阿里云CDN架构技术（一）

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CDN补充

该网络通过全球范围内分布式部署边缘服务器，将互联网内容从互联网中心缓存到靠近用户的边缘服务器上，降低用户访问时延长减少穿越互联网核心网的流量：优化互联网流量分布，提升用户终端服务质量

电商，金融交易动态业务加速崛起，以及新冠高校突然暴增线上（网课），cdn起到了巨大的作用，也是2018年至现在最重要的一个企业架构部署环节！

cdn通过动态路由规划，协议传输等技术进行传输加速，DDOS（Distributed denial of service,分布式拒绝攻击）网络攻击事件不断涌现，cdn基于其广泛的边缘节点，结合智能攻击流量检测及流量清洗技术（避免攻击流量把内容源站打垮，保证互联网公司业务运行）

cdn基本原理

互联网超过50%流量通过cdn进行加速，今年暴增业务：门户网站，短视频，长剧，购物，在线学习，cdn支撑上亿学生学习（新冠疫情突发，各高校线下课转到了线上课，钉钉软件突然出现系统崩溃，随后官方也是加急修复，原因：平时用户业务访问流量没有超过该公司所预期，突然全部转为线上，用户访问流量从原来几倍直接突变为几十倍速率，对该软件后台数据库，带宽，加速业务带来了巨大挑战，也是因为新冠事情，现中型企业更加更加重视cdn服务）

CDN相对于底层IP网，提供动态加速，静态加速，安全访问三个核心能力

动态内容加速原理

动态：对于不能缓存内容（电商实时推荐，账号密码认证–用户通过前后端，数据库进行交互），可以通过优化路由进行加速

静态：可缓存内容（图片，短视频，大文件）进一步通过缓存来实现以存储空间换带宽目的，大幅度降低传输时延

动态内容加速示意图：



CDN服务端：调度系统，节点系统，支撑系统—解决各类用户 请求与cdn边缘节点的适配问题

（1.缩短互联网用户的访问时间延长问题 2.保证CDN边缘节点之间的负载均衡 ）

调度系统：解决用户请求CDN边缘节点之间的负载均衡

节点系统：被动缓存、主动预取技术-》大部分互联网用户请求实现边缘响应（实行加速）（同时通过多级缓存减少回用户源站流量）

CDN动态内容加速的应用场景

电子商务、互动论坛博客为代表的互联网业务存在大量不能缓存、需要实时回源的动态内容加速场景。例如，电商平台涉及了用户注册、登录、在线支付、秒杀等需要动态加速的场景

CDN维护：实时路由探测系统，实时链路质量信息，考虑路由优选与链路负载均衡因素（计算出最佳线路）

CDN的静态内容加速

静态内容加速特点：高性能，灵活度高；

大型CDN厂商：上千万级别边缘节点+高性能缓存软件=热点内容90%以上的边缘hit（命中率），缩短响应时间，提升用户体验

大文件、图片以及在线点播业务的本质:通过互联网，将静态文件内容从内容生产者分发给终端用户

安全防护

政府，金融，游戏加速：需要保障防止遭受DDOS，CC（Challengecollapsar）攻击；互联网金融业务，金融数据是恶意爬虫攻击的首要对象，其站点性能、网站安全以及内容安全需要同时兼顾

CDN技术为什么很厉害

1. CDN在原有互联网技术上构建：分布式覆盖网（弥补原有互联网在内容加速及安全访问方面的不足–提升电商，游戏，短视频等）
2. 互联网设计理念：
   网络互联：通过一套标准的网络协议把异构的各类自治域网络连接在一起
   

尽力而为：互联网具有与电信网不一样的运行机制，通过“存储转发”而不是链路独享的方式向互联网用户提供尽量可靠的服务质量

CDN出现之前：出现问题

1. 自制域网络之间随用户与内容服务器之间的距离增加，服务质量不断下降
2. 跨自制域流量传输遭遇质量降级，传输失败
3. 出现大量冗余互联网流量不断·穿越基于BGP（边界网关协议，造成核心网络链路拥塞—降低服务质量级）
   4.技术出现之前都是端到端的，不能减少互联网内容在跨域骨干网上的重复传输

