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CDN 原理与 DNS 调度

19分钟阅读

CDN 原理与 DNS 调度

一句话总结

CDN 就是在全国各地（甚至全世界）提前部署一大堆缓存服务器，你访问网站时自动把你引到离你最近的那一台，省得每次都要跑到源站去取。DNS 调度就是这个”把你引到最近节点”的导航系统。

CDN 架构一览


graph LR

    U["👤 用户（广州）"] -->|"DNS 查询"| DNS["DNS 调度"]

    DNS -->|"返回最近边缘节点 IP"| CDN["🖥️ CDN 边缘节点（广州）"]

    CDN -->|"缓存命中？"| Q{"命中？"}

    Q -->|"✅ 命中"| U2["直接返回缓存内容"]

    Q -->|"❌ 未命中"| Origin["🏢 源站（北京）"]

    Origin -->|"回源拉取"| CDN

    CDN -->|"缓存 + 返回"| U2

一、先搞懂”为什么要用 CDN”

没有 CDN 的世界：

你的网站服务器放在北京（源站 = 原始服务器）。一个用户在广州访问你的网站。

用户请求一个 2MB 的图片：

  • 广州 → 北京：距离 2000 公里

  • 数据要经过几十个路由器

  • 光往返延迟（RTT）就要 30-50 毫秒

  • 高峰期网络拥堵 → 更慢

  • 100 个广州用户同时访问 → 每个都要从北京拉 2MB 图片

  • 北京的服务器带宽 100Mbps → 带宽打满，所有人都卡

用 CDN 之后：

你提前把图片分发到全国各地的 CDN 节点服务器上。广州的 CDN 节点上已经有这张图片了。

用户请求同一个图片：

  • 广州 → 广州本地 CDN 节点：距离 10 公里

  • 延迟 1-2 毫秒

  • 直接从本地节点拉，带宽压力被分散到各个节点上

效果：

  • 加载时间从 2 秒降到 50 毫秒

  • 北京的源服务器带宽从 100Mbps 降到 5Mbps

二、CDN 是怎么工作的

CDN 架构总览


graph TB

    User["👤 用户（广州）"] -->|DNS 查询| DNS["DNS 调度系统<br/>GSLB"]

    DNS -->|返回最近节点 IP| Edge["广州边缘节点<br/>Cache Hit ✅"]

    Edge -->|缓存未命中 Cache Miss| Origin["源服务器<br/>（北京总仓）"]

    Origin -->|回源拉取| Edge

    Edge -->|返回资源| User

    style Edge fill:#4CAF50,color:#fff

    style Origin fill:#FF9800,color:#fff

    style DNS fill:#2196F3,color:#fff

CDN 的组成

源服务器（Origin Server）

  • 真正存着你网站原始数据的地方

  • 通常只有一台（或几台做负载均衡）

CDN 节点（Edge Server / PoP）

  • 分布在各地的小型数据中心，每个节点里有一堆缓存服务器

  • 每个节点都缓存着你网站的静态资源（图片、CSS、JS、视频）

  • 全国可能有几千个节点

DNS 调度系统（GSLB = Global Server Load Balancing）

  • 负责决定”哪个节点离这个用户最近”

  • 用户请求资源时先问 DNS，DNS 返回离用户最近的节点 IP

回源（Origin Pull）

  • 节点上没有用户要的资源时，节点自己去源服务器取

  • 取回来后缓存起来，下次其他人访问就不用去源站了

像什么？

源服务器 = 中央仓库（总仓）。CDN 节点 = 各个城市的分仓。DNS 调度系统 = 物流调度中心。

用户在广州买东西：物流调度中心说：“去广州分仓拿”（不需要去北京总仓）。广州分仓没有这个货 → 去北京总仓调货（回源）。调来后放广州分仓，下次广州的人再买直接拿。

