搜索

首页 >web前端 >js教程 >分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理

分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理

Linda Hamilton
Linda Hamilton原创
2024-11-17 10:42:04395浏览

Unbundling Content Delivery Network Architecture: How CDN Work

在当今瞬息万变的数字世界中，快速可靠地交付内容比以往任何时候都更加重要。无论是流式传输高清视频还是确保流畅访问动态 Web 应用程序，内容交付的速度和效率都可以决定用户体验。这种无缝分发的核心是内容分发网络 (CDN)。本文探讨了 CDN 架构的复杂性，分解其组件以了解 CDN 的运行方式。我们还将通过 Node.js 和 Python 中的代码示例深入探讨实际实现，以演示 CDN 集成。

目录

  1. 简介
  2. 什么是 CDN？
  3. 传统CDN架构
  4. 分拆 CDN 架构
    • 边缘服务器与源服务器
    • 缓存策略
    • 负载均衡
    • DNS 解析
    • 安全功能
  5. CDN 的工作原理
    • 请求流程
    • 缓存机制
    • 内容交付
  6. 实施 CDN 集成
    • 将 CDN 与 Node.js 结合使用
    • 通过 Python 使用 CDN
  7. 高级 CDN 功能
    • 边缘计算和无服务器功能
    • 实时分析和监控
    • 协议增强：HTTP/2 和 HTTP/3
  8. 优势与挑战
  9. CDN 的未来
  10. 结论
  11. 参考文献

介绍

内容交付网络 (CDN) 是现代互联网的无名英雄，确保全球用户能够快速可靠地访问数字内容。通过在地理上分散的服务器网络上传播内容，CDN 可以减少延迟、减少带宽使用并提高总体用户满意度。随着对更快、更高效的内容交付的需求猛增，了解 CDN 的构建方式和功能对于开发人员和企业来说变得至关重要。

什么是 CDN？

内容交付网络 (CDN) 是一个分布式服务器网络，旨在根据用户的地理位置、内容来源和内容交付服务器类型向用户交付 Web 内容和其他数字资产。 CDN 的主要目标是通过从物理上更接近最终用户的服务器提供内容来最大程度地减少延迟并缩短加载时间。

CDN 的主要功能：

  • 内容缓存：在多个位置存储内容副本以确保快速访问。
  • 负载平衡：在多个服务器之间有效分配用户请求，以防止任何单个服务器不堪重负。
  • 安全性：防范分布式拒绝服务 (DDoS) 攻击并确保数据传输安全。
  • 优化：通过压缩和缩小等技术提高内容交付速度。

传统CDN架构

传统 CDN 由多个关键组件组成，这些组件协同工作以高效、安全地交付内容：

  1. 原始服务器：存储原始内容的主服务器。
  2. 边缘服务器：距离最终用户更近的分布式服务器，用于缓存和交付内容。
  3. DNS 服务器： 将用户请求路由到最近的边缘服务器。
  4. 负载均衡器：在多个服务器之间分配传入流量以防止过载。
  5. 代理服务器：充当客户端请求从其他服务器寻求资源的中介。

分拆 CDN 架构

要真正掌握 CDN 的运作方式，将其架构分解为单独的组件会很有帮助。这种方法阐明了每个部分在确保高效内容交付方面所扮演的角色。

边缘服务器与源服务器

  • 源服务器：这些是原始内容所在的中央枢纽。当边缘服务器没有缓存请求的内容时，它会联系源服务器来获取它。

  • 边缘服务器：战略性地放置在各个地理位置，边缘服务器将缓存的内容存储在更靠近最终用户的位置，从而显着减少延迟并缩短加载时间。

缓存策略

缓存是 CDN 功能的基石，决定内容的存储和服务方式和位置。常见的缓存策略包括：

  • 静态内容缓存：这涉及存储不变的资源，例如图像、CSS 和 JavaScript 文件。

  • 动态内容缓存：更复杂，涉及经常更改的内容。 Edge Side Includes (ESI) 等技术用于缓存部分动态内容。

  • 生存时间 (TTL)： 定义内容在刷新之前保留缓存的时间。通常，动态内容的 TTL 较短，而静态内容的 TTL 较长。

Node.js 示例：设置缓存控制标头

const express = require('express');
const app = express();

app.use('/static', express.static('public', {
  maxAge: '1y', // Cache static assets for one year
}));

app.get('/dynamic', (req, res) => {
  res.set('Cache-Control', 'no-cache');
  res.send('<h1>Dynamic Content</h1>');
});

app.listen(3000, () => console.log('Server running on port 3000'));

