CDN技術(shù)的研究與設(shè)計(jì)

李聰穎　王瑞剛　梁小江

摘 要：CDN是互聯(lián)網(wǎng)上的一層智能虛擬網(wǎng)絡(luò)，通過在網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)處放置緩存服務(wù)器，可根據(jù)各節(jié)點(diǎn)的連接狀況、負(fù)載狀況、網(wǎng)絡(luò)流量，以及各節(jié)點(diǎn)到用戶的距離和響應(yīng)時(shí)間的長短等因素，使用戶從最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)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(wù)站點(diǎn)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同用戶的域名解析，若緩存服務(wù)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(yàn)。

關(guān)鍵詞：CDN；內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)；智能DNS；網(wǎng)絡(luò)加速；緩存服務(wù)器

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

0 引 言

隨著Internet技術(shù)和多媒體技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像、音頻、視頻服務(wù)所占的比重越來越大，加之網(wǎng)民數(shù)量激增，網(wǎng)絡(luò)訪問距離過長，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載迅速增加，從而使用戶的訪問質(zhì)量受到嚴(yán)重影響。

傳統(tǒng)的緩存技術(shù)對交互性強(qiáng)和比較大的文件并不支持，因此迫切需要一種新的傳輸結(jié)構(gòu)來解決這一問題，此外，當(dāng)用戶與網(wǎng)站之間的鏈路被突發(fā)的大流量數(shù)據(jù)擁塞時(shí)，對于異地互聯(lián)網(wǎng)用戶急速增加的地區(qū)來說，訪問質(zhì)量不良更是一個(gè)急待解決的問題。而應(yīng)運(yùn)而生的CDN（內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)正是針對帶寬、響應(yīng)速度、擴(kuò)展性、可靠性等對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改善。

使用CDN技術(shù)，可以讓電信的用戶訪問電信的內(nèi)容緩存服務(wù)器，網(wǎng)通的用戶訪問網(wǎng)通的內(nèi)容緩存服務(wù)器。通過這樣一種策略，繞開了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間人為設(shè)置的障礙，解決了互聯(lián)的問題。

1 CDN特性

CDN可以避開互聯(lián)網(wǎng)上影響數(shù)據(jù)傳輸速度和穩(wěn)定性的瓶頸和環(huán)節(jié)，使內(nèi)容傳輸更快、更穩(wěn)定。CDN通過在Internet中增加一層新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即智能CDN以及緩存服務(wù)器集群，將網(wǎng)站的內(nèi)容發(fā)布到最接近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣，用戶可以快速獲取所需的內(nèi)容，能夠有效解決Internet網(wǎng)絡(luò)擁塞狀況，提高用戶訪問網(wǎng)站的響應(yīng)速度，解決網(wǎng)絡(luò)帶寬小、用戶訪問量大、網(wǎng)點(diǎn)分布不均等問題。

CDN技術(shù)能夠解決網(wǎng)站高流量、大并發(fā)的問題和互聯(lián)問題。CDN采用緩存技術(shù)，把訪問對象緩存起來，能把對象緩存到內(nèi)存（如Varnish）。能夠降低總體運(yùn)營成本，提高網(wǎng)站的可用性，使得源站的訪問量變得很小，對于緩存服務(wù)器，多個(gè)服務(wù)器做成集群，保證了整個(gè)系統(tǒng)的高可用性。

2 整體設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶訪問CDN加速的站點(diǎn)時(shí)，首先會(huì)通過瀏覽器向智能DNS發(fā)出請求，智能DNS會(huì)根據(jù)IP地址列表解析出該用戶屬于哪個(gè)網(wǎng)段的用戶，隨后智能DNS會(huì)返回給用戶緩存服務(wù)器集群的VIP，然后用戶通過訪問這個(gè)VIP去訪問緩存服務(wù)器，如果緩存服務(wù)器中緩存了用戶需要的內(nèi)容，則直接返回給用戶信息。否則，緩存服務(wù)器需要訪問源站，去尋找用戶需要的內(nèi)容，源站把信息返回給緩存服務(wù)器，緩存服務(wù)器緩存此內(nèi)容并返回給用戶。

CDN是一種組合技術(shù)，包括源站、緩存服務(wù)器、智能DNS、用戶客戶端等幾個(gè)部分。圖1所示為CDN的全局結(jié)構(gòu)圖。

源站為發(fā)布內(nèi)容的原始站點(diǎn)，可以新增、刪除和更改網(wǎng)站的文件。緩存服務(wù)器抓取的對象也全部來自于源站。采用CDN技術(shù)后源站的壓力會(huì)變得很小，為了提高可用性，將源站部署成負(fù)載均衡集群。

智能DNS實(shí)現(xiàn)用戶訪問的轉(zhuǎn)向功能，是整個(gè)CDN的核心，它根據(jù)用戶訪問的來源，將其訪問請求轉(zhuǎn)向到離用戶較近或較合適的緩存服務(wù)器。

實(shí)現(xiàn)智能DNS的一種技術(shù)是Bind View，在本文中，使用電信、網(wǎng)通、教育網(wǎng)3個(gè)IP地址列表，每個(gè)列表關(guān)聯(lián)獨(dú)立的Bind視圖，共有3個(gè)視圖。