这就是 CDN。

一次完整的 CDN 请求


sequenceDiagram

    participant B as 浏览器

    participant DNS as DNS 系统

    participant Auth as 权威 DNS

    participant CDNDNS as CDN DNS（GSLB）

    participant Edge as 边缘节点

    participant Origin as 源服务器

    B->>DNS: www.example.com 的 IP？

    DNS->>Auth: 递归查询

    Auth-->>DNS: CNAME → cdn.cloudflare.com

    DNS->>CDNDNS: cdn.cloudflare.com 的 IP？

    CDNDNS-->>DNS: 根据用户 IP 返回广州节点

    DNS-->>B: 203.0.113.10

    B->>Edge: GET /logo.png

    alt 缓存命中 Cache Hit

        Edge-->>B: 返回图片 ✅

    else 缓存未命中 Cache Miss

        Edge->>Origin: 回源拉取

        Origin-->>Edge: 返回图片

        Edge-->>B: 返回图片（已缓存）

    end

你访问 https://www.example.com/logo.png

前提：

  • example.com 接入了 CDN

  • 配置好了 CNAME 记录，指向 CDN 服务商的域名（比如 example.com.cdn.cloudflare.com）

步骤：

  1. 浏览器问 DNS： “www.example.com 的 IP 是什么？”

  2. DNS 递归查询 → 找到 example.com 的权威 DNS 服务器。权威 DNS 返回的不是真实 IP，而是 CNAME 记录：

     
www.example.com → www.example.com.cdn.cloudflare.com

  3. 浏览器重新问 DNS： “www.example.com.cdn.cloudflare.com 的 IP 是什么？”

  4. 这次落到了 CDN 服务商的 DNS 服务器上。CDN 的 DNS 服务器根据用户来源 IP 判断用户的位置：“用户来自广州，广东电信网络”。查调度表 → 返回离用户最近的广州节点 IP：203.0.113.10

  5. 浏览器向 203.0.113.10 发起 HTTP 请求 GET /logo.png

  6. 广州节点检查自己有没有缓存 logo.png

    • 有 → 直接返回（缓存命中 / Cache Hit）✅

    • 没有 → 去源服务器取（回源），缓存下来，再返回（缓存未命中 / Cache Miss）

  7. 浏览器拿到图片，渲染页面

整个过程用户完全无感知。用户只看到自己问了 DNS，拿到了 IP，发了 HTTP 请求，收到了图片。

三、DNS 调度（GSLB）

DNS 调度是怎么决定”最近”的？

“最近”不是物理距离最近。是网络距离最近。

网络距离 ≈ 延迟最小（ping 值最低）的节点。

判断方式有两种：

方式一：按 IP 地理位置（Geo DNS）

CDN 的 DNS 服务器有一张 IP 归属地表：

  • 1.2.3.4 → 广州市，中国电信

  • 5.6.7.8 → 纽约市，美国 Verizon

  • …

用户来问 DNS，CDN 服务器根据用户 IP：“哦，你是广州电信用户” → 返回广州电信节点的 IP。“你是北京联通用户” → 返回北京联通节点的 IP。

优点： 简单，查表就行，延迟低。

缺点： IP 归属地可能不准（有些 IP 段归属地数据过时了）。广州用户可能用海南节点最稳定（取决于网络拓扑），但 IP 归属地是广州，硬给你广州的节点，不一定最优。

方式二：按实时延迟探测（RTT-based）

CDN 的调度系统实时探测各节点到不同地区用户的延迟。

用户问 DNS 时，调度系统不是直接查表。而是动态计算：“这个用户到哪个节点延迟最低？”

更精确。但需要实时数据，复杂度高。

一般大厂 CDN（Cloudflare、Akamai、阿里云 CDN）两种方式都用：Geo DNS 做粗筛，实时探测做微调。

DNS 调度的局限性

DNS 调度有个固有问题：DNS 缓存。

用户在浏览器访问 example.com：浏览器问本地 DNS 服务器（比如 114.114.114.114）。114.114.114.114 拿到结果后会缓存起来（TTL = 300 秒）。