图 2：Node.js 中的缓存控制标头

负载均衡

负载平衡确保传入流量均匀分布在多个服务器上，防止任何单个服务器成为瓶颈。常见的负载平衡技术包括：

  • 循环： 以顺序方式分发请求。
  • 最少连接： 将流量定向到活动连接最少的服务器。
  • IP 哈希： 根据客户端的 IP 地址分配请求。

Python 示例：使用 Flask 的简单负载均衡器

const express = require('express');
const app = express();

app.use('/static', express.static('public', {
  maxAge: '1y', // Cache static assets for one year
}));

app.get('/dynamic', (req, res) => {
  res.set('Cache-Control', 'no-cache');
  res.send('<h1>Dynamic Content</h1>');
});

app.listen(3000, () => console.log('Server running on port 3000'));

图 3：Python 中的基本负载均衡器

DNS解析

域名系统 (DNS) 对于 CDN 至关重要，因为它将用户请求定向到最近的边缘服务器。当用户请求内容时，DNS 解析器会根据地理位置邻近度和当前服务器负载等因素识别最佳边缘服务器。

安全特性

CDN 通过各种机制增强安全性：

  • DDoS 防护： 吸收并减轻分布式拒绝服务攻击。
  • Web 应用程序防火墙 (WAF)： 过滤和监控 Web 应用程序与互联网之间的 HTTP 流量。
  • SSL/TLS：对用户和CDN之间的数据进行加密，确保安全传输。

CDN 的工作原理

了解 CDN 的工作流程有助于解释其架构组件如何交互以高效地交付内容。

请求流程

  1. 用户请求：用户访问网站或应用程序。
  2. DNS 查找：请求触发 DNS 查询，将域名解析为 IP 地址。
  3. 路由到边缘服务器：根据 DNS 响应，用户被定向到最近的边缘服务器。
  4. 缓存检查：边缘服务器检查是否缓存了请求的内容。
    • 缓存命中：内容直接传送给用户。
    • 缓存未命中：边缘服务器从源服务器获取内容。
  5. 内容交付：内容被提供给用户，边缘服务器将其缓存以供将来的请求。

缓存机制

缓存涉及在边缘服务器上存储内容副本以加快交付速度。 CDN 根据 Cache-Control 和 Expires 等标头确定缓存策略。动态内容需要更复杂的缓存策略，通常涉及部分缓存或实时内容生成。

内容交付

一旦缓存，内容交付就会很快，因为资源是从距离用户更近的位置提供的。这种邻近性不仅减少了延迟，还减轻了源服务器的负载，确保了流量高峰期间的可扩展性。

实施 CDN 集成

将 CDN 集成到您的应用程序中可以显着提高性能和可靠性。以下是一些实际示例，演示如何在 Node.js 和 Python 应用程序中设置和使用 CDN。

将 CDN 与 Node.js 结合使用

Node.js 应用程序可以轻松与 CDN 集成，以高效地提供静态资产。以下是如何设置一个简单的 Express 服务器以利用 CDN 来提供静态文件。

const express = require('express');
const app = express();

app.use('/static', express.static('public', {
  maxAge: '1y', // Cache static assets for one year
}));

app.get('/dynamic', (req, res) => {
  res.set('Cache-Control', 'no-cache');
  res.send('<h1>Dynamic Content</h1>');
});

app.listen(3000, () => console.log('Server running on port 3000'));

图 4：Express 服务器通过 CDN 提供静态文件

与 CDN 提供商集成

要与 Cloudflare 或 AWS CloudFront 等 CDN 提供商连接，您通常需要更新 DNS 设置以将您的域指向 CDN。此设置允许 CDN 处理您的内容的分发。以下是如何使用 Node.js 应用程序配置 AWS CloudFront 的示例：

from flask import Flask, request
import requests

app = Flask(__name__)

servers = ['http://localhost:5001', 'http://localhost:5002']
current = 0

@app.route('/')
def load_balance():
    global current
    server = servers[current]
    current = (current + 1) % len(servers)
    response = requests.get(server + request.path)
    return response.content

if __name__ == '__main__':
    app.run(port=5000)

图 5：重定向到 Node.js 中的 CDN 托管内容

将 CDN 与 Python 结合使用

Python 应用程序，尤其是使用 Flask 或 Django 等框架构建的应用程序，也可以利用 CDN 高效地提供静态和媒体文件。

Flask 示例：通过 CDN 提供静态文件

import 分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理 from './分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理.svg';
import './App.css';

function App() {
  return (
    <div classname="App">
      <header classname="App-header">
        <img src="%7B%E5%88%86%E6%8B%86%E5%86%85%E5%AE%B9%E4%BA%A4%E4%BB%98%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%B6%E6%9E%84%EF%BC%9ACDN" classname="App-分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理" alt="分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理">
        <p>
          Edit <code>src/App.js</code> and save to reload.
        </p>
        <a classname="App-link" href="https://reactjs.org" target="_blank" rel="noopener noreferrer">
          Learn React
        </a>
      </header>
    </div>
  );
}

export default App;

