CDN

CDN(Content Delivery Network)是指內容分發網路，也稱為內容傳送網路，這個概念始於1996年，是美國麻省理工學院的一個研究小組為改善網際網路的服務質量而提出的。為了能在傳統IP網上發布豐富的寬頻媒體內容，他們提出在現有網際網路基礎上建立一個內容分發平台專門為網站提供服務，並於1999年成立了專門的CDN服務公司，為Yahoo提供專業服務。由於CDN是為加快網路訪問速度而被優化的網路覆蓋層，因此被形象地稱為“網路加速器”。

CDN網路的誕生大大地改善了網際網路的服務質量，因此傳統的大型網路運營商紛紛開始建設自己的CDN網路，如AT&T、德國電信、中國電信等。隨著市場需求的不斷增加，甚至出現了純粹的CDN網路運營商，美國的Akamai就是其中最大的一個，擁有分佈在世界各地的1000多個節點。我國第一家純粹的CDN網路服務公司是北京藍汛公司，已從2000年開始建立了一個專門的CDN服務網路一ChinaCache。目前CDN網路已經突破50個節點，覆蓋中國六大骨幹網路一中國電信、中國網通、中國移動、中國聯通、中國鐵通網路以及中國教育網，帶寬資源儲備超過35G，服務的客戶數量達到300多家。

CDN網路中包含的功能實體包括內容緩存設備、內容交換機、內容路由器、CDN內容管理系統等組成。

內容緩存為CDN網路節點，位於用戶接入點，是面向最終用戶的內容提供設備，可緩存靜態Web內容和流媒體內容，實現內容的邊緣傳播和存儲，以便用戶的就近訪問。

內容交換機處於用戶接入集中點，可以均衡單點多個內容緩存設備的負載，並對內容進行緩存負載平衡及訪問控制。

內容路由器負責將用戶的請求調度到適當的設備上。內容路由通常通過負載均衡系統來實現，動態均衡各個內容緩存站點的載荷分配，為用戶的請求選擇最佳的訪問站點，同時提高網站的可用性。內容路由器可根據多種因素制定路由，包括站點與用戶的臨近度、內容的可用性、網路負載、設備狀況等。負載均衡系統是整個CDN的核心。負載均衡的準確性和效率直接決定了整個CDN的效率和性能。

內容管理系統負責整個CDN的管理，是可選部件，作用是進行內容管理，如內容的注入和發布、內容的分發、內容的審核、內容的服務等。

歸納起來，CDN具有以下主要功能：

(1)節省骨幹網帶寬，減少帶寬需求量；

(2)提供伺服器端加速，解決由於用戶訪問量大造成的伺服器過載問題；

(3)服務商能使用Web Cache技術在本地緩存用戶訪問過的Web頁面和對象，實現相同對象的訪問無須佔用主幹的出口帶寬，並提高用戶訪問網際網路頁面的相應時間的需求；

(4)能克服網站分佈不均的問題，並且能降低網站自身建設和維護成本；

(5)降低“通信風暴”的影響，提高網路訪問的穩定性。

CDN的基本原理是廣泛採用各種緩存伺服器，將這些緩存伺服器分佈到用戶訪問相對集中的地區或網路中，在用戶訪問網站時，利用全局負載技術將用戶的訪問指向距離最近的工作正常的緩存伺服器上，由緩存伺服器直接響應用戶請求。

基本思路是儘可能避開網際網路上有可能影響數據傳輸速度和穩定性的瓶頸和環節，使內容傳輸的更快、更穩定。通過在網路各處放置節點伺服器所構成的在現有的網際網路基礎之上的一層智能虛擬網路，CDN系統能夠實時地根據網路流量和各節點的連接、負載狀況以及到用戶的距離和響應時間等綜合信息將用戶的請求重新導向離用戶最近的服務節點上。其目的是使用戶可就近取得所需內容，解決 Internet網路擁擠的狀況，提高用戶訪問網站的響應速度。

內容分發網路(CDN)是一種新型網路構建方式，它是為能在傳統的IP網發布寬頻豐富媒體而特別優化的網路覆蓋層；而從廣義的角度，CDN代表了一種基於質量與秩序的網路服務模式。

