CDN技術的研究與設計

李聰穎　王瑞剛　梁小江

摘 要：CDN是互聯網上的一層智能虛擬網絡，通過在網絡各節點處放置緩存服務器，可根據各節點的連接狀況、負載狀況、網絡流量，以及各節點到用戶的距離和響應時間的長短等因素，使用戶從最近的服務節點上獲取資源。文中主要通過對智能DNS的解析，使用戶訪問CDN服務站點時，能夠實現不同用戶的域名解析，若緩存服務器中沒有用戶需要的資源，則通過源站獲取，這樣可以增加訪問速度，提高用戶體驗。

關鍵詞：CDN；內容分發網絡；智能DNS；網絡加速；緩存服務器

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

隨著Internet技術和多媒體技術的不斷發展，圖像、音頻、視頻服務所占的比重越來越大，加之網民數量激增，網絡訪問距離過長，導致網絡負載迅速增加，從而使用戶的訪問質量受到嚴重影響。

傳統的緩存技術對交互性強和比較大的文件并不支持，因此迫切需要一種新的傳輸結構來解決這一問題，此外，當用戶與網站之間的鏈路被突發的大流量數據擁塞時，對于異地互聯網用戶急速增加的地區來說，訪問質量不良更是一個急待解決的問題。而應運而生的CDN（內容分發網絡）技術正是針對帶寬、響應速度、擴展性、可靠性等對網絡進行改善。

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，網通的用戶訪問網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，解決了互聯的問題。

1 CDN特性

CDN可以避開互聯網上影響數據傳輸速度和穩定性的瓶頸和環節，使內容傳輸更快、更穩定。CDN通過在Internet中增加一層新的網絡架構，即智能CDN以及緩存服務器集群，將網站的內容發布到最接近用戶的網絡邊緣，用戶可以快速獲取所需的內容，能夠有效解決Internet網絡擁塞狀況，提高用戶訪問網站的響應速度，解決網絡帶寬小、用戶訪問量大、網點分布不均等問題。

CDN技術能夠解決網站高流量、大并發的問題和互聯問題。CDN采用緩存技術，把訪問對象緩存起來，能把對象緩存到內存（如Varnish）。能夠降低總體運營成本，提高網站的可用性，使得源站的訪問量變得很小，對于緩存服務器，多個服務器做成集群，保證了整個系統的高可用性。

2 整體設計

當用戶訪問CDN加速的站點時，首先會通過瀏覽器向智能DNS發出請求，智能DNS會根據IP地址列表解析出該用戶屬于哪個網段的用戶，隨后智能DNS會返回給用戶緩存服務器集群的VIP，然后用戶通過訪問這個VIP去訪問緩存服務器，如果緩存服務器中緩存了用戶需要的內容，則直接返回給用戶信息。否則，緩存服務器需要訪問源站，去尋找用戶需要的內容，源站把信息返回給緩存服務器，緩存服務器緩存此內容并返回給用戶。

CDN是一種組合技術，包括源站、緩存服務器、智能DNS、用戶客戶端等幾個部分。圖1所示為CDN的全局結構圖。

源站為發布內容的原始站點，可以新增、刪除和更改網站的文件。緩存服務器抓取的對象也全部來自于源站。采用CDN技術后源站的壓力會變得很小，為了提高可用性，將源站部署成負載均衡集群。

智能DNS實現用戶訪問的轉向功能，是整個CDN的核心，它根據用戶訪問的來源，將其訪問請求轉向到離用戶較近或較合適的緩存服務器。

實現智能DNS的一種技術是Bind View，在本文中，使用電信、網通、教育網3個IP地址列表，每個列表關聯獨立的Bind視圖，共有3個視圖。

Varnish作為緩存服務器，當用戶發起訪問時，它的訪問請求被智能DNS定位到離它較近的緩存服務器，如果訪問所需的內容沒有被緩存，則緩存服務器向鄰近的緩存服務器或直接向源站抓取內容，然后再返還給用戶。如果用戶所請求的內容剛好在緩存里面，則直接把內容返還給用戶。為保證緩存服務本身的高可用性，每個布點的服務器都以負載均衡集群的方式存在。

3 CDN 實現與測試

3.1 源站的部署

Nginx是一個自由、開源、高性能及輕量級的HTTP服務器及反轉代理服務器。它以其高性能、穩定、功能豐富、配置簡單及占用系統資源少而著稱。Nginx可以做Web服務器，同時可以做反向代理服務器和郵件代理服務器。

