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CDN加速是什么?它是如何工作的?

作为一个开发或者运维人员,你经常会看到 CDN 这个名词。CDN 是 Content Delivery Network 的缩写,译为“内容分发网络”。CDN 的好处有很多,包括:
这篇文章除了会讲解 CDN 的概念,还会告诉你 CDN 的工作原理。作为一个十年的老站长,我一直在使用 CDN,我将从实践的角度教你如何架构网站,以让网站更加适应于 CDN。

创作这篇文章,我参阅了大量的中英文资料,相信你一定会有所收获。OK,那就让我们开始吧。

CDN加速示意图

什么是 CDN?

CDN 是一种用来分发内容的网络拓扑结构,在彻底搞明白它之前,我们需要先来理解另外两个名词。

1) 节点

让用户使用 CDN 网络之前,CDN 提供商会在全国/全球部署多个节点。这里的节点可以看做机房,或者服务器集群,专业的称呼是 PoP(Point-of-Presence,入网点)或者边缘服务器(Origin Server)。

每个节点用来服务它周围的用户,因为距离近,所以响应时间短。另外,节点是由很多服务器构成的集群,所以能够抗住巨大流量。

2) 源服务器

源服务器就是你部署网站的服务器,它为整个 CDN 网络提供初始内容。

不使用 CDN 的话,用户的每次请求都会到达你的源服务器。用户和源服务器之间的距离越远,数据包转发的次数就越多,等待页面加载的时间就越长。另外,数据包的每次转发都有可能受到网络拥堵的影响,进一步延迟网页加载时间。

访问境外网站时,距离远,网络拥堵,用户往往需要等待 3 秒以上,这是无法忍受的。

网站的每一秒都非常重要!研究表明,1 秒钟的延迟会导致转化率下降 7%,页面浏览量下降 11%,客户满意度下降 16%。

好了,现在让我们看看使用了 CDN 以后的网络请求流程是什么样的。

如果你的网站使用了 CDN 加速,当用户请求你的网站时,CDN 会找到离用户最近的节点,看看这个节点中是否缓存了用户想要的内容:
只有在用户第一次请求内容时,节点才会访问源服务器,以后用户(包括新用户和老用户)再去请求相同内容,因为节点已经缓存了,所以会直接发送给用户,不会再去访问源服务器,此时源服务器就被“屏蔽”了,它不会知道有用户请求内容。

页面从源服务器拉取内容的过程,专业术语叫做反向代理(Reverse Proxy),Nginx 就是一个著名的反向代理服务器。

向离你最近的服务器集群请求内容,这个速度是极快的,通常是秒级响应。C语言中文网魏雪原两个网站都使用了阿里云的 CDN,你看它的响应速度多快。

现在全球有超过一半的流量由 CDN 提供,而且这个比例还在迅速上升。不使用 CDN,你很难把页面响应时间控制在 1 秒以内,让用户等待超过 1 秒的时间是非常不舒服的。

下图演示了使用 CDN 和不使用 CDN 的两种网络结构:
使用CDN和不使用CDN的网络结构

现在我们再来看看“内容分发网络”这个术语,它实际上包含了 3 方面的内容:

1) 内容

CDN 是用来处理内容的。什么内容?和网站有关的内容,这包括动态/静态网页、CSS、JavaScript、图像、视频、音频、可下载的文件等。

2) 分发

CDN 会将内容分发到节点。如何分发?节点需要内容时自动从源服务器拉取,也即反向代理。

3) 网络

从 CDN 内部看,CDN 是一种网络拓扑结构,或者说是一种私有网络/局域网。用户只和节点交换数据,并不知道 CDN 的内部网络结构,只有搭建 CDN 的机构才知道。

总起来说,CDN 是机构搭建的一种私有网络,它能将用户部署在源服务器上的内容分发到各个节点,从而提高网站的响应速度。用户和站长都不需要知道 CDN 的内部拓扑结构,却能享受 CDN 带来的好处。

CDN 的原理虽然非常简单,但是它的内部架构其实非常复杂,涉及多级缓存、负载均衡、大数据处理、分布式存储、健康监控、热插拔等众多科研难题。在市场力量的推动下,CDN 经过 20 年的发展才把成本降下来,让中小站长也用得起。

使用 CDN 的好处

使用 CDN 的好处太多了,而且成本极低,甚至还能省钱,站长没有理由不使用 CDN。不使用 CDN,网站响应时间长,SEO 效果差。接下来,我们罗列一下 CDN 的好处。

1) 提高网站访问速度

这是 CDN 的初衷,也是 CDN 的主要作用,其原理我们已经在上面介绍了。CDN 能够极大或者成倍地提高网站访问速度,由于是距离源服务器较远的用户,感受更加明显。

