CDN技术的研究与设计

李聪颖　王瑞刚　梁小江

摘 要：CDN是互联网上的一层智能虚拟网络，通过在网络各节点处放置缓存服务器，可根据各节点的连接状况、负载状况、网络流量，以及各节点到用户的距离和响应时间的长短等因素，使用户从最近的服务节点上获取资源。文中主要通过对智能DNS的解析，使用户访问CDN服务站点时，能够实现不同用户的域名解析，若缓存服务器中没有用户需要的资源，则通过源站获取，这样可以增加访问速度，提高用户体验。

关键词：CDN；内容分发网络；智能DNS；网络加速；缓存服务器

中图分类号：TP302.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

随着Internet技术和多媒体技术的不断发展，图像、音频、视频服务所占的比重越来越大，加之网民数量激增，网络访问距离过长，导致网络负载迅速增加，从而使用户的访问质量受到严重影响。

传统的缓存技术对交互性强和比较大的文件并不支持，因此迫切需要一种新的传输结构来解决这一问题，此外，当用户与网站之间的链路被突发的大流量数据拥塞时，对于异地互联网用户急速增加的地区来说，访问质量不良更是一个急待解决的问题。而应运而生的CDN（内容分发网络）技术正是针对带宽、响应速度、扩展性、可靠性等对网络进行改善。

使用CDN技术，可以让电信的用户访问电信的内容缓存服务器，网通的用户访问网通的内容缓存服务器。通过这样一种策略，绕开了网络运营商之间人为设置的障碍，解决了互联的问题。

1 CDN特性

CDN可以避开互联网上影响数据传输速度和稳定性的瓶颈和环节，使内容传输更快、更稳定。CDN通过在Internet中增加一层新的网络架构，即智能CDN以及缓存服务器集群，将网站的内容发布到最接近用户的网络边缘，用户可以快速获取所需的内容，能够有效解决Internet网络拥塞状况，提高用户访问网站的响应速度，解决网络带宽小、用户访问量大、网点分布不均等问题。

CDN技术能够解决网站高流量、大并发的问题和互联问题。CDN采用缓存技术，把访问对象缓存起来，能把对象缓存到内存（如Varnish）。能够降低总体运营成本，提高网站的可用性，使得源站的访问量变得很小，对于缓存服务器，多个服务器做成集群，保证了整个系统的高可用性。

2 整体设计

当用户访问CDN加速的站点时，首先会通过浏览器向智能DNS发出请求，智能DNS会根据IP地址列表解析出该用户属于哪个网段的用户，随后智能DNS会返回给用户缓存服务器集群的VIP，然后用户通过访问这个VIP去访问缓存服务器，如果缓存服务器中缓存了用户需要的内容，则直接返回给用户信息。否则，缓存服务器需要访问源站，去寻找用户需要的内容，源站把信息返回给缓存服务器，缓存服务器缓存此内容并返回给用户。

CDN是一种组合技术，包括源站、缓存服务器、智能DNS、用户客户端等几个部分。图1所示为CDN的全局结构图。

源站为发布内容的原始站点，可以新增、删除和更改网站的文件。缓存服务器抓取的对象也全部来自于源站。采用CDN技术后源站的压力会变得很小，为了提高可用性，将源站部署成负载均衡集群。

智能DNS实现用户访问的转向功能，是整个CDN的核心，它根据用户访问的来源，将其访问请求转向到离用户较近或较合适的缓存服务器。

实现智能DNS的一种技术是Bind View，在本文中，使用电信、网通、教育网3个IP地址列表，每个列表关联独立的Bind视图，共有3个视图。

Varnish作为缓存服务器，当用户发起访问时，它的访问请求被智能DNS定位到离它较近的缓存服务器，如果访问所需的内容没有被缓存，则缓存服务器向邻近的缓存服务器或直接向源站抓取内容，然后再返还给用户。如果用户所请求的内容刚好在缓存里面，则直接把内容返还给用户。为保证缓存服务本身的高可用性，每个布点的服务器都以负载均衡集群的方式存在。

3 CDN 实现与测试

3.1 源站的部署

Nginx是一个自由、开源、高性能及轻量级的HTTP服务器及反转代理服务器。它以其高性能、稳定、功能丰富、配置简单及占用系统资源少而著称。Nginx可以做Web服务器，同时可以做反向代理服务器和邮件代理服务器。