需要解决：

减少跨区域核心流量网的冗余传输，提升用户的体验性能，核心的诉求是：更高的可靠性，可扩展性

解决方式：

1. 重新设计并部署新的互联网协议
2. 在已有的协议基础上构建一个覆盖网，弥补设计不足
   CDN技术应用而生

CDN系统架构概述

CDN整体框架

CDN调度系统

DNS、HTTPDNS调度解析服务，节点资源调度服务，调度策略维护，直播、点播、动态加速等产品线提供核心调度能力，资源状况实时调整调度策略

CDN节点系统

缓存服务、安全防护、日志收集、状态检查、内容管理等

CDN运维支撑系统

用户控制台

用户提供自助接入CDN服务的便捷窗口，包括CDN接入域名配置、实时/离线监控数据、日志下载、资源刷新与预热，以及直播、点播业务配置。

CDN业务场景

• 直播对时延和卡顿：网络抖动的忍受度很低
• 点播仅对卡顿有严苛的要求，可通过调控视频播放器缓冲器(buffer)的大小在一定程度上抵消网络抖动的影响
• 电商、微服务接口、交易类业务，内容请求都通过HTTPS来保护内容传输安全，且用户请求的QPS（Query Per Second，每秒请求数）高度并发，属于算力密集型业务。其对CPU算力的需求很大
• 点播、下载类业务，单文件的大小比较大，呈现出流量CDN平台上，节点资源呈现出集群数量庞大、单集群规模小、广域分布、异构构成［网络、存储、计算的容量规格和QoS（Quality of Service，服务质量）都有差异］等特征密集型的特征，CPU算力的需求较小

阿里云cdn调度系统架构图

全局负载均衡模块：在成本规划模块给定成本线与资源调度模块划定业务节点集合，生成全局调度策略。

调度执行器是执行全局负载均衡调度策略的调度服务器组件，包含DNS执行器、HTTPDNS执行器、302执行器等。这三种组件对应三种不同的用户请求调度牵引方式，即LDNS（Local DNS，本地域名服务器）牵引、App端绕过DNS自行解析牵引、302跳转牵引

节点软件

节点软件在CDN系统中作为用户数据流的核心通道，包括从最开始用户流量的接入，到资源的缓存，再到未命中资源的回源拉取

• 提供高性能、稳定的接入网关
• 提供高性能、稳定的缓存服务，在NVMe(Non-VolatileMemoryexpress)、SSD(Solid State Disk)、SATA(Serial Advanced Technology Attachment)盘等不同硬件上实现不同的淘汰算法，最大限度地挖掘软件性能。
• 提供高性能、稳定的回源服务，在不同网络状况下保证回源的稳定性

稳定和高性能是提供大规模服务能力的前提，丰富的产品化功能是满足海量用户需求的基础，可编程能力扩展是阿里云CDN节点软件的优势

阿里云CDN给出的节点软件示意图，主要分成接入网关、缓存组件、回源组件三大部分。

网络传输

网络传输是影响CDN传输性能的关键系统。基于优质的节点资源和良好的调度策略，网络传输优化技术可在原基础上再大幅提升传输速率、缩短首屏时间、降低卡顿率，给用户带来更顺畅的体验。

网络传输优化不仅影响用户与L1边缘点之间的传输性能，也影响L1、L2内部的传输。而如果开启回源加速，则还能提升到源站的传输性能。通常用户与L1之间的网络传输基于TCP等传输协议，此时L1节点开启单边加速，即优化只在服务器侧进行。而如果用户接入了CDN的SDK(Software Development Kit)或其他支持双边加速的私有协议，则优化同时在服务器和客户端两侧生效。与单边加速相比，双边加速通常对性能的提升空间更大、更加灵活。在CDN内部，例如L1、L2之间，单边/双边加速同时存在，可灵活切换。而在L2与源站之间，CDN可以基于链路质量探测、动态路由等技术选择一条连接源站最快、最稳定的线路，从而实现回源加速。

CDN还支持扁平化的结构。在此结构中，不再严格区分L1、L2、L3等，而是基于链路质量、节点容量、节点负载等动态选择一条路径。这条路径可以只处于CDN节点间，也可以直达源站。

网络传输优化的重点在三个方面：拥塞控制、传输协议与选路方式。拥塞控制与传输协议互相配合，可以最大化利用链路带宽或最小化传输时延等，而选路可改善链路质量，提升传输能力的上限。阿里云CDN网络传输优化的架构示意图。不同类型的业务对网络传输的需求侧重点不同，比如静态下载类业务需要提升下载速率，而点播、直播类业务需要降低卡顿率。为了对不同业务做有针对性的优化，节点软件会根据配置中心的配置，将业务特征的相关信息下发到传输层，供传输层进行决策。不同节点、不同时间段，链路质量也存在差异，通过链路质量探测等手段，将链路质量的变化及时通知传输层，可使网络传输优化策略更适应多变的网络环境。传输层最终根据业务特征和当前链路质量，从加速策略库中选择最合适的加速策略，从而达到具有针对性优化的效果。加速策略的内容包括拥塞控制算法及其参数、选择传输协议及是否使用动态选路等。而每次传输结束后，将记录相关信息和决策，并记录日志。离线的机器学习平台将分析传输层日志，自动优化加速策略库，从而形成闭环。