CDN 技术：通俗易懂的解释

导言

几年前，我在浏览互联网时发现了一个新的电子商务网站。我注意到网站上的图片加载速度不快。我刷新了页面并尝试了几次。最终，经过十秒钟的等待，我才能够看到渲染后的网页和图片。

起初，我以为是我的互联网连接不好，但实际上我的下载速度足够快。我也能够在YouTube上观看高清视频。这引发了我对为什么电子商务网站无法快速加载图片的好奇心。

内心好奇的工程师决定研究这个网站性能缓慢的原因。我迅速打开了谷歌的开发者工具，并转到网络选项卡进行分析。经过查阅了几篇Stack Overflow的帖子，得出的结论是该网站没有使用内容交付网络（CDN）。

在本文中，我们将了解什么是CDN，为什么需要它以及它的工作原理。此外，我们还将看到网站如何通过利用CDN加速其内容交付。

背景

网站性能差给我留下了不好的第一印象。由于它的速度慢，我决定不再在这个网站上购物。

在今天的世界中，网站的性能至关重要。如果您的网站显示出停机或加载缓慢，很难留住用户。这适用于所有的企业。许多网站甚至不得不关闭他们的网站，因为他们的竞争对手的网页加载速度比他们快。

在深入了解内容交付网络（CDN）之前，我们将先了解一些基本概念。让我们了解一下网页是如何在我们的设备上显示的。

以上图表概述了客户端请求页面并最终向用户显示页面的过程。以下是详细信息：

1. 客户端（移动应用/浏览器）向Web服务器发送HTTP请求。

2. 服务器处理请求，执行检查和验证，从数据库、硬盘或Blob存储中获取数据。此外，它构造了一个响应。

3. 客户端读取响应。响应通常是一个HTML页面，返回给客户端。

4. 最后，HTML页面显示给用户。
HTML页面还可以包含图片、gif、视频等。因此，除了文档外，客户端还有一个额外的责任来显示这些数据。
客户端还需要Javascript文件来使页面具有动态性。此外，它需要CSS文件来为网页设置样式。在开发者工具的网络选项卡中，您会看到下面图片中所示的选项。
在开发者工具中的网络选项卡
如果您选择JS作为选项，您应该能够查看所有用于Javascript文件的请求和响应。其他类型，如CSS、Img、Doc等，也是如此。
我们可以将任何网页上的内容分为两种类型 - 静态和动态。

静态
如果内容不经常更改，则变为静态。一般来说，图片、Javascript和CSS文件不经常更改。
此外，即使这些文件发生更改，我们也不会向用户显示不正确的数据。只有在文件增强时，用户体验或网站的外观和感觉才会发生变化。
在某些情况下，这些文件会在服务器的文件系统上保留。换句话说，Web服务器会从硬盘获取这些文件并将其发送回客户端。很多时候，这些文件被持久化在blob存储中，例如S3、Azure Blob存储等。
静态数据的大小可以是KB、MB或GB。电影文件体积大，消耗大量带宽。

动态
经常更改的数据是动态的。例如：在YouTube上观看视频的观众人数。在社交媒体网站上的评论、点赞或分享。
通常，服务器将动态数据存储在数据库中。根据用例，它可以是SQL或NoSQL。对于每个请求，服务器查询此数据，然后在响应中传递它。在大多数情况下，JSON用于数据序列化。

与静态数据相比，动态数据的大小要小得多，例如电影、视频或图像。它的大小是以几KB为单位。服务器还可以将此数据存储在外部缓存中，例如Redis或MemCached，以提高效率。

影响网站性能的因素是什么？

延迟

延迟是网站完全呈现所有数据所需的时间。如果延迟增加，用户就必须等待更长的时间。用户等待的时间越长，转化率就会降低。

呈现页面时延迟较低的网站性能更好。这些网站将在几毫秒内向用户显示页面。

延迟取决于多个因素。它包括以下内容：

• 用户和服务器之间的距离

• 服务器的处理时间

• 从数据库检索数据所需的时间

可用性
如果网站的服务器崩溃，客户端将无法查看网页。服务器还应该能够处理不断增加的负载。
如果网站不具备可伸缩性，服务器处理时间将增加，延迟也将增加。在当今世界，停机时间是不被容忍的。
由于这些网站是全球性的，人们期望它们可以全天候、全年无休地运行。用户希望能够无缝观看视频、在线购物、与朋友交流等。

什么是内容分发网络（CDN）？

问题

让我们假设我们正在启动一个类似 TikTok 的新的短视频应用。我们构建了网站的第一个版本并将其部署在美国的洛杉矶。我们的网站可以在全球范围内访问，并慢慢开始受到欢迎。

