计算机网络-CDN

计算机网络-CDN

CDN概念

CDN是一种地理分布式网络，由高速主干网络连接的数据中心内的代理和文件服务器组成。CDN 用于减少网站或服务中一组指定文件和对象的延迟和加载时间。CDN可能有数千个节点，以最佳方式处理来自任何位置的传入请求。

解决了什么问题

CDN主要可以解决以下问题：

• 性能问题
  • 离用户远（如服务器在美国，用户在中国、欧洲访问），内容分发效率低（访问速度慢）
  • 当大量用户同时访问这一台服务器时，系统可能瘫痪
• 安全问题
  • 当服务器客户端直连分发时，攻击者可以直接定位到源站，进行攻击。当采用CDN之后，攻击者可能攻击的不是源站，而是源站的拷贝节点。

访问的局部性

注：上图是zipf定律的累计分布函数

网页的访问遵循zipf定律：

• 80-20准则：20%的内容吸引80%的访问
• 排名第i位的内容访问次数yi~1/i^s(Log-log坐标中，是一条直线)
• zipf定律给予的启示：
  • Web Cache：在靠近用户网络的地方缓存流行内容(20%)，后续请求不需要再到原服务器（被动）
    • 运营商采用（如电信），节省流量
  • CDN:把内容拷贝到不同地域的多台服务器，减轻服务器负载，提升用户感知的质量（主动）
    • 内容提供商（如PPTV），提升服务质量

Web Cache

原理图

Web Cache的不足

• 存在版权、内容更新问题
• 很多类型的内容不能缓存（缓存后不起作用）
  • 动态数据：股票信息、交互数据等
  • 依赖于参数或者Cookies的数据（不同类型的客户端导致数据不同，即使缓存，如果缓存的数据与访问的客户端不对应，也无效）
  • 加密的数据（HTTPS）：80%以上的流量

CDN核心问题及方案

选择哪个CDN服务器？

也就是说，如果一个客户端访问采用CDN加速的站点，那么这个客户端会优先访问该站点的哪个服务器？

• 负载轻的服务器
• 性能高的处理器
  • 较高的处理能力、带宽等
• 距离客户端近的服务器
  • 距离可以是物理距离（IP地址的地理位置），也可以用RTT来衡量
• 成本（包括带宽、能耗等）较低的服务器

以下是大模型的答案：
当客户端访问CDN（内容分发网络）加速的站点时，确定客户端所访问的CDN服务器的过程涉及多个步骤和因素。以下是这一过程的概述：

DNS解析：
客户端首先会通过DNS（域名系统）查询站点的IP地址。由于站点使用了CDN服务，其DNS记录通常会指向CDN提供商的DNS服务器。
CDN提供商的DNS服务器会根据客户端的地理位置、网络状况、CDN节点的负载情况等因素，选择一个最优的CDN节点（即CDN服务器）来服务该客户端。
HTTP请求：
一旦DNS解析完成，客户端会向选定的CDN节点发起HTTP请求。
在HTTP请求中，客户端的IP地址、请求的URL、浏览器类型等信息都会被发送到CDN服务器。
CDN服务器选择：
CDN网络通常具有多个分布在全球各地的服务器节点。这些节点存储了站点内容的缓存副本。
CDN提供商的调度系统会根据一系列算法（如负载均衡算法、地理位置算法等）来确定哪个CDN节点最适合为该客户端提供服务。这个决策过程会考虑到网络延迟、服务器负载、内容缓存的可用性等因素。
响应返回：
一旦选定了CDN服务器，该服务器就会处理客户端的请求，并返回所请求的内容。
如果CDN服务器上没有缓存所请求的内容，它可能会向源服务器（即站点的原始服务器）发起回源请求，以获取内容并缓存到本地，然后再返回给客户端。
在这个过程中，客户端通常不需要直接知道它正在访问哪个CDN服务器。整个过程对客户端来说是透明的，客户端只需要通过DNS解析和HTTP请求来获取站点内容即可。而CDN提供商的DNS服务器和调度系统则负责确保客户端能够高效地访问到最近、最快的CDN节点。

CDN服务器缓存什么内容？

• 缓存经常访问的内容（20%）（预测流行度）
• 如果存不下怎么办？
  • 部分缓存（减少不必要的存储）
    • 内容级别：不流行的内容不要存多份
    • 内容块级别：只存部分内容块（例如：只存储视频开头的一部分）
  • 缓存替换（算法）
    • B-LRU:大部分内容（～70%）只请求一次，用Bloomfilter（一种数据结构）记录是否请求过，请求大于2次进入缓存。
    • LRU：即最近最少使用，是一种常用的页面置换算法，选择最近最久未使用的页面予以淘汰。
    • LFU：即最不经常使用页置换算法，要求在页置换时置换引用计数最小的页，因为经常使用的页应该有一个较大的引用次数。
    • Belady：假设已知后续请求序列，替换最晚被访问的（最佳置换算法，无法实现）

CDN与视频

DASH概念（了解）

DASH：基于HTTP的动态自适应流

QOS VS QOE

• QOS：服务质量，主要关注网络传输的技术指标，包括带宽、延迟、抖动、丢包率等。这些指标可以通过网络测量工具进行客观测量和评估。（客观）
• QOE：体验质量（用户体验），从用户的角度出发来衡量网络质量的好坏（用户的主观感受）（例如：关注用户的满意度）。

QOE视频主要关注哪些参数

• 高码率
• 少卡顿
• 少切换

直播时延分类

• 采集和编码
• 发送
• 分发（比重很大）
• 接收
• 解码+渲染

视频高卡顿

视频高卡顿主要分为：

• 卡顿次数（更重要）
• 卡顿时间

致谢

    [1] https://learn.microsoft.com/zh-cn/microsoft-365/enterprise/content-delivery-networks?view=o365-worldwide
    [2] 上图的课件来自于孙毅老师的计算机网络课程。