图 6：引用 CDN 托管资产的 HTML 模板

Flask 应用程序代码

const express = require('express');
const app = express();
const path = require('path');

const CDN_URL = 'https://your-cloudfront-distribution.cloudfront.net';

app.use('/static', express.static(path.join(__dirname, 'public'), {
  maxAge: '1d',
  setHeaders: (res, path) => {
    if (path.endsWith('.html')) {
      res.setHeader('Cache-Control', 'no-cache');
    }
  },
}));

app.get('/', (req, res) => {
  res.redirect(`${CDN_URL}/index.html`);
});

app.listen(3000, () => console.log('Server running on port 3000'));

图 7：Flask 应用程序为静态文件集成 CDN

Django 示例：使用 CDN 配置静态文件

在 Django 中，集成 CDN 涉及将 STATIC_URL 设置为指向 CDN。



    <meta charset="UTF-8">
    <title>CDN Integration Example</title>
    <link rel="stylesheet" href="%7B%7B%20cdn_url%20%7D%7D/css/styles.css">


    <h1>Welcome to CDN-Integrated Flask App</h1>
    <img src="%7B%7B%20cdn_url%20%7D%7D/images/%E5%88%86%E6%8B%86%E5%86%85%E5%AE%B9%E4%BA%A4%E4%BB%98%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%B6%E6%9E%84%EF%BC%9ACDN%20%E7%9A%84%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E5%8E%9F%E7%90%86.png" alt="Logo">
    <script src="%7B%7B%20cdn_url%20%7D%7D/js/scripts.js"></script>

运行以下命令来收集静态文件：

from flask import Flask, render_template

app = Flask(__name__)

CDN_URL = 'https://your-cdn-domain.com/static'

@app.route('/')
def home():
    return render_template('index.html', cdn_url=CDN_URL)

if __name__ == '__main__':
    app.run(debug=True)

图 8：CDN 集成的 Django 设置

高级 CDN 功能

现代 CDN 提供了一系列超越基本内容交付的高级功能，还增强了性能、安全性和可扩展性。

边缘计算和无服务器功能

CDN 越来越多地集成边缘计算功能，使开发人员能够在更靠近最终用户的位置运行无服务器功能。这不仅可以减少延迟，还可以实现实时数据处理。

示例：使用 AWS Lambda@Edge 部署无服务器函数

Lambda@Edge 允许您执行代码以响应 CloudFront 生成的事件，例如查看器请求或源响应。以下是 Lambda 函数修改 HTTP 标头以增强安全性的简单示例：

const express = require('express');
const app = express();

app.use('/static', express.static('public', {
  maxAge: '1y', // Cache static assets for one year
}));

app.get('/dynamic', (req, res) => {
  res.set('Cache-Control', 'no-cache');
  res.send('<h1>Dynamic Content</h1>');
});

app.listen(3000, () => console.log('Server running on port 3000'));

图 9：用于修改 HTTP 标头的 AWS Lambda@Edge 函数

实时分析和监控

现代 CDN 提供全面的分析仪表板，可以深入了解流量模式、缓存性能和安全威胁。通过集成这些分析，企业可以做出数据驱动的决策来优化内容交付。

Python 示例：使用 AWS SDK 获取 CDN 分析

from flask import Flask, request
import requests

app = Flask(__name__)

servers = ['http://localhost:5001', 'http://localhost:5002']
current = 0

@app.route('/')
def load_balance():
    global current
    server = servers[current]
    current = (current + 1) % len(servers)
    response = requests.get(server + request.path)
    return response.content

if __name__ == '__main__':
    app.run(port=5000)

图 10：使用 Python 中的 AWS SDK 获取 CDN 指标

协议增强：HTTP/2 和 HTTP/3

CDN 利用 HTTP/2 和 HTTP/3 等高级协议，通过多路复用、标头压缩和改进的连接管理等功能来增强性能。这些协议减少了延迟并提高了资源加载效率。

Node.js 示例：在 Express 服务器中启用 HTTP/2

import 分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理 from './分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理.svg';
import './App.css';

function App() {
  return (
    <div classname="App">
      <header classname="App-header">
        <img src="%7B%E5%88%86%E6%8B%86%E5%86%85%E5%AE%B9%E4%BA%A4%E4%BB%98%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%B6%E6%9E%84%EF%BC%9ACDN" classname="App-分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理" alt="分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理">
        <p>
          Edit <code>src/App.js</code> and save to reload.
        </p>
        <a classname="App-link" href="https://reactjs.org" target="_blank" rel="noopener noreferrer">
          Learn React
        </a>
      </header>
    </div>
  );
}

export default App;