本次实验采用Nginx作为Web服务器，在每个源站机器上安装Ngnix并配置。本文对三个站点进行CDN加速，因此对于单个机器的Nginx配置文件，就是运行3个虚拟主机。配置文件分主配置文件和虚拟主机配置文件，主配置文件include指令包含各个虚拟主机配置文件。

在配置完并启动Nginx后，需要在Windows客户端机器修改系统的hosts文件，修改 hosts：

本机的hosts文件所在目录是：C：＼Windows＼System32＼Drivers＼etc，其中10.10.10.76是源站的IP，而main.sery.cn、images.sery.cn、dl.sery.cn是站点的域名。浏览器分别访问这3个站点，以检验配置的正确性。

3.2 CDN缓存服务器

用户向某边缘服务器（边缘A）发起访问请求，所需内容没有被缓存。边缘服务器（边缘A）于是询问其邻居，是否缓存了用户所需的请求对象，邻居节点也没有缓存所需的对象。边缘服务器（边缘A）转而向某个父节点（核心A）请求文件，如果该父节点仍然无所需的文件，则该父节点询问其邻居；如果邻居也没有所需的文件，则把请求转给源站。源站返回数据给核心节点（核心A），并缓存数据在该节点。核心节点（核心A）返还数据给边缘节点（边缘A），并缓存数据在该节点。边缘节点返还数据给用户，一次最长路径的访问完成。这种分层机制既能保证最高的可用性，又能最大限度地减少向上一级节点的网络流量。

验证Varnish缓存功能时，修改hosts文件，其中IP为缓存服务器的IP。直接用Windows主机的浏览器访问缓存服务器的IP时，在正常情况下访问不到任何页面。图2所示为缓存服务器架构。

3.3 智能DNS

智能DNS的部署和运行分为收集IP地址、部署DNS以及运行。

智能DNS的部署和运行：DNS的软件选择Bind9，它是一种分布式网络信息查找服务，用于将主机名映射到Internet地址和将Internet地址映射到主机名。Bind9的主要特点有，支持IPv6、实现了DNS协议新扩展的功能、视图功能、支持多处理器以及增强了代码的可移植性。

配置Bind9主要有以下文件：

（1）设置一般的named参数，指向该服务器使用的数据库的信息源：/etc/named.conf

（2）指向根域名服务器：/vat/named/named.ca

（3）正向解析文件，用于将IP地址转换为主机名：/var/named/localhost.zone

（4）逆向解析文件，用于将主机名转换为IP地址：/var/named/named.1ocal

（5）将主机名映射为IP地址的区域文件：/vat/named/named.hosts

（6）将IP地址映射为主机名的区域：/var/named/named.rev

（7）用户定义的区文件，只需在主DNS服务器上进行，DNS服务器会从主DNS服务器同步数据，自动生成自己的区文件。

（8）用Windows客户机测试智能DNS。

正向解析测试结果如图3所示。本客户机的IP是10.10.10.212，属于教育网网段，因此解析到教育网的缓存服务器IP10.10.10.78。

反向解析测试结果如图4所示。本实验中智能DNS的IP为10.10.10.79，因此反向解析10.10.10.79为源站的域名sery.cn。

3.4 CDN的整体效果测试

在浏览器地址栏中输入正确的以域名标识的URL，如http：//sery.cn，正常显示页面内容。图5所示为通过CDN访问Ngnix的界面图。

在浏览器地址栏中输入缓存服务器VIP，如http：//10.10.10.75，正常情况下，应该访问不到任何页面。图6为测试缓存服务器图。

测试用户在使用浏览器访问源站的过程中，可以通过查看源站Web的访问日志、DNS服务器的查询记录、缓存服务器负载均衡器的输出以及抽查缓存服务器的TCP连接状态，从而分析和监控整个CDN系统的运作情况。

4 结 语

本文主要是基于实验室内部网络搭建的简单CDN系统，以实现对静态网页的访问加速。该系统主要由三个部分组成，源站、缓存服务器以及智能DNS。

CDN通过引入缓存服务器和全局负载均衡来加速内容传递，CDN网络体系负载均衡能够提高站点的访问速度，同时降低网络访问节点的压力。

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