簡單地說，內容分發網路(CDN)是一個經策略性部署的整體系統，包括分散式存儲、負載均衡、網路請求的重定向和內容管理4個要件，而內容管理和全局的網路流量管理(Traffic Management)是CDN的核心所在。通過用戶就近性和伺服器負載的判斷，CDN確保內容以一種極為高效的方式為用戶的請求提供服務。

總的來說，內容服務基於緩存伺服器，也稱作代理緩存(Surrogate)，它位於網路的邊緣，距用戶僅有"一跳"(Single Hop)之遙。同時，代理緩存是內容提供商源伺服器（通常位於CDN服務提供商的數據中心）的一個透明鏡像。這樣的架構使得CDN服務提供商能夠代表他們客戶，即內容供應商，向最終用戶提供儘可能好的體驗，而這些用戶是不能容忍請求響應時間有任何延遲的。

首先簡單表述一下傳統的動態系統的訪問方法：

如右圖示（一）表述的是用戶的請求過程，用戶經過網路中的路由A、B的傳輸，最終將發送的請求交於動態系統來處理，但是由於IP網路本身的“儘力而為的原則”、網路鏈路中複雜的環境及硬體的不可靠性的確實存在，致使用戶要出現重複發送的請求的現狀，所以最終導致用戶的請求在提交的過程中出現等待、數據載入時間過長的一些現象的普遍存在，這些在線提交式系統的緩慢直接地影響到辦公人員的工作效率，這也是制約著很多大型企業在協同辦公OA、ERP、SAP等信息化建設中，出現最多的問題。

而CDN分發解決方案解決了與靜態網站相關的性能和可靠性問題，而在當今在線業務體驗中，與分發靜態和動態元素和應用相關的獨特挑戰，則由速網的動態網站加速（動態網站加速）來解決。

內容發布

它藉助於建立索引、緩存、流分裂、組播（Multicast）等技術，將內容發布或投遞到距離用戶最近的遠程服務點（POP）處。 [9]

內容分發包含從內容源到CDN邊緣的Cache的過程。從實現上，有兩種主流的內容分發技術：PUSH和PULL。

PUSH是一種主動分發的技術。通常，PUSH由內容管理系統發起，將內容從源或者中心媒體資源庫分發到各邊緣的 Cache節點。分發的協議可以採用 Http/ftp等。通過PUSH分發的內容一般是比較熱點的內容，這些內容通過PUSH方式預分發（ Preload）到邊緣Cache，可以實現有針對的內容提供。對於PUSH分發需要考慮的主要問題是分發策略，即在什麼時候分發什麼內容。一般來說，內容分發可以由CP（內容提供商）或者CDN內容管理員人工確定，也可以通過智能的方式決定，即所謂的智能分發，它根據用戶訪問的統計信息，以及預定義的內容分發的規則，確定內容分發的過程PULL是一種被動的分發技術，PULL分發通常由用戶請求驅動。當用戶請求的內容在本地的邊緣 Cache上不存在（未命中）時， Cache啟動PUL方法從內容源或者其他CDN節點實時獲取內容。在PULL方式下，內容的分發是按需的。

內容路由

它是整體性的網路負載均衡技術，通過內容路由器中的重定向（DNS）機制，在多個遠程POP上均衡用戶的請求，以使用戶請求得到最近內容源的響應。

CDN負載均衡系統實現CDN的內容路由功能。它的作用是將用戶的請求導向整個CDN網路中的最佳節點。最佳節點的選定可以根據多種策略，例如距離最近、節點負載最輕等。負載均衡系統是整個CDN的核心，負載均衡的準確性和效率直接決定了整個CDN的效率和性能。通常負載均衡可以分為兩個層次：全局負載均衡（GSLB）和本地負載均衡（SLB）。全局負載均衡主要的目的是在整個網路範圍內將用戶的請求定向到最近的節點（或者區域）。因此，就近性判斷是全局負載均衡的主要功能。本地負載均衡一般局限於一定的區域範圍內，其目標是在特定的區域範圍內尋找一台最適合的節點提供服務，因此，CDN節點的健康性、負載情況、支持的媒體格式等運行狀態是本地負載均衡進行決策的主要依據。