图 11：使用 Express 在 Node.js 中启用 HTTP/2

优势与挑战

CDN 的优点

  • 减少延迟：从距离用户较近的服务器提供内容可减少数据到达用户所需的时间。

  • 可扩展性：CDN 可以轻松处理大量流量，在不影响性能的情况下适应高峰。

  • 增强的安全性：内置安全功能可防止常见的网络威胁和攻击。

  • 成本效率：将流量卸载到边缘服务器可降低带宽成本并降低源服务器的负载。

CDN 的挑战

  • 初始设置复杂性：配置和优化 CDN 需要对其架构和设置有深入的了解。

  • 缓存失效：确保过时的内容及时刷新可能很棘手，特别是对于动态内容。

  • 对提供商的依赖：依赖第三方 CDN 提供商可能会引入可能与特定应用程序要求不符的依赖关系。

  • 大规模成本：虽然 CDN 在一定程度上具有成本效益，但非常高的流量可能会导致大量费用，尤其是带宽密集型应用程序。

CDN 的未来

CDN 的未来正在由物联网 (IoT)、边缘计算和 Web3 技术的集成塑造。去中心化方法正在蓬勃发展，为传统中心化模型提供了替代方案。此外，边缘计算的进步使得更复杂的处理任务能够卸载到边缘服务器，从而进一步增强性能和功能。

新兴趋势：

  • 无服务器边缘计算：将无服务器架构与边缘计算相结合，使开发人员能够部署更靠近用户运行的功能，减少延迟并增强可扩展性。

  • 人工智能驱动的优化：利用人工智能来预测流量模式、优化缓存策略并实时加强安全措施。

  • 区块链集成：利用区块链进行去中心化的 CDN 管理、内容交付的透明度以及激励节点参与。

去中心化 CDN：

去中心化内容交付网络（dCDN）在由不同参与者运营的节点网络上分发内容，而不是依赖于单个提供商的边缘服务器。这种方法增强了弹性，减少了对单点故障的依赖，并且经常利用区块链技术进行协调和激励。

Web3 示例：

  • IPFS（星际文件系统）：一种点对点协议，旨在通过在众多节点上分发内容来使网络更快、更安全、更开放。 IPFS 根据文件内容而不是位置来识别文件，确保文件添加后，可以从多个节点检索它。

  • Filecoin：Filecoin 建立在 IPFS 之上，激励用​​户提供存储空间以换取代币。这创建了一个去中心化存储网络，其中内容被持久存储并可从各个节点检索。

  • Arweave： 一种去中心化存储网络，通过利用名为 Blockweave 的新颖的类似区块链的结构来提供永久数据存储。 Arweave 确保内容可以无限期地访问，而无需依赖集中式服务器。

const express = require('express');
const app = express();

app.use('/static', express.static('public', {
  maxAge: '1y', // Cache static assets for one year
}));

app.get('/dynamic', (req, res) => {
  res.set('Cache-Control', 'no-cache');
  res.send('<h1>Dynamic Content</h1>');
});

app.listen(3000, () => console.log('Server running on port 3000'));

图 12：Filecoin 智能合约示例

在此示例中，一个简单的智能合约允许用户上传和检索文件元数据，并将其链接到 IPFS 中的内容寻址 CID（内容标识符）。

结论

内容交付网络是现代互联网基础设施的支柱，确保数字内容快速、安全、可靠地交付给全球用户。通过分解 CDN 架构，我们更清楚地了解每个组件如何对整体性能和效率做出贡献。将 CDN 集成到应用程序中，无论是使用 Node.js 还是 Python 构建，都可以通过减少延迟和缩短加载时间来显着增强用户体验。

随着技术不断进步，CDN 也在不断进步。它们正在不断发展，为优化和去中心化提供新的机会。去中心化 CDN 模型的兴起与人们对 Web3 技术的日益重视相一致，为传统集中式系统提供了弹性且可扩展的替代方案。无论是通过成熟的 CDN 提供商还是创新的去中心化网络，CDN 都将始终处于优化和保护数字内容交付的最前沿。

参考

  1. 什么是 CDN？ - Cloudflare
  2. AWS CloudFront 文档
  3. Express.js 官方网站
  4. Flask 官方文档
  5. Django 文档
  6. IPFS官方网站
  7. Filecoin官方网站
  8. Arweave 官方网站
  9. IPFS 与 CDN - 分析
  10. AWS Lambda@Edge 文档
  11. HTTP/2 解释
  12. HTTP/3 概述

以上是分拆内容交付网络架构：CDN 的工作原理的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！

Python JavaScript swift django flask css html edge express Static Resource if for while include break Lambda using JS function this location table serverless http ssl iot ddos web3 Access
声明：
本文内容由网友自发贡献，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容，请联系admin@php.cn
上一篇：Should You Disable the Back Button in Web Development?下一篇：Can You Dynamically Name JavaScript Functions Without Using `eval` or Non-Standard Features?

相关文章

查看更多