如何优化CDN架构：提升性能和用户体验
CDN 架构可大幅提高可用性、减少延迟并优化流量路由，从而进一步提高性能。在本博客中，我们将分析各种 CDN 架构及其优缺点，定义 CDN 设计的四大支柱，并介绍一种颠覆性解决方案，该解决方案可在多个供应商的基础上提供一致的安全和流量控制服务，而不会损害您的边缘服务。如何实现？请继续阅读。
什么是 CDN？
内容分发网络 (CDN) 是一种分布式服务器网络，这些服务器战略性地分布在多个地理位置，以便更高效地向最终用户分发网络内容。CDN 将内容缓存在全球分布的边缘服务器上，从而缩短用户和所需内容之间的距离。
CDN 使用负载平衡技术将传入流量分配到称为接入点 (PoP) 的多个服务器之间，从而将内容分发到更靠近最终用户的地方并提高整体性能。
什么是 CDN 架构？
CDN 架构是指导 CDN 提供商 PoP 分布的蓝图或计划。CDN 架构的两个基本要素是分布和容量。
分布方面决定了 PoP 的分布范围以及它们对不同区域的覆盖效果。容量决定了它可以在缓存中存储多少内容以及它可以同时向用户提供这些内容的效率。
数据中心的容量取决于 CPU、内存、带宽和机器数量等因素。
CDN 架构还专注于缓存、负载平衡、路由和优化内容传递，可以通过缓存卸载和往返时间 (RTT) 来衡量。
RTT 是数据包从起点到目的地再返回原始起点所需的时间（以毫秒 (ms) 为单位）。RTT 越低，网络响应时间越快，最终用户越满意。
缓存卸载准确地确定了缓存在不需要来自源站的内容的情况下提供内容的能力。
如果说客户确实没有时间处理一件事，那就是停机时间。五个九的可用性或 99.999% 也被称为“黄金标准”，可显著减少停机时间（准确地说是每年 5.26 分钟的停机时间），并确保关键操作能够继续进行而不会中断。
所有这些元素结合在一起构成了 CDN 架构的蓝图。
CDN 架构的核心组件
为了实现最佳的CDN 性能，必须将几个核心组件集成到CDN 网络架构中：
1.缓存机制
缓存是 CDN 运营的核心。它涉及将内容副本存储在更靠近最终用户的边缘服务器上。
有效的缓存可减少延迟并减轻源服务器的流量负担。高级缓存策略（如缓存层次结构和动态内容缓存）可确保频繁访问的数据始终可用，从而进一步提高性能。
2.负载平衡
负载平衡将传入流量分配到多台服务器，以避免任何一台服务器过载。这不仅可以提高性能，还可以确保如果一台服务器发生故障，其他服务器可以无缝接管，从而增强可靠性。
现代 CDN 采用复杂的算法来管理负载平衡，同时考虑实时流量状况和服务器健康状况。
3. 安全功能
CDN 架构的一个基本方面。CDN 结合了各种安全措施，例如 DDoS 保护、Web 应用程序防火墙 (WAF) 和 SSL/TLS 加密，以保护数据并确保安全的内容交付。
这些功能可防止网络威胁并确保最终用户的数据完整性和隐私。
4.实时分析
实时分析提供对流量模式、用户行为和系统性能的洞察。
通过持续监控这些指标，CDN 可以动态调整配置以优化内容交付。分析还有助于在潜在问题影响用户之前识别它们，从而实现主动管理。
5. PoP 的全球分布
战略性地放置 PoP 对于最大程度降低延迟至关重要。分布良好的 CDN 网络架构可确保始终从地理位置最接近用户的位置提供内容。
这种全球分布对于服务多样化的国际受众以及在不同时期在不同地区保持一致的表现尤为重要。
CDN 设计的四大支柱
CDN 架构可以分解为几个构建块，称为 CDN 设计的四大支柱。
可靠性
可靠性是保持一致用户体验的基础。当边缘服务器出现故障时，受影响区域的最终用户可能会遇到该特定位置的延迟增加。这是因为他们的请求需要重新路由到备用服务器，而该服务器可能距离用户的位置更远。
CDN 应采用传播设计，因为它可以增强内容可用性、减轻服务器故障的影响、最大限度地减少由于流量重新路由导致的延迟，并极大地帮助 CDN 的恢复和弹性。
表现