內容存儲

對於CDN系統而言，需要考慮兩個方面的內容存儲問題。一個是內容源的存儲，一個是內容在 Cache節點中的存儲。

對於內容源的存儲，由於內容的規模比較大（通常可以達到幾個甚至幾十個TB），而且內容的吞吐量較大，因此，通常採用海量存儲架構，如NAS和SON。對於在 Cache節點中的存儲，是 Cache設計的一個關鍵問題。需要考慮的因素包括功能和性能兩個方面：功能上包括對各種內容格式的支持，對部分緩存的支持；在性能上包括支持的容量、多文件吞吐率、可靠性、穩定性。

其中，多種內容格式的支持要求存儲系統根據不同文件格式的讀寫特點進行優化，以提高文件內容讀寫的效率。特別是對針對流媒體文件的讀寫。部分緩存能力指流媒體內容可以以不完整的方式存儲和讀取。部分緩存的需求來自用戶訪問行為的隨機性，因為許多用戶並不會完整地收看整個流媒體節目。事實上，許多用戶訪問單個流媒體節目的時間不超過10分鐘。因此，部分緩存能力能夠大大提高存儲空間的利用率，並有效提高用戶請求的響應時間。但是部分緩存可能導致內容的碎片問題，需要進行良好的設計和控制。 [10]

Cache存儲的另一個重要因素是存儲的可靠性，目前，多數存儲系統都採用了獨立磁碟冗餘陣列（RAID）技術進行可靠存儲。但是不同設備使用的RAID方式各有不同。

內容管理

它通過內部和外部監控系統，獲取網路部件的狀況信息，測量內容發布的端到端性能（如包丟失、延時、平均帶寬、啟動時間、幀速率等），保證網路處於最佳的運行狀態。

內容管理在廣義上涵蓋了從內容的發布、注入、分發、調整、傳遞等一系列過程。在這裡，內容管理重點強調內容進人 Cache點后的內容管理，稱其為本地內容管理。本地內容管理主要針對一個ODN節點（有多個 CDN Cache設備和一個SLB設備構成）進行。本地內容管理的主要目標是提高內容服務的效率，提高本地節點的存儲利用率。通過本地內容管理，可以在CDN節點實現基於內容感知的調度，通過內容感知的調度，可以避免將用戶重定向到沒有該內容的 Cache設備上，從而提高負載均衡的效率。通過本地內容管理還可以有效實現在ODN節點內容的存儲共享，提高存儲空間的利用率。

1、本地Cache加速 提高了企業站點(尤其含有大量圖片和靜態頁面站點)的訪問速度，並大大提高以上性質站點的穩定性

2、鏡像服務 消除了不同運營商之間互聯的瓶頸造成的影響，實現了跨運營商的網路加速，保證不同網路中的用戶都能得到良好的訪問質量。

3、遠程加速 遠程訪問用戶根據DNS負載均衡技術智能自動選擇Cache伺服器，選擇最快的Cache伺服器，加快遠程訪問的速度

4、帶寬優化 自動生成伺服器的遠程Mirror（鏡像）cache伺服器，遠程用戶訪問時從cache伺服器上讀取數據，減少遠程訪問的帶寬、分擔網路流量、減輕原站點WEB伺服器負載等功能。

5、集群抗攻擊 廣泛分佈的CDN節點加上節點之間的智能冗餘機制，可以有效地預防黑客入侵以及降低各種D.D.o.S攻擊對網站的影響，同時保證較好的服務質量。

CDN能幾乎涵蓋國內所有線路。而在可靠性上， CDN 在結構上實現了多點的冗餘，即使某一個節點由於意外發生故障，對網站的訪問能夠被自動導向其他的健康節點進行響應。CDN能輕鬆實現網站的全國鋪設，不必考慮伺服器的投入與託管、不必考慮新增帶寬的成本、不必考慮多台伺服器的鏡像同步、不必考慮更多的管理維護技術人員。