2) 降低服务器压力

几乎 80% 以上的访问量都被边缘节点承接了,只有内容更新或者缓存到期时才需要访问源服务器,这样源服务器的压力就会小很多,廉价的配置就能撑起巨大的流量。

3) 让全国/全球用户访问网站

CDN 节点遍布全国/全球,境外用户或者偏远地区用户也能访问你的网站。不使用 CDN 的话,有些地区可能因为网络原因无法访问你的网站。

4) 提高服务器安全性

用户请求先达到 CDN 网络最外层,用户不知道源服务器在哪里,源服务器的位置被 CDN 网络屏蔽了。不知道源服务器的位置,就无法攻击。

另外,CDN 网络一般自带防火墙或者安全措施,即使黑客尝试粗暴的 DDoS 攻击也压垮不了网站,CDN 会检测出这种攻击,屏蔽可疑 IP。即使不屏蔽 IP,凭借 CDN 网络的大集群和均衡负载能力,DDoS 流量也压垮不了 CDN。

5) 负载均衡

CDN 自带负载均衡功能,你不用担心突如其来的峰值流量,CDN 能够轻松应对,而你的源服务器不会感受到压力。

6) 7*24 小时服务

CDN 已经缓存了网站内容,即使源服务器挂掉,用户也能够访问网站。

但是据我实测,即使使用了 CDN,阿里云也要求源服务器也必须正常工作,否则用户将不能访问网站,不太清楚这是什么迷之操作。

7) 减少开支

为了应对流量峰值,你必须租用配置强大的服务器,购买足够的带宽,这是一笔不小的开支。大部分情况下,服务器的配置都是过剩的,你需要为应对极限场景多支出数倍。

使用了 CDN 的话,你可以将服务器的配置降到很低,反正有 CDN 呢,什么都不怕。

另外,CDN 一般都可以按量付费,你消耗多少流量就支付多少费用。你可以将带宽设置到最大,既保证了访问速度,又不用多花一分钱。

8) 降低运维成本

相信我,黑客攻击会放倒大多数网站,尤其是不懂安全的小公司或者个人站长。

黑客攻击是致命的,他们让你的网站崩溃,你却找不到原因,手足无措。不稳定的网站,经常遭受攻击的网站,不但让用户烦躁,也不受搜索引擎的待见。持续受到攻击的网站,流量一定会降低。

绝不要让黑客攻击你的网站,否则我保证你会受不了。

很多小公司或者个人站长都没有能力保证网站安全,裸奔的服务器分分钟被拿下。为了免受黑客攻击,请你一定要使用 CDN。CDN 屏蔽了你的服务器,让黑客不容易找到源头。

CDN 还能帮你抵御粗暴的 DDoS 攻击,不使用 CDN 的话,DDoS 攻击基本是无解的。

如何架构网站

合理的架构让网站更适应于 CDN,降低成本的同时,也提高了安全性。如果你的网站在开发之初没有考虑使用 CDN,那你可能需要一些调整。

一般来说,架构适用于 CDN 的网站主要有两大原则:

1) 动静分离

将网站的静态内容和动态内容分离。

静态内容指的是不随用户行为而改变的内容,比如文章、商品介绍等,不管用户是否登录,这些内容都是一样的。动态内容则反之,它随着用户的行为而改变,比如用户信息、留言列表、收藏按钮等。

一个页面往往会混合静态内容和动态内容,我们可以页面中使用 JavaScript 来加载动态内容。

为了降低请求次数,同时提高 SEO 效果,可以将用户评论、点击量、点赞量等看做静态内容,只要定期或者按照规则刷新 CDN 缓存即可。

CDN 缓存可以设置失效时间,也可以主动刷新,一般的 CDN 都支持手动刷新或者 API 刷新(编程刷新)。

另外为了安全,最好准备两台服务器,一台放置静态内容并启用 CDN,一台放置动态内容不启用 CDN。放置动态内容的服务器更容易遭受攻击,即使动态内容服务器挂掉,也不影响静态内容的访问。

既然使用了不同的服务器,也应该为静态内容和动态内容设置不同的域名。

2) 资源文件分离

资源文件是指那些内容几乎不会变动的文件,比如图片、视频、压缩包等。

由于网站模板更改、内容变动、用户评论、放置广告等诸多原因,静态内容需要经常更新,这个时候就需要刷新 CDN 缓存。我们通常可以针对一个 URL、一个目录、一个域名刷新 CDN 缓存。

尤其是针对一个域名刷新 CDN 缓存的时候,如果资源文件和静态内容位于同一个域名下,那么所有资源文件的缓存也会被刷新。资源文件的体积往往是静态内容的数倍,刷新资源文件不但会消耗很多流量,还会给源服务器带来不小的压力。

如果你为了提高 SEO 效果,将用户评论、点击量、收藏量等看做静态内容,那你就需要经常刷新域名下的所有静态内容,此时资源文件也会一并刷新。

为了避免资源文件被连带刷新,我非常建议为资源文件设置一个新的域名,该域名下只存储资源文件。但是,为资源文件启用新域名会增加开发成本,请读者自己权衡。

总结

本文讲解了 CDN 的概念、工作原理、优势以及网站架构,如果你的网站是基于内容的(比如文章站、视频站、电商站),我相信你没有理由不使用 CDN。

国内知名的云服务商有阿里云腾讯云华为云,国际知名的云服务商有亚马逊 AWS微软 Azure,它们都提供了非常优秀的 CDN 服务。

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