CDN 體系架構及部署方案探索*

趙力鈞

（中移鐵通甘肅分公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

CDN 技術的特點是，以目前既有的互聯網網絡為基礎，通過在網絡各邊緣節點設置緩存服務器作為邊緣服務節點，由此構成一套完整的智能虛擬化網絡，通過內容管理和內容調度進行資源分發，使用流量重定向機制，通過路由優化計算，重定向用戶的訪問到CDN 網絡中最接近用戶的邊緣服務節點上，縮短訪問路徑，加快訪問時間，減小網絡擁塞，控制網絡成本、提升網絡的整體服務質量。

1 CDN 技術與典型內容網絡技術的比較

內容網絡技術是指能夠改善用戶互聯網訪問體驗的應用層技術的總稱。通過內容網絡技術可以將使用URL 唯一標識的內容分發到互聯網的不同節點，并采用重定向技術和就近原則，引導用戶訪問距離最近的邊緣服務節點上的一個內容的緩存副本[1]。典型的內容網絡技術分別有CDN 技術、IDC技術、Cache 技術等。

CDN 技術即內容分發網絡，是在傳統互聯網內容加速技術的基礎上發展而來的。CDN 技術的基本原理是，使用一個完善的智能算法體系，優化流量路徑，計算出一條動態的最優路徑，使分發的內容在網絡中能夠更快速、更穩定的傳輸，確保用戶可以命中網絡中最近的緩存節點，并獲取所需要的內容，有效解決互聯網流量擁塞的問題，縮短用戶訪問WEB 頁面、點播視頻和下載資源等操作的響應速度。

IDC 是互聯網數據中心的縮寫，是網絡運營商依靠現有的互聯網基礎網絡資源建立起來的運營商級專業的標準化數據中心，分布在運營商的各大核心機房中，能夠為各大企業、政府部門提供專業的服務器托管、租用以及技術配套服務。

Cache 是一種典型的傳統緩存技術，需設置緩存服務器。它的原理是被動地將用戶訪問或下載的TOP 熱點內容緩存在服務器中，作為一個內容副本，如果遇到之前的內容再次被請求訪問的時候，不需要再一次訪問源站，而是使用Cache 緩存服務器中已經緩存好的內容副本提供訪問，實現請求訪問加速的目的。一般可分為大文件緩存和小文件緩存兩類。

CDN 技術與典型內容網絡技術相比具有很多優點，彌補了傳統技術的不足。相關技術特點如表1所示。

表1 CDN、IDC、Cache 比較

2 CDN 的基本原理和體系架構

2.1 CDN 關鍵技術

在CDN 技術中包含了路由、分發、存儲和管理4 個關鍵環節[2]。四個環節缺一不可，每個環節具有相互獨立的功能，同時又相互緊密地聯系在一起。具體功能如下。

（1）路由：原理是依靠負載均衡系統，通過優化算法實現網絡中內容資源的路由徑路選擇。它的作用是利用CNAME 重定向機制，經過動態路徑算法計算出一條最優的路由徑路，然后將用戶的資源訪問請求引導至CDN 網絡中最靠近用戶的邊緣服務節點上。

（2）分發：實質是通過互聯網基礎承載網絡，將各類內容資源如文檔、圖片、網頁、音頻、視頻等，從源站傳送到邊緣Cache 服務器的過程，可使用的相關技術有PUSH 技術和PULL 技術，其中PUSH屬于主動型，而PULL 屬于被動型[3]。

（3）存儲：是將網絡內容資源作為副本緩存下來的過程。它主要涉及到兩類：一是內容源的緩存，二是內容在CDN 節點中的緩存。

（4）管理：一個完整的CDN 網絡包括兩個管理系統，即內容管理和網絡管理。整體管理流程經過了內容發布、內容注入、內容分發、內容調整、內容傳輸等一系列過程，依靠完善的管理和分配模式，體現出整個CDN 網絡的智能化與先進性。

2.2 CDN 邏輯組成

一個完整的CDN 系統，總體上是由源服務器、內容管理系統、網絡管理系統、本地負載均衡服務器、邊緣節點緩存服務器和全局負載均衡控制服務器幾個核心模塊組成[4]。它的功能邏輯組成如圖1 所示。

源服務器一般以集群的形式部署，分布在各大內容提供商的數據中心機房，由內容提供商統一管理，負責提供網絡中所需的各類內容資源。

內容管理系統的職責，是實現CDN 網絡中的內容管理，按照網絡環境決定內容的分發方式，依靠智能管理，優化內容緩存節點和緩存時間，提高資源訪問效率。

網絡管理系統的職責，是實現CDN 網絡的監控和管理，實時、動態地監控網絡中各節點緩存服務器的工作狀態，同時監控各路由徑路的流量負載情況、各接入節點的帶寬占用情況以及用戶請求訪問Cache 資源節點的命中率等信息。

本地負載均衡控制器即SLB，主要功能完成流量的分配，通過高效的流量調度算法實現流量的實時調度，提高資源利用率，緩解流量擁塞的狀況，縮短資源訪問時間。

邊緣節點Cache 服務器分布在CDN 網絡的各個邊緣節點上，是源站的資源鏡像，保存著與源站內容相同的內容副本，以響應用戶的訪問請求，通過節點緩存服務器可以有效縮短資源訪問時間，提升用戶使用感知。

圖1 CDN 功能邏輯組成

全局負載均衡控制服務器即GSLB，實現對CDN 網絡中各個邊緣服務節點的監控和管理，監控服務器的工作狀態和性能指標，使用智能管理機制定位用戶請求來源，采用就近原則，確保用戶被快速有效分配到離用戶最近的邊緣緩存節點上。

