摘要：CDN作为互联网重要的基础设施，其提供了静态加速、动态加速、流媒体加速，以及安全防护功能，在保证用户体验感、优化网络资源配置方面，发挥着重要的支撑作用。文章分析了CDN的市场发展趋势、系统架构、性能指标、计费模式，探讨了CDN的主要应用场景，以及对新型业务场景的展望。
短视频的爆发，使抖音、快手等社交媒体成为现象级的产品，实时交互、流畅观看高清视频，是用户的核心需求。这一切，都离不开互联网的“加速器”——CDN（内容分发网络）技术。1998年，美国麻省理工学院数学教授Tom Leighton及他的学生Danny Lewin发明了CDN技术，并成立全球首家CDN网络运营商——Akamai公司，这一时期的CDN技术主要是满足基于HTTP的静态页面加速。2000年中国互联网经济开始兴起，蓝汛通信将CDN技术引入中国，获得信息产业部批准的CDN试运行许可证，此后网宿科技等传统CDN厂商陆续成立。2008年3G牌照发放以后，视频业务成为CDN发展的重要引擎，CDN行业开始快速发展，引起包括运营商在内的科技公司的高度关注。2014年，阿里云、腾讯云等云厂商进入CDN领域，引起行业大洗牌，传统CDN厂商市场份额大为缩减，CDN服务内涵由传统的互联网内容加速逐步面向移动互联网资源有效管理方向演进。CDN技术日趋成熟，多场景应用趋向多样化，市场竞争十分激烈。截至2023年5月9日，据不完全统计，获得CDN牌照的企业达到4449家。CDN市场运营主体主要由阿里云、腾讯云为代表的云CDN厂商，网宿科技等传统CDN厂商，以及三大电信运营商构成。从收入结构来看，视频、游戏和电商是当前CDN主要流量和收入来源。据韦伯咨询发布的<<2023年中国内容分发网络（CDN）行业专题调研与深度分析报告>>预测,预计未来5年中国CDN行业市场将以23%的年复合增长率继续保持较快增长,预计到2027年,中国CDN行业的市场规模将超过1400亿元。CDN的基本原理是，通过部署不同层次的缓存服务器集群，通过核心调度平台的内容分发功能，降低网络拥塞，提高访问速度，使用户就近获取内容。CDN从逻辑架构上可以抽象为三个层次，从上到下依次分为调度控制层、内容中心层和服务节点层，各层次之间为松耦合架构，方便跨厂商设备异构组网。从实际运营视角来看，CDN核心子系统由调度系统、节点系统和运营支撑系统组成。依据CDN业务面向的客户群体不同，CDN核心子系统略有差异。针对微信公众号、个人网站等C端用户，基于CDN管控能力对外开放的需求，阿里云等云计算厂商还增加了用户控制台子系统。调度系统是整个CDN系统的“灵魂”，为动态加速、流媒体加速等业务场景提供核心调度能力，包括DNS、HTTP DNS调度解析服务，节点资源调度服务，调度策略维护等，结合业务画像和资源画像进行业务与资源的匹配，采用业务自然错峰复用等技术手段，摊薄业务运营成本，实现业务质量和成本优化目标的最大化。CDN节点系统作为CDN“骨架”，包括缓存服务、安全防护、日志收集、状态检查、内容管理等，由数量众多的边缘CDN节点组成，直接面对终端用户。节点系统的关键技术包括多级缓存、流量负载均衡、接入域网关等。CDN运营支撑系统是CDN系统的“业务管家”，提供日志分析、系统监控、域名配置管理、节点配置管理、内容管理及对外的API服务。从节点部署来看，不同的CDN运营主体网络结构略有不同。运营商搭建的CDN网络倾向于IPTV、手机流量包等内部业务应用，通常采用核心、汇聚和接入三层架构。而云CDN厂商则更多采用扁平式、分布式架构，构建多级缓存CDN节点网络。从网络视角来看，评估CDN性能的有命中率、并发时间、响应时间和吞吐量等指标。从目前商用CDN系统来看，包括阿里云、腾讯云、华为云在内，均采用时延、丢包率、回源率和命中率这四个通用指标来评估CDN加速效果。时延和丢包率指标与CDN节点所处的运营商网络结构、出口带宽、机房环境等相关，这两个指标的优劣，直接影响到CDN整体系统效能。时延和丢包率不仅用来评估CDN网络质量，也是CDN节点建设前的首要带宽评测指标。通常来讲，从CDN节点所处机房发起时长为7天左右的千兆带宽压力测试，要求省内时延10ms以内，跨省时延20ms以内，丢包率为0。回源率和命中率指标用来评估CDN的系统效能，与CDN调度系统调度算法、节点系统缓存架构等相关。所谓回源，即当用户访问某热点内容时，如果被解析到的CDN 节点没有缓存相应的内容，或者是缓存已经到期，就会回到源站去获取。按照统计角度的不同，回源率可以分为回源请求数占比和回源流量占比，通常使用回源流量占比。回源流量增加，将会增加额外的带宽成本，因此回源率越低，证明CDN效能越好。缓存命中率是CDN的核心指标之一，与回源率呈负相关的关系，命中率越高，回源流量越小，回源率越小。命中率同样也有请求数和流量两种计算方式。