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

3 CDN 實(shí)現(xiàn)與測試

3.1 源站的部署

Nginx是一個(gè)自由、開源、高性能及輕量級的HTTP服務(wù)器及反轉(zhuǎn)代理服務(wù)器。它以其高性能、穩(wěn)定、功能豐富、配置簡單及占用系統(tǒng)資源少而著稱。Nginx可以做Web服務(wù)器，同時(shí)可以做反向代理服務(wù)器和郵件代理服務(wù)器。

本次實(shí)驗(yàn)采用Nginx作為Web服務(wù)器，在每個(gè)源站機(jī)器上安裝Ngnix并配置。本文對三個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行CDN加速，因此對于單個(gè)機(jī)器的Nginx配置文件，就是運(yùn)行3個(gè)虛擬主機(jī)。配置文件分主配置文件和虛擬主機(jī)配置文件，主配置文件include指令包含各個(gè)虛擬主機(jī)配置文件。

在配置完并啟動(dòng)Nginx后，需要在Windows客戶端機(jī)器修改系統(tǒng)的hosts文件，修改 hosts：

本機(jī)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(diǎn)的域名。瀏覽器分別訪問這3個(gè)站點(diǎn)，以檢驗(yàn)配置的正確性。

3.2 CDN緩存服務(wù)器

用戶向某邊緣服務(wù)器（邊緣A）發(fā)起訪問請求，所需內(nèi)容沒有被緩存。邊緣服務(wù)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(jié)點(diǎn)也沒有緩存所需的對象。邊緣服務(wù)器（邊緣A）轉(zhuǎn)而向某個(gè)父節(jié)點(diǎn)（核心A）請求文件，如果該父節(jié)點(diǎn)仍然無所需的文件，則該父節(jié)點(diǎn)詢問其鄰居；如果鄰居也沒有所需的文件，則把請求轉(zhuǎn)給源站。源站返回?cái)?shù)據(jù)給核心節(jié)點(diǎn)（核心A），并緩存數(shù)據(jù)在該節(jié)點(diǎn)。核心節(jié)點(diǎn)（核心A）返還數(shù)據(jù)給邊緣節(jié)點(diǎn)（邊緣A），并緩存數(shù)據(jù)在該節(jié)點(diǎn)。邊緣節(jié)點(diǎn)返還數(shù)據(jù)給用戶，一次最長路徑的訪問完成。這種分層機(jī)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(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)流量。

驗(yàn)證Varnish緩存功能時(shí)，修改hosts文件，其中IP為緩存服務(wù)器的IP。直接用Windows主機(jī)的瀏覽器訪問緩存服務(wù)器的IP時(shí)，在正常情況下訪問不到任何頁面。圖2所示為緩存服務(wù)器架構(gòu)。

3.3 智能DNS

智能DNS的部署和運(yùn)行分為收集IP地址、部署DNS以及運(yùn)行。

智能DNS的部署和運(yùn)行：DNS的軟件選擇Bind9，它是一種分布式網(wǎng)絡(luò)信息查找服務(wù)，用于將主機(jī)名映射到Internet地址和將Internet地址映射到主機(jī)名。Bind9的主要特點(diǎn)有，支持IPv6、實(shí)現(xiàn)了DNS協(xié)議新擴(kuò)展的功能、視圖功能、支持多處理器以及增強(qiáng)了代碼的可移植性。

配置Bind9主要有以下文件：

（1）設(shè)置一般的named參數(shù)，指向該服務(wù)器使用的數(shù)據(jù)庫的信息源：/etc/named.conf

（2）指向根域名服務(wù)器：/vat/named/named.ca

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

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

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

（6）將IP地址映射為主機(jī)名的區(qū)域：/var/named/named.rev

（7）用戶定義的區(qū)文件，只需在主DNS服務(wù)器上進(jìn)行，DNS服務(wù)器會(huì)從主DNS服務(wù)器同步數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成自己的區(qū)文件。

（8）用Windows客戶機(jī)測試智能DNS。

正向解析測試結(jié)果如圖3所示。本客戶機(jī)的IP是10.10.10.212，屬于教育網(wǎng)網(wǎng)段，因此解析到教育網(wǎng)的緩存服務(wù)器IP10.10.10.78。

反向解析測試結(jié)果如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)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(biāo)識的URL，如http：//sery.cn，正常顯示頁面內(nèi)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(wù)器VIP，如http：//10.10.10.75，正常情況下，應(yīng)該訪問不到任何頁面。圖6為測試緩存服務(wù)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W(wǎng)eb的訪問日志、DNS服務(wù)器的查詢記錄、緩存服務(wù)器負(fù)載均衡器的輸出以及抽查緩存服務(wù)器的TCP連接狀態(tài)，從而分析和監(jiān)控整個(gè)CDN系統(tǒng)的運(yùn)作情況。

4 結(jié) 語

本文主要是基于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)搭建的簡單CDN系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)網(wǎng)頁的訪問加速。該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，源站、緩存服務(wù)器以及智能DNS。

CDN通過引入緩存服務(wù)器和全局負(fù)載均衡來加速內(nèi)容傳遞，CDN網(wǎng)絡(luò)體系負(fù)載均衡能夠提高站點(diǎn)的訪問速度，同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)訪問節(jié)點(diǎn)的壓力。

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