问题： 如果广州节点挂了，CDN 调度系统立刻把用户的流量切到深圳节点。但 114.114.114.114 的缓存还没过期（还要等 5 分钟）。这 5 分钟里，用户还是被引到挂掉的广州节点。

怎么解决？

  1. 设置短 TTL（比如 30 秒）。短 TTL 让 DNS 缓存很快过期，调度更新得快。缺点：DNS 查询更频繁，对 DNS 服务器压力大

  2. 智能 DNS + HTTP 重定向双重保障。DNS 给用户返回一个固定的 CDN 入口 IP。这个入口 IP 的服务器收到请求后，再做一次 HTTP 302 重定向：“去这个 IP 拿，那个离你更近 / 还没挂”。多了一层控制，但多了 1 次 RTT

  3. Anycast（下面讲）

四、Anycast——CDN 的终极武器

什么是 Anycast

正常情况下，一个 IP 地址只能对应一台服务器。

Anycast 不同： 同一个 IP 地址同时分配给多个节点。广州节点有这个 IP，北京节点也有这个 IP（多个节点共享一个 IP）。路由器根据 BGP 路由协议，自动把用户的数据包发到”离他最近的”那个节点。

用户访问这个 IP → 路由器看 BGP 路由表 → 最近的节点接收请求。

Anycast 解决了什么问题

解决了 DNS 调度的缓存问题。

CDN 用 Anycast IP：

  • 所有节点共享一个或几个 IP

  • 用户不需要 DNS 调度，直接请求这些 IP

  • 路由协议自动帮用户选最近的节点

具体流程：

  1. CDN 给所有节点分配同一个 IP：1.2.3.4

  2. 用户对 1.2.3.4 发起 HTTP 请求

  3. 互联网上的路由器根据 BGP 协议：“1.2.3.4 在广州、北京、上海都有。这个用户从深圳来 → 离广州最近 → 发到广州。”

  4. 请求到达广州节点

广州节点挂了怎么办？

路由器自动收到 BGP 路由更新：广州的 1.2.3.4 路不可达。下一个最近的节点（比如深圳节点）接手所有流量。用户完全无感知。

Anycast + 短 TTL DNS：

  • DNS 只返回 Anycast IP（不需要频繁换 IP）

  • 路由层的故障切换是实时的（几秒到几十秒）

  • 比等 DNS 缓存过期快得多

大型 CDN 都使用 Anycast：Cloudflare、Google Cloud CDN、AWS CloudFront 都用了 Anycast。

五、CDN 缓存策略

CDN 节点缓存的内容通常是有 TTL 的，过期了就要回源重新取。

什么时候缓存？

  • 一般只缓存”静态资源”：图片、CSS、JS、字体文件、视频

  • 不缓存”动态内容”：每个用户的个性化页面、API 响应、登录后的数据

但也不是绝对的，有些 CDN 支持”动态加速”：动态内容不缓存，但通过 CDN 的网络优化路由来加速传输。比如 CDN 节点之间用专线通信，比公网快。

缓存的 TTL 怎么控制

源服务器通过 HTTP 响应头来控制 CDN 的缓存行为：

指令含义说明
Cache-Control: max-age=3600CDN 节点缓存 1 小时1 小时内用户请求直接返回缓存，1 小时后回源验证
Cache-Control: s-maxage=86400专门控制 CDN（代理缓存）的 TTL比 max-age 优先级高。max-age 控制浏览器，s-maxage 控制 CDN
Cache-Control: no-cacheCDN 不缓存这个响应每次都要回源

CDN 节点一般也会自己配置缓存规则：就算源服务器没响应头，CDN 也可以强制缓存某些文件类型。.jpg 默认缓存 7 天，.html 默认缓存 0 秒。

缓存刷新（Purge / 预热）

缓存刷新（Purge）：

你更新了 logo.png，但 CDN 节点上还是旧版。主动通知 CDN：“把这个文件的缓存清掉”。下次用户请求 → 回源拉取最新版。

缓存预热（Preload）：

大版本上线前，先把新资源主动推送到所有 CDN 节点。用户上线时直接命中缓存，不需要等回源。

像什么？ Purge = 仓库发出通知：“旧批次的产品全部下架，去总仓领新货”。Preload = 新车发布前一天，先把展车送到全国 4S 店。第二天发布会，用户直接去店里看，不需要等调货。

