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《CDN 之我見》系列二：原理篇（緩存、安全）

maxmin / 1633人閱讀

摘要：真正要做高性能的系統(tǒng)，不僅需要在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法層面深入，更要從硬件操作系統(tǒng)文件系統(tǒng)底層原理等多個領(lǐng)域做更多的研究例如阿里云自研的系統(tǒng)使用了裸盤技術(shù)。

《CDN之我見》共由三個篇章組成，分為原理篇、詳解篇和隕坑篇。本篇章適合那些從未接觸過、或僅了解一些 CDN 專業(yè)術(shù)語，想深入了解和感受 CDN 究竟是什么的同學(xué)。本次由白金老師繼續(xù)為大家分享《CDN之我見》系列二，主要講解緩存是什么、工作的基本原理是怎樣的，以及 CDN 是如何面對安全挑戰(zhàn)的。

首先我們先來說一下 CDN 的緩存系統(tǒng)。

緩存也叫 Cache，是 CDN 領(lǐng)域最重要的一個組成部分，對于靜態(tài)內(nèi)容分發(fā)，大至視頻點(diǎn)播、文件下載，小至 html 頁面、jpg/gif/png 圖片、css/js 等，都可以緩存到本地，最終用戶（網(wǎng)民）訪問時，不必回到原始服務(wù)器拿取數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了時間、降低了源站服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)帶寬支出和負(fù)載。

對于 CDN 來說，每臺 Cache 機(jī)器每天的請求量是十分驚人的，磁盤上所存儲的內(nèi)容量也多得可怕，十幾塊 TB 級的硬盤被塞滿數(shù)據(jù)也是很正常的事情，因此當(dāng)一個請求到來時，能迅速檢索出磁盤上的文件并讀取、吐給最終用戶成了一件很重要的事情。

如何快速檢索數(shù)據(jù)？
一般采用高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或算法，例如 Hash（哈希）。

Hash 算法簡單說就是通過某種模運(yùn)算取余，按照有限余數(shù)做為不同鏈表的坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。若當(dāng)有多個數(shù)據(jù)余數(shù)相同時，則再按照單鏈表的方式存儲數(shù)據(jù)。

理論上 Hash 算法在最好的情況下，和 map 無異，O(1) 的時間復(fù)雜度。

在最壞情況下（所有數(shù)據(jù)樣本經(jīng)過 Hash 運(yùn)算都得到同一個余數(shù)），則性能與單鏈表無異，查找時間復(fù)雜度是 O(n)。

如果磁盤空間不夠了怎么辦？
使用基于訪問熱度的內(nèi)容淘汰算法，例如 FIFO、LRU、LFU、SLRU、LIRS 等，感興趣的同學(xué)可以看一下推薦的文章：

《緩存淘汰算法 - LRU》http://flychao88.iteye.com/bl...
《Cache 替換算法只：LIRS》https://www.jianshu.com/p/036...
《詳解三種緩存過期策略LFU，F(xiàn)IFO，LRU（附帶實現(xiàn)代碼）》https://www.cnblogs.com/s-b-b...
《HLR中的cache機(jī)制及其SLRU替換算法》http://www.docin.com/p-126462...

SATA 盤雖然存儲空間大，但受尋道速度限制，IOPS 往往很低，響應(yīng)時間會被拉長。而相比之下，SSD 可以大幅度提升響應(yīng)速度，但受成本和技術(shù)工藝限制，SSD 盤的空間相比 SATA 而言要小很多、貴很多。綜合上面兩種情況，混合盤的分級存儲模式誕生了，即 SSD + SATA，通過熱度算法將最熱的內(nèi)容放到內(nèi)存、次熱放到 SSD，冷數(shù)據(jù)放到 SATA，最冷數(shù)據(jù)受磁盤空間限制不進(jìn)行存儲，直接從 upstream 或源站獲取。

當(dāng)網(wǎng)民訪問到 Cache 服務(wù)器上時，Cache 服務(wù)器會利用 Hash 算法查找本地是否存有緩存數(shù)據(jù)，若有，則直接讀取，組織成 HTTP 報文內(nèi)容，吐給網(wǎng)民。

同理，若當(dāng)本地沒有緩存住的內(nèi)容時，Cache 會向其上游（upstream）拿取數(shù)據(jù)吐給網(wǎng)民，并根據(jù)內(nèi)容的描述（例如是否可以緩存，需要緩存多久）來決定是否/如何緩存住這個請求內(nèi)容。

