CDN 与 WAF 精讲教程 / 第02章 CDN 基础原理

第02章 CDN 基础原理

本章深入 CDN 的核心工作原理，包括边缘节点、源站、缓存机制、回源策略和 DNS 调度算法。理解这些是掌握后续章节的基础。

2.1 边缘节点（Edge Node）

2.1.1 什么是边缘节点

边缘节点是 CDN 部署在各地的缓存服务器集群，是用户请求的第一落点。每个 PoP（Point of Presence）由大量服务器组成，配备大容量 SSD/HDD 存储和高速网络。

2.1.2 节点层次结构

┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│                   CDN 节点层次                             │
│                                                          │
│   ┌─────────────┐    高流量区域，直接服务用户               │
│   │  边缘节点    │    ┌──────────────────────────┐        │
│   │  (Edge)     │───→│ 缓存内容 → 直接响应       │        │
│   └──────┬──────┘    └──────────────────────────┘        │
│          │ Cache Miss                                     │
│          ▼                                                │
│   ┌─────────────┐    区域级缓存，减轻源站压力               │
│   │  中间节点    │    ┌──────────────────────────┐        │
│   │  (Mid-Tier) │───→│ 缓存回源内容 → 缓存共享   │        │
│   └──────┬──────┘    └──────────────────────────┘        │
│          │ Cache Miss                                     │
│          ▼                                                │
│   ┌─────────────┐    ┌──────────────────────────┐        │
│   │   源站      │───→│ 原始内容服务器             │        │
│   │  (Origin)   │    └──────────────────────────┘        │
│   └─────────────┘                                         │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

2.1.3 全球节点分布参考

2.1.4 节点内部架构

单个边缘节点通常包含：

2.2 源站（Origin）

2.2.1 源站类型

2.2.2 源站配置建议

源站高可用架构：

              ┌──────────────┐
              │   CDN 节点    │
              └──────┬───────┘
                     │ 回源请求
                     ▼
           ┌──────────────────┐
           │   源站负载均衡    │  ← SLB / NLB
           └────────┬─────────┘
                    │
          ┌─────────┼─────────┐
          ▼         ▼         ▼
     ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐
     │ App-1  │ │ App-2  │ │ App-3  │  ← 多实例
     └────────┘ └────────┘ └────────┘
          │         │         │
          └─────────┼─────────┘
                    ▼
              ┌──────────┐
              │  数据库   │  ← 主从/集群
              └──────────┘

关键原则：源站应至少部署 2 个可用区（AZ），避免单点故障。CDN 回源失败会直接返回错误给用户。

2.3 缓存机制

2.3.1 HTTP 缓存头

CDN 依赖 HTTP 响应头决定缓存行为：

2.3.2 Cache-Control 常用指令

Cache-Control 指令速查：

┌──────────────────────────────────────────────────────────┐
│ public          → 任何缓存都可以存储（CDN 可缓存）         │
│ private         → 仅浏览器可缓存（CDN 不缓存）            │
│ no-cache        → 每次使用前必须验证（不是不缓存！）       │
│ no-store        → 完全不缓存                              │
│ max-age=N       → 缓存 N 秒后过期                         │
│ s-maxage=N      → 共享缓存（CDN）过期时间，覆盖 max-age   │
│ stale-while-revalidate=N → 过期后 N 秒内可使用旧缓存      │
│ must-revalidate → 过期后必须向源站验证                     │
│ immutable       → 资源永不变，不需验证                     │
└──────────────────────────────────────────────────────────┘

2.3.3 缓存状态码

2.4 回源策略（Origin Pull）

2.4.1 何时触发回源

用户请求 → 边缘节点
    │
    ├── 情况1: 缓存命中（HIT）→ 直接返回缓存
    │
    ├── 情况2: 缓存未命中（MISS）→ 回源
    │   ├── 首次请求
    │   ├── 缓存已过期（TTL Expired）
    │   ├── 缓存被主动清除（Purge）
    │   └── Vary 头变化导致新缓存键
    │
    └── 情况3: 请求不应缓存（BYPASS/DYNAMIC）
        ├── Cache-Control: no-store / private
        ├── 请求方法非 GET/HEAD
        └── 命中不缓存规则

2.4.2 回源验证机制

当缓存过期时，CDN 会使用条件请求向源站验证：

2.4.3 回源优化

2.5 DNS 调度

2.5.1 DNS 解析流程

DNS 调度是 CDN 就近分配的核心机制：

用户 (北京) 请求 cdn.example.com
    │
    ├── 1. 浏览器缓存 → 未命中
    ├── 2. OS 缓存 → 未命中
    ├── 3. 本地 DNS (LDNS) → 未命中
    │
    ▼
    4. 递归查询
    │
    ├── Root DNS → 返回 .com NS
    ├── .com DNS → 返回 example.com NS
    ├── example.com DNS → CNAME → cdn.example.cdnprovider.net
    │
    ▼
    5. CDN 厂商 DNS (调度系统)
    │
    ├── 识别 LDNS 来源 IP（或 EDNS Client Subnet）
    ├── 查询北京区域最优节点
    │
    ▼
    6. 返回 103.x.x.x（北京 PoP IP）
    │
    ▼
    用户浏览器 → 连接到 103.x.x.x（北京边缘节点）

2.5.2 DNS 调度算法

2.5.3 TTL 策略

2.6 典型业务场景

2.6.1 静态网站加速

场景：个人博客 / 企业官网
缓存策略：
  ├── HTML: max-age=3600, s-maxage=86400  (CDN 缓存 1 天)
  ├── CSS/JS: max-age=31536000, immutable  (1 年，文件名带 hash)
  ├── 图片: max-age=2592000               (30 天)
  └── 字体: max-age=31536000, immutable    (1 年)

2.6.2 API 加速

场景：移动端 API 接口
策略：
  ├── 使用 CDN 动态加速（TCP 优化、路由优化）
  ├── 不缓存 POST/PUT/DELETE 请求
  ├── GET 接口可选择性缓存（如商品详情 5-60 秒）
  └── 开启 WebSocket 支持（实时通信场景）

2.7 注意事项

⚠️ 缓存一致性：CDN 缓存与源站之间存在时间窗口差异，更新内容时需要主动 Purge。

⚠️ LDNS 劫持：部分 ISP 会劫持 DNS 解析，导致用户被调度到非最优节点。

⚠️ 回源风暴：大批量缓存同时过期可能导致瞬间大量回源（Thundering Herd），应使用 stale-while-revalidate 或错开 TTL。

⚠️ 缓存键设计：URL 中的无意义参数（如 ?utm_source=xxx）应被忽略，避免同一内容生成多个缓存副本。

2.8 扩展阅读

• RFC 9111 - HTTP Caching — HTTP 缓存最新规范
• RFC 7871 - Client Subnet in DNS Queries (EDNS) — EDNS Client Subnet 规范
• Cloudflare: How CDN caching works — CDN 缓存原理入门
• Varnish Book — Varnish 缓存引擎权威指南

本章小结

下一章：第03章 CDN 架构设计 →