本次實驗采用Nginx作為Web服務器，在每個源站機器上安裝Ngnix并配置。本文對三個站點進行CDN加速，因此對于單個機器的Nginx配置文件，就是運行3個虛擬主機。配置文件分主配置文件和虛擬主機配置文件，主配置文件include指令包含各個虛擬主機配置文件。

在配置完并啟動Nginx后，需要在Windows客戶端機器修改系統的hosts文件，修改 hosts：

本機的hosts文件所在目錄是：C：＼Windows＼System32＼Drivers＼etc，其中10.10.10.76是源站的IP，而main.sery.cn、images.sery.cn、dl.sery.cn是站點的域名。瀏覽器分別訪問這3個站點，以檢驗配置的正確性。

3.2 CDN緩存服務器

用戶向某邊緣服務器（邊緣A）發起訪問請求，所需內容沒有被緩存。邊緣服務器（邊緣A）于是詢問其鄰居，是否緩存了用戶所需的請求對象，鄰居節點也沒有緩存所需的對象。邊緣服務器（邊緣A）轉而向某個父節點（核心A）請求文件，如果該父節點仍然無所需的文件，則該父節點詢問其鄰居；如果鄰居也沒有所需的文件，則把請求轉給源站。源站返回數據給核心節點（核心A），并緩存數據在該節點。核心節點（核心A）返還數據給邊緣節點（邊緣A），并緩存數據在該節點。邊緣節點返還數據給用戶，一次最長路徑的訪問完成。這種分層機制既能保證最高的可用性，又能最大限度地減少向上一級節點的網絡流量。

驗證Varnish緩存功能時，修改hosts文件，其中IP為緩存服務器的IP。直接用Windows主機的瀏覽器訪問緩存服務器的IP時，在正常情況下訪問不到任何頁面。圖2所示為緩存服務器架構。

3.3 智能DNS

智能DNS的部署和運行分為收集IP地址、部署DNS以及運行。

智能DNS的部署和運行：DNS的軟件選擇Bind9，它是一種分布式網絡信息查找服務，用于將主機名映射到Internet地址和將Internet地址映射到主機名。Bind9的主要特點有，支持IPv6、實現了DNS協議新擴展的功能、視圖功能、支持多處理器以及增強了代碼的可移植性。

配置Bind9主要有以下文件：

（1）設置一般的named參數，指向該服務器使用的數據庫的信息源：/etc/named.conf

（2）指向根域名服務器：/vat/named/named.ca

（3）正向解析文件，用于將IP地址轉換為主機名：/var/named/localhost.zone

（4）逆向解析文件，用于將主機名轉換為IP地址：/var/named/named.1ocal

（5）將主機名映射為IP地址的區域文件：/vat/named/named.hosts

（6）將IP地址映射為主機名的區域：/var/named/named.rev

（7）用戶定義的區文件，只需在主DNS服務器上進行，DNS服務器會從主DNS服務器同步數據，自動生成自己的區文件。

（8）用Windows客戶機測試智能DNS。

正向解析測試結果如圖3所示。本客戶機的IP是10.10.10.212，屬于教育網網段，因此解析到教育網的緩存服務器IP10.10.10.78。

反向解析測試結果如圖4所示。本實驗中智能DNS的IP為10.10.10.79，因此反向解析10.10.10.79為源站的域名sery.cn。

3.4 CDN的整體效果測試

在瀏覽器地址欄中輸入正確的以域名標識的URL，如http：//sery.cn，正常顯示頁面內容。圖5所示為通過CDN訪問Ngnix的界面圖。

在瀏覽器地址欄中輸入緩存服務器VIP，如http：//10.10.10.75，正常情況下，應該訪問不到任何頁面。圖6為測試緩存服務器圖。

測試用戶在使用瀏覽器訪問源站的過程中，可以通過查看源站Web的訪問日志、DNS服務器的查詢記錄、緩存服務器負載均衡器的輸出以及抽查緩存服務器的TCP連接狀態，從而分析和監控整個CDN系統的運作情況。

4 結 語

本文主要是基于實驗室內部網絡搭建的簡單CDN系統，以實現對靜態網頁的訪問加速。該系統主要由三個部分組成，源站、緩存服務器以及智能DNS。

CDN通過引入緩存服務器和全局負載均衡來加速內容傳遞，CDN網絡體系負載均衡能夠提高站點的訪問速度，同時降低網絡訪問節點的壓力。

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