CDN 的關(guān)鍵技術(shù)是調(diào)度和緩存，有很多開源軟件可以實現(xiàn) CDN 的基本需求，但性能卻遠(yuǎn)達(dá)不到商業(yè)需求。真正要做高性能的 Cache 系統(tǒng)，不僅需要在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法層面深入，更要從硬件、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、底層原理等多個領(lǐng)域做更多的研究（例如阿里云自研的 CDN Cache 系統(tǒng)使用了裸盤技術(shù)）。
從上述內(nèi)容大致可以看出一個道理：CDN，入門易，做好難！

原理篇最后一部分簡單和大家介紹一下 CDN 的安全

一般的攻擊分為兩種類型，一種是蠻力型攻擊，一種是技巧型攻擊。
例如 SYN-Flooding、反射攻擊、帶寬飽和攻擊等，都是通過海量請求（有些甚至是毫無用處的請求）將系統(tǒng)帶寬資源、計算資源耗盡，從而達(dá)到使目標(biāo)無法正常提供服務(wù)能力的目的，達(dá)到攻擊者的攻擊意圖。
這種攻擊的特點(diǎn)是：

攻擊源分布廣泛，攻擊具有持續(xù)性，難以準(zhǔn)確溯源
攻擊手段暴力，流量大，以達(dá)到短時間不能服務(wù)為主要目的
技術(shù)門檻低，但由于需要眾多資源，攻擊成本較高

而例如 XSS 跨站、SQL 注入、CSRF、漏洞利用等，都是通過網(wǎng)站提供的系統(tǒng)（例如老版本操作系統(tǒng)存在協(xié)議棧崩潰漏洞）、組件（例如 bash、OpenSSL、Struts2 存在遠(yuǎn)程執(zhí)行漏洞）、軟件邏輯漏洞（例如輸入框檢測存在缺陷導(dǎo)致拼湊 SQL 語句的 SQL 注入漏洞）等來進(jìn)行攻擊。
這種攻擊的特點(diǎn)是：

攻擊流量小
攻擊較為隱蔽，不易被察覺
以竊取內(nèi)容為主要目的
攻擊具有一定的破壞和不可逆性
無需大量攻擊資源，攻擊成本較低，技術(shù)含量較高
接入 CDN 后就可以規(guī)避安全風(fēng)險嗎？
是的，或者說可以從一定程度上盡可能解決或盡可能規(guī)避安全風(fēng)險。

隱藏源站信息

當(dāng)某個網(wǎng)站接入 CDN 后，源站信息會被隔離，外界很難找到真正的源站地址（這里說很難，其實也是有可能的，主要看源站的安全防范意識），這樣攻擊者至少就無法直接對源站進(jìn)行直接攻擊。

分布式架構(gòu)

若做不到直接對源站進(jìn)行直接攻擊，則攻擊者實際攻擊的目標(biāo)不是源站，而是 CDN 廠商的分布式架構(gòu)，此時除非 CDN 廠商的所有 CDN 節(jié)點(diǎn)的所有服務(wù)器都被攻陷，否則仍然有部分服務(wù)器是可以提供服務(wù)的。

安全防護(hù)

對于技巧型攻擊，CDN 廠商前端可以通過前置應(yīng)用層過濾器的技術(shù)來分析、攔截可能存在的安全隱患。（例如阿里云的 SCDN 則是集成了 Security 與 CDN 于一身的新產(chǎn)品）

作為“系列二”的最后收尾，我想強(qiáng)調(diào)的是，CDN 除了技術(shù)，還有例如后臺支撐系統(tǒng)、售后、銷售等一系列的組件和團(tuán)隊配合運(yùn)作，才能有安全、高效、穩(wěn)定、極佳用戶體驗感的 CDN 產(chǎn)品。

最后還是那句話：CDN，入門易，做好難！
__

由于篇幅的關(guān)系，系列二把上次欠大家的“原理篇”補(bǔ)充齊全！

“系列三” 將開啟《CDN 之我見》的第二個篇章：“詳解篇”，會針對 CDN 領(lǐng)域的一些鮮為人知的技術(shù)、理念進(jìn)行深入剖析，各位看官敬請期待。
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