在没有使用CDN时，用户都要到源站获取内容，因此回源率是100%，缓存命中率是0。当使用CDN后，缓存命中率会上升，回源率会降低，延时、丢包率也会相应的降低。通常命中率要达到90%以上，才能说明CDN的性能较好。针对不同的业务场景，除以上四个通用指标以外，还有其它更为具体的性能指标用以评测CDN加速效果。例如，加速图片小文件应用场景的主要性能指标有首包时间、建立连接时间、传输时间；加速大文件下载应用场景的主要性能指标有下载速度和下载总时间；加速视音频点播应用场景的主要性能指标有首播时间和卡顿率。CDN运营成本主要在于租用的带宽资源，如何降低带宽成本是CDN厂商着重考虑的问题。目前，业内通常使用的计费方式有95计费、日峰带宽计费和包端口计费三种。95计费是国内外CDN行业通行计费规则，其基本逻辑是将峰值流量的5%不做计费，只对剩余的95%进行流量计费。具体的规则是：对计费端口每5分钟记录一个取样点，1个小时12个点，1天12*24个点，一个月按30天算12*24*30=8640个点，从高到低降序排序，然后把数值最高的5%的点去掉，剩下的最高带宽就是95计费值。接入端口通常为万兆口，也有百G端口，计费规则通常采用同时段合并端口计费，如果每个端口流量是均衡的，也有采用分端口合并端口计费的。这种计费模式的优点是，CDN厂商可以有约36个小时的高峰突发带宽不用计费，通常运营商会要求有保底值，业内常见为30%、40%。日峰带宽计费与月95计费类似，也是按每5分钟取样，不同的是日峰带宽计费是以每天带宽峰值作为当天计费取样点，然后按有效使用天数取带宽峰值平均值作为当月计费值。包端口计费方式则与带宽流量无关，CDN厂商每月支付固定端口使用费。另外，PCDN也是采用固定付费方式。所谓PCDN，即采用P2P技术，利用家庭宽带等边缘网络资源搭建的CDN。PCDN对现有CDN价格体系冲击较大，目前受到运营商的抵制。由于日峰带宽计费、包端口对运营商的带宽运营价值有较大影响，通常较少采用。但云CDN厂商在面对直接客户时，则灵活得多，针对不同的客户应用场景，可以采用95计费、日峰带宽计费，以及带宽流量计费。CDN在电商、游戏、视频、教育、零售、传媒等行业有着广泛应用，不同的CDN厂商面对的客户群体侧重点虽然有所不同，但应用场景并没有太大的区别，主要应用场景包括动静态加速、视频加速、CDN安全防护等。静态文件加速是CDN基础能力，按照加速对象大小不同，又可以分为图片小文件加速、大文件加速。图片小文件加速适用于各类门户、电商、新闻资讯、娱乐游戏网站，能够对网站html、css、js等静态文件、软件安装包等进行加速，以解决终端用户访问慢、跨区访问质量差、源站高并发压力大等问题。20M以上的游戏安装包、手机ROM升级等大文件，则适用大文件加速场景。随着4G/5G网络带宽的大幅提升，越来越多的的动态内容出现在网络中，这一类业务往往对时延、抖动和可用性等要求很高，并且在内容上呈现明显的个体差异，不能简单地通过静态缓存来分发，因此必须要采用动态加速。动态类加速场景，按协议视角可分为两大类，一种是标准HTTP类，常见的标准HTTP类主要集中在服务登录、推荐服务接口、数据上报、金融交易等方面。另外一种是非标准协议，业务上主要是一些TCP、UDP私有协议，常见的典型场景有弹幕、游戏信令、FTP上传等。根据视频播放方式，视频加速场景可以分为视频点播和实时流媒体加速。目前视频点播流量在整个CDN流量中占比最大，用户将原始视频文件存储在源站，CDN根据策略对原始视频文件做一系列处理优化，将处理后的内容缓存在CDN边缘节点上，给用户提供自适应限速、全网限流、点播防盗链、点播封禁等功能。实时流媒体加速对技术、资源要求最高，要求端到端延迟400ms以内，典型的应用有直播连麦和云会议。CDN安全防护不是孤立场景，可以结合全站加速、视频加速来使用。CDN通过边缘的负载均衡网元提供高带宽、高可用服务能力的同时，结合四七层能力，实现多层次流量清洗，将网络攻击及恶意访问拦截在CDN边缘节点，减少源站访问压力和安全风险。随着5G网络的逐步完善，超高清视频、实时互动类业务的发展有了落地的基础，SDN/NFV、云计算、MEC及边缘计算等技术正在深刻改变着CDN，IoT、AR/VR、自动驾驶、智慧城市等新型业务场景不断涌现，CDN将在边缘云化的基础上，发挥更大的作用。说明：文末略去了参考文献部分，主要参考了阿里云CDN团队写的<<CDN技术架构>>、雷葆华著<<CDN技术详解>>。此前打算做职称论文使用，不过现在没用了，有需要的同学，可以后台联系版权。转发请注明出处。学术论文、职称论文和网规论文的结构是截然不同，网规论文更像是技术实施方案总结。
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