我们注意到我们从欧洲、中东和印度接收到了流量。随着流量的增长，我们进行了水平扩展并添加了更多的服务器。然而，来自印度的用户抱怨他们的加载时间更长。而来自美国的用户没有遇到同样的问题。为什么会发生这种情况？

如上所述，我们的服务器部署在美国的洛杉矶。对于印度用户来说，网络数据包的传输距离比美国用户要大。由于距离更远，所需时间也将成比例增加。如果在美国获取数据的时间是5毫秒，那么对于印度用户来说将需要35毫秒（距离是美国的7倍）。

同样的情况也适用于欧洲用户。在欧盟的网站加载时间会比美国的网站加载时间长。它会接近美国的3.5倍。

此外，我们服务器上的视频文件不经常变化。如果一个视频变得病毒感染，同一个视频文件将被全球用户访问。如果视频文件的大小较大，问题将加剧，因为网络带宽将成为瓶颈。

解决方案

以上问题将通过减少客户端和服务器之间的距离来解决。由于视频文件不经常更改，我们可以使用缓存机制。

通过缓存，我们将从服务器请求文件一次，然后缓存会为后续请求提供服务。这将减少服务器的整体负载。

内容分发网络（CDN）应用了这种解决方案，并加速了网站的内容传递。我们的主要网络服务器也被称为源服务器。CDN由一组地理分布的服务器组成。这些服务器也称为点对点（POP）服务器。POP服务器所在的位置被称为边缘位置。

POP服务器为位于同一地理位置的用户提供内容服务。例如：欧洲的POP服务器将为欧洲用户提供数据服务。位于印度的POP服务器将为印度用户提供服务。

类比

让我们来举一个从银行提取现金的例子。想象一下如果没有 ATM 机会发生什么？如果没有 ATM 机，那么银行外面将排起长长的队伍。我们需要很长时间才能拿到钱。此外，在银行假期，人们将无法灵活提取现金。

不同地方的 ATM 机，如地铁站、餐厅、机场等，确保了银行门口不会排长队。人们可以在自己方便的时候取钱。此外，人们可以去最近的 ATM 机，而不是去银行（距离可能更远）。

你可以把银行想象成源服务器，把 ATM 机想象成 CDN。CDN 靠近用户的位置。它们地理分布，减轻了源服务器的负载。此外，它们通过处理静态内容的流量提高了网站的可用性。

CDN的工作原理

下面的图表显示了当您在浏览器中加载网站时发生的高级工作过程：

1. 浏览器向 DNS 发送 IP 地址查找请求。

2. DNS 服务器将以最接近的 CDN 服务器的地址作为响应。

3. 浏览器将请求发送到 CDN 服务器（POP）以获取数据。

4. CDN 服务器将检查数据（图像、js、css、视频等）是否存在于其缓存中。

5. 如果数据不存在，POP 服务器将向源服务器发送请求以获取内容。

6. 稍后，POP 服务器将存储内容并将数据发送回用户。

7. CDN 用户还可以在内容上设置 TTL（生存时间）。例如：在图像文件上设置15分钟的 TTL。CDN 服务器将在过期之前向用户发送相同的数据。

8. 一旦CDN服务器检测到内容已过期，它将从源服务器重新获取数据。

使用CDN的好处

网站性能

客户端从CDN而不是源服务器获取静态数据（图像、视频等）。CDN服务器地理位置接近用户。随着距离的减小，获取数据的时间也减少。这导致网站加载时间显著提高。

加载时间更快的网站改善了用户体验。用户更倾向于高效和性能优越的产品。例如：将Google Chrome与Internet Explorer进行比较。

可用性

CDN服务器承担了大部分网站负载。由于CDN服务器充当缓存，源服务器受到了流量峰值的保护。由于源服务器的负载较少，这台服务器崩溃的可能性较小。

网站的整体可用性得到了改善。如果出现地区性的流量激增，相应地区的CDN服务器将扩展并处理不断增加的负载。

带宽

网站的主要开销是带宽消耗成本。由于CDN处理了流量，源服务器提供的数据量大大减少。这有助于减少网站所有者的带宽成本。

总结

• 内容分发网络由一组服务器组成，这些服务器地理位置接近用户，加速网站内容的传递。

• 浏览器或移动应用程序从CDN而不是源服务器请求静态数据。

• CDN从源服务器获取数据并将其缓存。随后的请求由CDN服务器提供服务。

• CDN的主要好处包括改善网站性能、减少带宽消耗成本和提高网站的可用性。

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