浅谈 DNS 解析与 CDN 原理

2020-04-11 技术向
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在互联网冲浪中,我们已经习惯了输入域名连接网站。也许你有了解过网络世界大家的「坐标」都是 IP 地址,但是 DNS 解析怎么找到 IP 地址?更有时,同一个域名申请还会返回不同的地址,这所谓 CDN 是如何实现的?

DNS 解析流程

把域名转换成 IP 地址,就是 DNS 服务器天天干的事情。DNS 全称为 Domain Name System(域名系统),当我们输入一个域名(如 chralpha.com),DNS 查询流程大概是:

  1. 浏览器先查询浏览器缓存,发现并没有找到 chralpha.com 的解析记录
  2. 浏览器向系统发起请求查询解析结果,通常系统也有一层缓存,但仍然没有找到 chralpha.com 的地址
  3. 系统向上游 DNS 服务器发起请求,系统中可以自行配置 DNS 服务器,假设我使用的是 1.0.0.1,那么操作系统就会向 1.0.0.1 发送查询请求
  4. 不论是再向上级查询还是缓存生效,1.0.0.1 最终都会返回一个对应的 IP 地址,之后浏览器就可以拿着这个 IP 地址发起请求了

至于 1.0.0.1 如何找到 chralpha.com 的 IP 地址呢?如果有缓存,那么直接返回即可。否则将一层层向上查询,直到根域名服务器。全球有 13 台根域名服务器,同时还有几百台备用服务器。根域名服务器会先根据最后的顶级域名,所有域名都必须以顶级域名结尾(如 com, org 等)。在对应顶级域名位置查询二级域名,也就是 chralpha。在你注册域名的时候,域名注册商就会给你开通一个地址,里面存放了域名的 NS(Name Server) 信息,用于了解该去哪里查询域名的 DNS 记录。我将域名的 NS 记录修改到 Cloudflare,自然该处保存着 Cloudflare 的地址。此时向该地址请求便能很快找到对应解析记录。

我们刚刚默认系统使用 1.0.0.1 作为 DNS 服务器,事实上这是根据系统设置决定的。你可以自由选择公网或者运营商提供的 DNS 服务器。

以上就是一次 DNS 解析的完整流程。看似很长,但实则由于缓存机制的存在,通常这个过程是比较无感的,悄无声息间便完成了。

当然,如果你向 chralpha.com 发起请求,得到的并非 200 正常返回值,而是 301 跳转。因为我将 chralpha.com 重定向至 blog.ichr.me,之后浏览器又会向 blog.ichr.me 发起查询。

CDN 加速原理

从上面的流程来看,一个域名通常对应着一个记录。但是想必你也听说过 CDN 加速

CDN (Content Delivery Network),内容分发网络。在现有的网络中再添加一层缓存层,并将网站内容分发到多个边缘节点上。受到请求只从距离用户最近的节点调取。

有点类似「空间换时间」的做法。以此可以加快访问速度,降低骨干网压力。

但是同时,我们发现即便是同一个域名,不同位置的用户查询需要返回不同位置对应最近的 CDN 节点。所以在 DNS 解析过程中需要一定特殊手段实现。

访问流程

我们假设 chralpha.com 应用了 CDN 服务,这时如果在浏览器中敲入此域名,和上面 DNS 解析流程一样,浏览器会得到一个记录。但注意这里不再是源的记录,而是 CDN 服务器的记录。通常通过 CNAME 指向 CDN 专用的 DNS 服务器。这个专用 DNS 服务器不只是在缓存索引或者向上级查询这么简单,它会利用请求的 meta 信息,根据发起请求 IP 端判断哪一个边缘节点路由更近,便返回该节点 IP 地址。

*图片来自 Cloudflare

这只是一个 function 的事情,DNS 查询带来的性能损耗几乎可以忽略不计,但是带来的速度提升却是实实在在的。而且带来的好处还有隐藏源站地址,避免被攻击。

function search(request) {
if (请求对象为 "chralpha.com") {
if (请求发起地址在中国) {
返回位于中国的边缘服务器地址
} else if (请求发起地在北美) {
返回位于北美的边缘服务器地址
}
...
}
}