初期我國CDN市場發展緩慢，2006年後市場陡然升溫，國內較為有名的CDN服務商有思必達、藍汛等，但整體CDN市場規模、運營成熟度、服務能力和技術研發均較國外存在一定的差距。目前我們存在以下類型的CDN服務商：

表1 CDN服務商

CDN需要考慮兩個方面的內容存儲問題，一個是內容源的集中存儲，另一個是內容在Cache節點中的分散式存儲。由於內容的規模比較大，內容的吞吐量較大，因此，通常採用海量存儲架構。目前常用的存儲技術主要有直連附加存儲（DAS）、網路附加存儲（NAS）和存儲區域網（SAN）。

DAS是直接連接在各種伺服器或客戶端擴展介面下的數據存儲設備，完全以伺服器為中心，寄生在相應伺服器或客戶端上，本身是硬體的堆疊，不帶有任何存儲操作系統，網路客戶端通過訪問伺服器瀏覽存儲設備的信息。NAS可以提供高速的數據I/O訪問，降低了媒體伺服器由於相應數據訪問請求而承擔的CPU負荷，使媒體伺服器性能得到大幅提升，NAS把數據放在同一個伺服器里讓不同用戶共享。SAN允許伺服器在共享存儲裝置的同時仍能高速傳送數據，共享式區域網路通過高速連接將伺服器與存儲介質相互連通，具有可擴展性高、可用性高和容錯能力強的優點，可以輕鬆升級，易於管理，有助於改善整個系統的成本狀況。

HFMS是針對流媒體內容海量存儲開發的一種文件存儲技術，針對傳統的採用直接文件複製帶來的種種弊端，採用Segment技術，以流廣播形式傳送新複製的片段，到終端用戶處的總延遲在50ms以內，用戶不容易察覺到。在極端情況下，當所有用戶都在同一時間觀看同一熱門節目的片段時，可同時以廣播形式播放。HMFS實現了流媒體內容的分段存儲和服務，提升了系統服務性能。

對於VOD內容的存儲，可以根據網路規模，採用不同的存儲方案。對於小規模網路，可以採用DAS；中等規模的網路採用NAS；對於大規模的網路可以採用SAN存儲方案。根據數據量大和實時性強的特點，建議採用SAN和HMFS結合存儲技術進一步優化流媒體數據存儲。

內容分發技術是通過網路的構建減小IP骨幹網路的傳輸壓力，將連接到IP網路上的內容迅速分發到用戶終端。CDN主要由初始伺服器、分佈在邊緣的緩存伺服器、重定向DNS伺服器和內容交換伺服器組成。初始伺服器負責生成伺服器信息內容；緩存伺服器負責存儲初始伺服器的部分或全部信息內容；重定向DNS伺服器向用戶提供最近的伺服器IP地址，減輕骨幹網的壓力；內容交換伺服器完成各緩存伺服器之間的負載均衡功能；內容管理伺服器負責整個網路各緩存伺服器中存儲的內容的管理，為各緩存伺服器制定相應的緩存策略，以提高緩存伺服器的服務質量。

①分段分發技術

流媒體對邊緣內容的完整性沒有要求，節點只需存儲少量的節目或節目片段即可實時推送內容，為用戶提供完整的服務。當用戶點播的內容只有部分片段或沒有時，系統將採用分發技術進行內容的快速分發。

②部分分發技術

徠部分分發技術可提升邊緣系統的命中率，如果對10%的內容採用全複製，20%的內容採用50%複製，50%的內容採用10%複製，那麼，系統可以實現95%以上的命中率，大大降低骨幹網的負荷，具有優越的分發性能。

負載均衡是整個CDN的核心，負載均衡的準確性和效率直接決定了整個CDN的效率和性能。

負載均衡技術將網路的流量儘可能均勻地分配到幾個能完成相同任務的伺服器或網路節點上進行處理，避免部分網路節點過載而另一部分節點空閑的不利狀況，既可以提高網路流量，又可以提高網路的整體性能。