正式发展成为阿里云CDN的，它不仅为阿里巴巴集团所有子公司提供服务，同时也将自身的资源、技术以云计算的方式输出。

那什么是 CDN 呢？

CDN 其实是 Content Delivery Network 的缩写，即“内容分发网络”。

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上图是一个做过 CDN 之后的拓扑图，里面有几个概念需要明确一下:

Origin Server：源站，也就是做 CDN 之前的客户真正的服务器。
User：访问者，也就是问网站的网民。
Edge Server：CDN 的服务器，不单指“边缘服务器”，这个之后细说。

在 CDN 中，还有 3 个”一英里“的概念，即 First Mile、Middle Mile 和 Last Mile。

First Mile：和 CDN 客户的服务器越近越好的 CDN 设备，即第一英里。
Last Mile：访问者（网民）到离他最近的 CDN 服务器，即最后一英里。
Middle Mile：数据从进入 CDN 网络，到出 CDN 网络之前的所有环节，即中间一英里。

为什么要用 CDN 呢？

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从上图可以看到，左图是未做 CDN 之前跨洋跨国的长传业务，用户从西班牙访问到美国纽约要经过北大西洋，直线距离6,000km 左右，按照光速300,000km/s 的传输速度，一束光从西班牙到纽约也至少需要 20ms 时间，一个往返就需要 40ms。如果是光纤传输数据，加上传输损耗、传输设备延时引入等，可能上百毫秒就出去了，即使用浏览器访问一个再小不过的图片，也会等个上百毫秒，积少成多，访问一个美国购物网站会让用户无法接受。

右侧这张图是做过 CDN 之后的示意图。从图上可以看出，网民实际访问到的服务器不是位于美国的真实服务器，而是位于英国的 CDN 服务器。而 CDN 本身有缓存功能，把那些网页里一成不变的内容，例如图片、音乐、视频等，都分发并缓存到了各个 CDN 服务节点上，这样网民就不必从西班牙访问到纽约，而是访问距离自己较近的英国节点即可，从而节省了 80% 以上的时间。

当然，这是一个西班牙访问英国 CDN 节点的例子，如果 CDN 节点也位于西班牙本地，则效果会更加明显，具体细节后续会有更详细的说明。

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接下来说一下调度。调度是 CDN 中的重中之重，流量接入、流量牵引、选择合适的 CDN 节点服务器等工作，都是在调度环节完成的。

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要理解调度策略和原理，必须先了解 DNS 协议及其工作原理。

我们平时所工作的电脑里，都会配置（人为或自动）一个 DNS 服务器地址，我们称之为”本地 DNS“，也叫 Local DNS，简称 LDNS。在解析一个域名的时候，实际访问的不是”域名“而是 IP 地址，则 LDNS 服务器的用途就是负责将域名翻译成 Internet 可以识别的 IP 地址。

在请求某个域名时，LDNS 一般有两个情况：一种是域名在 LDNS 上有记录，另一种情况是没有记录，两种情况的处理流程不一样。

假设当访问 163 这个域名时，如果 LDNS 上有缓存记录，那它会直接将 IP 地址吐出来。
如果没有缓存记录，它将会一步步向后面的服务器做请求，然后将所有数据进行汇总后交给最终的客户，这个环节术语叫”递归“。

在完全不命中情况，LDNS 首先会向全球13个根域服务器发起请求，询问 .com 域名在哪里，然后根域服务器作出回答，然后去向 .com 的服务器询问 .163.com 在哪里，一步步往下，最后拿到 www.163.com 这个域名所对应的 IP 地址。这个过程较复杂，如果大家感兴趣可去查相关资料，在这就不一一赘述。

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肯定很多人好奇是如何进行调度和进行定位的？其实也是通过 LDNS 的具体地址来进行的，如上图所示。

假设网民是一个北京客户，那他所使用的 DNS 服务器去做递归的时会访问到CDN厂商的 GLB（Global Load Balance），它可以看到所访问的域名请求是来自于哪个 LDNS，根据一般人的使用习惯，网民所在位置和 LDNS 所在位置是一样的，因此 GLB 可以间接知道网民来自什么位置。

以上图为例，假如网民是一个北京联通的用户，它使用的 LDNS 地址也是北京联通的，而 LDNS 访问 GLB 也是北京联通的，则 GLB 则认为网民的位置在北京联通，那么会分配一个北京联通的 CDN 服务器地址给 LDNS，LDNS 将http:www.a.com解析出的 IP 地址返回给最终网民，那么在以后网民浏览器发起请求的时候，都会直接与北京联通的 CDN 节点进行流量通信，从而达到了加速的目的。

从这个调度理论上看，我们可以不难发现一个问题，就是重点标注出的“根据一般人的使用习惯”。假设网民所使用的 LDNS 地址和他自己在同一个区域，调度才有可能是准确的（后续篇章会重点描述为什么是“有可能”）。

但是举个例子来说，如果网民是北京联通的用户，但他却偏要使用深圳电信的 LDNS，LDNS 出口也同样是深圳电信的 IP 地址，那么 GLB 会误判网民位于深圳电信，分配给网民的 CDN 服务器也都是深圳电信的，后续网民会从北京联通访问到深圳电信，不但没加速，可能反而降速了。

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如前文所述，由于用户使用习惯或一些其他原因，通过 LDNS 调度有可能是不准确的，因此又出现了另一种调度方式，HTTP 302 调度。

原理很简单，无论网民最初拿到的 IP 地址是否是正确的，但最终都是要和这个 IP 地址的 CDN 服务器通信的，因此 CDN 服务器可以在这时知道网民的真实地址（DNS 调度时只能间接知道网民地址，虽然 EDNS-Client-Subnet 技术可以解决问题，但尚未大规模使用）。

HTTP 协议中有一个特殊的返回状态：302。在 HTTP 服务器返回 302 状态码时，可以携带一个新的 URL（使用的是正确 IP），浏览器在拿到 302 返回状态码时，会提取其中新的 URL 地址发起请求，这样就可以做到重新调度了。

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除了 DNS 调度、HTTP 302 调度，还有一种使用 HTTP 进行的 DNS 调度策略。

随着网络日新月异的发展和演进，也逐渐出现了很多鲜为人知的技术和设备，例如劫持（具体在后面的篇章里会单独阐述）。劫持后，网民所访问的目标有可能不再是真实服务器，即使是真实服务器，内容也有可能是虚假的、被替换过的，这对业务安全来说是十分危险的，这种劫持现象多出现在移动互联网（手机上网）。

为了规避这种问题，出现了一种 HTTP DNS 的调度方式，原理是通过 HTTP 报文传输 DNS 请求和应答信息。但这种方式没有任何 RFC 的支持，所以没有任何现成的操作系统直接支持，必须有自己的 HTTP DNS 客户端，来与 HTTP DNS 服务端进行通信，需要双端支持。这种做法在 APP 中使用较多。

那 CDN 是如何将用户的流量引入到 CDN 网络中的呢？

在未做 CDN 时，我们访问某个域名，直接拿到的是一个真实的服务器 IP 地址，这个显示 IP 地址的 DNS 记录信息叫 A 记录，一般是下图这个样子。

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