这段伪代码实现非常粗糙,但原理大致如此。通常 CDN 专用 DNS 服务器可以配置某些高精度 IP 地址库达到更精确的判断效果。

分发方式

一般 CDN 有两种分发手段:Push CDN 和 Pull CDN。

Push CDN 是一种主动分发技术,通常由网站管理员主导。由源节点主动通过 HTTP/FTP 等协议主动分发到边缘节点缓存,如在每次更新的时候将内容预分发到 CDN 节点上。这样无论何时用户向 CDN 节点发起请求时总有最新的缓存可供使用,打开速度也会更快一点。但缺点是不能更好地按需配置,分发所有内容通常会带上一些调用不频繁的资源,降低存储效率,成本也更高。现在 Push CDN 一般可以根据用户访问统计调整分发策略,决定分发那些内容。不过这样一来未分发的资源调用速度会有所下降,各有取舍吧。

Pull CDN 则更像被动分发技术,使用体验视用户访问情况而定。Pull CDN 默认情况下先什么都不动,受到请求时匹配缓存,如果本地有缓存且还没有过期,便直接返回缓存;否则就向源站请求,并将从源站得到的资源缓存下来,设置缓存有效期。Pull CDN 通常配置简单,而且可以根据访问情况灵活调配。但是由于是根据请求缓存,第一次访问或者缓存过期后向源站发起请求速度还是会下降,对于一些流量不大的站点效果远不如 Push CDN。同时还有一定的滞后性,在网站内容更改过后 CDN 节点缓存仍未过期,导致边缘服务器直接返回缓存从而无法及时得到最新内容。这就需要平衡缓存过期时间:过长导致内容时效性影响,过短导致速度体验下降。

由分发方式可知,CDN 需要更多的服务器资源,所以市面上的私人对象存储服务绝大多数都是收费的。有的是按流量计费,有的需要购买流量包等。不过付出一定金额带来的体验上升还是比较可观的,且自己可以更好控制内容分发效果。

与此同时也有许多公共免费 CDN 服务,如 jsDelivr, UNPKG 等等。它们通过调取公共库(如 GitHub、npm 等)的资源并缓存到自己的 CDN 节点上。但是由于「公共」的特殊性,这类 CDN 通常只能使用 Pull CDN。

例如通过 jsDelivr 调用 GitHub 仓库资源,这次 jsDelivr 的 CDN 域名(cdn.jsdelivr.net)会帮我利用专用 DNS 服务器返回距离我最近的 CDN 节点。这时向该节点发出请求。当该节点发现本地无法匹配资源,便会向 GitHub 源位置发起请求,并将得到的资源本地缓存好,设置过期时限。如果有和我挨得比较近的小伙伴也访问这个仓库,那么就会直接从该 CDN 节点返回资源,不用重新回到 GitHub 索取,从而加快访问速度。

但是从 jsDelivr 每日流量来看,除非热门项目,其他资源的命中率是比较低的。而使用 jsDelivr 更多是为了稳定而已。因为 jsDelivr 有网宿备案和国内节点,相比直接访问国内时常抽风的 GitHub,通过 jsDelivr 请求 GitHub 资源或许会更加稳定。

说回来,DNS 得以让我们无需再记住毫无规律却随时可能变更的 IP 地址,而 CDN 提升我们上网体验且降低骨干网压力。希望你看完本文后可以了解 DNS/CDN 概念,或对日后应用有所帮助。感谢阅读!


(完,感谢阅读!)


关联阅读/参考链接:

Sukka - 浅谈在代理环境中的 DNS 解析行为 :详细介绍了不同环境(代理)中的 DNS 解析流程及细节实现差异

探索子 - CDN部署过程全记录:原理和实践 :针对 CDN 原理有所涉猎,并详细介绍关于 CloudCone CDN 的配置流程

https://en.wikipedia.org/wiki/Content_delivery_network

https://www.cloudflare.com/zh-cn/learning/cdn/what-is-a-cdn/

本文作者:ChrAlpha

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本文链接: https://blog.ichr.me/post/how-dns-and-cdn-work/

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