什么是CDN加速原理及工作机制详解

什么是CDN加速

CDN加速(Content Delivery Network)是一种通过分布式部署服务器来提高内容传输效率和用户访问速度的技术。CDN加速通过将内容缓存到离用户更近的服务器节点上,使用户可以从最近的服务器获取所需内容,从而减少了传输延迟和网络拥塞。

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:

●如果节点缓存了用户想要的内容,就直接发送给用户,不用再去请求源服务器。
●如果节点没有缓存用户想要的内容,那么节点会自动请求源服务器获取想要的内容,然后再发送给用户;同时,节点也会把从源服务器获取的内容缓存起来,下次有用户再请求相同内容时,节点会直接发送给用户,而不用再去请求源服务器。

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语言中文网微学苑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:

CDN加速是什么?它是如何工作的?

使用CND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。

●极大提高网站访问速度

●极大降低服务器压力

●让全国/全球用户都能访问你的网站

●隐藏真实的服务器

●避免网站服务器遭受黑客攻击
●防盗链

●降低网络带宽成本

●负载均衡,流量低谷不浪费资源,流量高峰轻松应对

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。

但是根据测试,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。


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。

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,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。

总之,通过CDN加速,用户可以享受到更快的网页加载速度、更稳定的视频播放、更高质量的下载体验等好处。CDN技术在互联网内容分发领域起到了重要的作用,特别是对于大流量、全球分布的网站和应用来说,CDN加速是提升用户体验和网络性能的关键技术之一。

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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