2.3 CDN 體系架構

CDN 網絡具有一套完善的體系架構，各環節之間協同配合，以實現對網絡內容的高效而快捷分發。體系架構總體可分為3 層結構，分別是內容管理層、調度分發層和邊緣服務層[5]。體系架構如圖2 所示。

圖2 CDN 體系架構

內容管理層：功能是實現CDN 網絡資源內容的集中管理和智能分析，實現資源內容的呈現、資源質量的評估、緩存需求的分析、調度方案的設計、熱點資源的識別、就近緩存的命中。

調度分發層：由控制中心、分發中心和溯源中心3 個功能模塊組成。其中，控制中心的功能是實現對CDN 網絡邊緣服務節點進行調度和控制；分發中心的功能是實現將所需內容資源以最優的路由徑路快速而穩定地傳送到邊緣服務節點上；溯源中心的功能是實現對網絡TOP 熱點內容的緩存，在緩存服務器上保存相關內容的副本，提供對用戶請求的重定向訪問。各級緩存節點均需要統一向資源池進行回源。

邊緣服務層：功能是以分析網絡TOP 熱點內容為基礎條件，實現網絡TOP 熱點內容的分布式存儲，面向用戶提供就近資源接入服務，支撐調度優化，提供充足的資源，實現布局的最佳優化，最大限度保證內容資源的就近命中，縮短內容訪問時間，提高內容訪問效率。

3 CDN 的主要服務模式及特點

3.1 CDN 服務模式

CDN 系統是通過建立全局分布式緩存架構服務模式，依靠完善的資源管理和資源調度對內容進行分發，采用重定向機制縮短資源訪問時的延遲，引導用戶訪問最接近用戶網絡位置的邊緣服務節點來獲取所需要的資源。通過路由優化計算，內容訪問路由徑路不需要經過長距離的網絡傳輸，通過設置多節點分布式的緩存服務器，解決了網絡鏈路擁塞的問題，提高了資源利用率，同時也明顯縮短了用戶的資源訪問時間，以此改善用戶體驗。CDN 資源節點設在整個網絡中盡可能接近用戶的地方，有自己的資源負載平衡解析服務器。根據用戶不同的網絡位置，無論用戶在什么地方，都可以將用戶引向最近的資源節點。

3.2 相關特點

3.2.1 內容發布

CDN 網絡是通過建立一套完善的智能算法機制，利用既有的互聯網基礎網絡，通過使用路由計算、內容緩存、組播、重定向、流分裂等技術手段，以最快的速度將內容資源傳送到最接近用戶的邊緣服務節點處。

3.2.2 內容路由

它是一種網絡資源負載均衡技術，通過建立智能DNS，依靠CNAME 機制，重定向用戶訪問請求，使訪問請求最大化命中到最接近用戶的邊緣服務節點上。

3.2.3 內容交換

識別內容的區域性，采集服務器的可用性，分析用戶請求的差異性，選取指定的緩存服務器，利用重定向、流分裂、應用層交換等技術，動態的實現內容的交換和負載流量的平衡。

3.2.4 性能管理

通過設立監控管理系統，采集CDN 網絡中各邊緣節點的資源使用情況和各個資源服務器的性能參數，測量內容發布徑路的端到端性能，實現對整個CDN 網絡資源全方位的動態監控與調度管理，保證整個CDN 網絡的高效穩定運行，時刻保持最佳的狀態。

4 CDN 運營部署方案的相關建議

4.1 加強監控系統部署

監控系統對于CDN 而言，是為了能夠提供更加穩定可靠的服務。一個完善的監控系統，對于CDN 來說非常重要。人們能夠通過建設三方監測平臺，結合自有監控系統，實現CDN系統的多元化監測，做到對各個網絡節點及資源服務節點的實時監控，并做好隨時切換的準備，實現資源的統一調度。

4.2 注重調度中心系統部署

調度中心是整個CDN 系統的核心組成部分，擔負著資源的調度與分配的職能，也控制著整個CDN 系統的運行成本和運行效率。通過部署智能DNS，依靠CNAME 重定向機制，可以做到對內容資源的高效調度，從而保障CDN 系統平臺穩定和高效的運行。

4.3 CDN 服務域名規劃

對于不同的CDN 服務內容，應該部署不同的服務域名和服務器組。針對不同的服務器內容采用不同的調度與部署方案，增加內容部署的靈活性。只有這樣，才可以保證能夠獲得優質的服務質量，實現對網絡運行成本的有效控制。

4.4 通過內容資源管理手段，實現簽約與非簽約內容的協同

分析全網內容視圖，生成全局調度策略；對于簽約內容，將被動緩存配置為黑名單，由主動分發提供服務；對于非簽約內容，由被動緩存提供服務，并根據實際應用情況指導主動分發的授權談判與引入。

4.5 建立資源雙軌機制

建立1+1 雙線機制，實現被動緩存與主動分發相結合，實現資源的最大化共享，提高內容資源的利用率；依靠內容資源管理手段，分工協作，服務不同的內容；邊緣節點主動與被動服務能力融合設計，協同支撐。

5 結語

在信息化高速發展的新時期背景下，互聯網行業進行了前所未有的重大技術革新，而這種轉型，也是為了能夠跟上時代發展的步伐，滿足人們日益增長的需求的要求。基于此，各大運營商和內容提供商都已經開始積極探索和部署各自的CDN 網絡。未來，CDN 技術將隨著互聯網技術的飛速發展而不斷演進。在面對未來高速發展機會的同時，CDN 技術也必將面臨各類互聯網新技術的挑戰。