PoP 的数量和分布对性能至关重要。在不同位置拥有更多 PoP 可将内容拉近到最终用户，并最大程度地缩短数据传输距离，从而减少延迟。
确保您的 CDN 提供商拥有广泛且分布良好的网络覆盖范围，并拥有大量 PoP。更大的网络覆盖范围允许将内容缓存在更靠近最终用户的位置，从而减少延迟并提高性能。
可扩展性
在规划可扩展性时，评估您的业务路线图并确定您计划扩展的目标区域至关重要。您的 CDN 应该在这些位置战略性地放置边缘服务器。这些优化可确保您的 CDN 能够满足不断增长的用户需求，同时保持快速高效的内容交付。
响应能力
边缘缓存是另一个有助于提高响应能力的基本构建块。通过在 PoP 内的边缘服务器上缓存经常访问的内容，CDN 减少了从源服务器检索内容的需要。这可以最大限度地缩短响应时间，提高内容交付速度，并提高最终用户的整体响应能力。
CDN 拓扑
CDN 拓扑描述了网络的组织方式及其组件如何互连以高效地向最终用户提供内容。以下是几个示例。
集中式 CDN
在集中式 CDN 中，重点放在战略性地位于主要国家/城市的大型 PoP 上，而分布式 CDN 旨在在每个城市中都有多个 PoP，以最大限度地缩短内容服务器和最终用户之间的距离。
优点
- 由于 PoP 更大，边缘的缓存容量显著增加。
- 敏捷配置部署 - 由于 PoP 数量少得多，配置部署更加简单、快捷
- 降低维护成本——CDN 需要在更少的数据中心内维持存在
缺点
- 由于 PoP 数量较少，因此 RTT 较高。平均而言，与分布式 CDN 相比，集中式 CDN 的“边缘”PoP 往往距离最终用户较远。
- 不同地区的性能不一致——少量的 PoP 可能会导致不同地理位置的性能出现显著差异。
分布式 CDN
在分布式 CDN 中，PoP 会策略性地定位或分散在更多不同的区域或网络位置，以最大限度地减少延迟并提高内容交付性能。重点是提供最佳的物理接近度，因此经常可以看到许多 PoP 聚集在彼此相距一小段半径内。
分布式CDN受其租用的本地网络基础设施的影响较大，发展中国家与发达国家之间存在较大差异。
优点
- 更近的物理距离可最大限度地减少延迟（RTT）——在分布式 CDN 中，PoP 尽可能靠近最终用户
- 在低连接区域的速度更快 - 分布式 CDN 的影响在低连接区域中变得更高，因为在这些区域中，与分布式 CDN 相比，集中式 CDN 边缘 PoP 的 RTT 要高得多。
缺点
- 分布式 PoP 带来了更多复杂性并增加了维护成本 - 需要 CDN 在更多数据中心中维持存在
- 部署新的配置更加麻烦 - 因为网络更加分布，配置更新、清除和更多操作需要更多时间（更多位置和服务器应该同步）。
- 由于分布式架构的目标是尽可能接近最终用户，因此缓存管理成为一个问题。每个 PoP 都试图让内容尽可能“热门”，这导致许多覆盖范围相对较小的小型 PoP 都保存着相同的内容。
在这种情况下，缓存未命中将导致 PoP 访问远程数据中心来获取内容。
- 与集中式解决方案相比，边缘缓存未命中率更高 - 与集中式 CDN 相比，分布式 CDN 中的 PoP 要小得多，因此边缘缓存未命中的可能性增加。不过，由于上述缓存管理问题，缓存未命中率甚至更高。
在 CDN（内容分发网络）行业发展的早期，成功构建一个将内容尽可能地带到最终用户的网络被认为是一项重大的商业成就。然而，随着时间的推移，基础设施的质量显著提高，与集中式系统相比，分布式 CDN 的优势逐渐减弱。
CDN架构优化
如果您选择分布式 CDN，您可能需要考虑在 CDN 中使用缓存层。缓存层是一种组织缓存基础架构的方法，可以提高缓存命中率和整体性能。这就是 Origin Shield 发挥作用的地方。
Origin Shield 是分布式 CDN 中缓存层架构的重要组成部分。它是 CDN 中使用的一种缓存机制，用于防止源服务器在缓存未命中期间因大量请求而无法承受。
Origin Shield 充当中间的缓冲区。它减少发送到源服务器的请求数量以降低成本，并提高 CDN 拓扑内内容交付的整体效率。