一句话讲清

延伸提问：“CDN 是怎么工作的？”

“CDN 的核心是把静态资源缓存到离用户最近的节点上。用户请求资源时，通过 DNS 调度把用户引到最近的节点。

具体流程：浏览器请求资源 → DNS 解析 → 权威 DNS 返回 CNAME → CNAME 指向 CDN 服务商的域名 → CDN 的 DNS 根据用户 IP 返回最近的节点 IP → 用户直接访问该节点。如果节点没有缓存的资源，就去源服务器取（回源）。”

延伸提问：“CDN 怎么找到最近的节点？”

“主要通过 DNS 调度（GSLB）。有两种方式：一是 Geo DNS，根据用户 IP 查地理位置表，返回对应区域的节点。二是基于实时延迟探测，动态计算。大型 CDN 还会用 Anycast——所有节点共享同一个 IP，路由器根据 BGP 协议自动把用户路由到最近的节点。Anycast 的好处是故障切换快，不需要等 DNS 缓存过期。“

记忆口诀

CDN = 全国各地的缓存分仓，用户访问时自动引到最近的分仓。

DNS 调度 = CDN 的导航系统，根据用户 IP 返回最近的节点地址。

节点没缓存就回源取——去总仓拿货。

Anycast = 所有节点共享一个 IP，路由器自动选最近的。挂了秒切，不用等 DNS 缓存过期。

静态资源缓存 TTL 用 Cache-Control 控制，更新资源记得做 Purge 刷新缓存。

速记卡（面试闪卡）

Q1：一句话讲清「CDN 原理与 DNS 调度」到底是什么？

A：CDN 是把静态资源提前缓存到离用户最近的节点，DNS 调度当导航把你引到最近那台，省得每次都跑源站。

Q2：没有 CDN 会怎样？ —— 怎么理解？

A：像全村都去北京总仓买酱油——广州人到北京 2000 公里、带宽打满全堵死；CDN 像在小区门口开了分仓，下楼就拿，源站带宽从 100M 降到 5M。

Q3：一次完整 CDN 请求怎么走？ —— 怎么理解？

A：像寄快递填收件人——浏览器问 DNS，权威 DNS 回 CNAME 指向 CDN 域名，CDN 的 DNS（GSLB = Global Server Load Balancing，全局负载均衡）按你 IP 挑最近节点 IP；节点有缓存直接给，没有就回源（去总仓取）再缓存。

Q4：DNS 调度怎么判定”最近”？ —— 怎么理解？

A：像外卖按收货地址派单——Geo DNS 按 IP 归属地表粗筛（广州电信→广州电信节点）；更准的用实时延迟探测（RTT-based）动态算。大厂两种都用。缺点是 DNS 缓存可能导致切节点慢。

Q5：Anycast 凭啥是终极武器？ —— 怎么理解？

A：像全城共享同一个报警电话——所有节点共用一个 IP（Anycast），路由器按 BGP 协议自动把你引到最近节点；某节点挂了，路由更新后流量秒切到下一个，不用等 DNS 缓存过期。

Q6：核心速记主线有哪些？

  • 没有CDN：所有请求都跑源站，跨城延迟高、带宽易打满

  • CDN三件套：源站(总仓) + 边缘节点(分仓) + GSLB调度(导航)

  • DNS调度靠Geo DNS粗筛 + 实时探测微调，缓存是软肋

  • Anycast共享IP路由选近、故障秒切；缓存TTL用Cache-Control控制，更新要Purge

口诀

A：CDN全国开分仓，就近取货不用跑。

DNS调度当导航，Geo探测挑近旁。

节点没货去回源，总仓取来再缓存。

Anycast共享一个IP，挂了秒切真干脆。

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