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“所謂的抄近道,走的人多了,也就堵了。網(wǎng)絡(luò)高速路亦是如此。”

 

慢,大抵是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的原罪。

因?yàn)?ldquo;慢”的代價(jià)很大。

視頻加載超過7s, 87%的用戶放棄觀看;

網(wǎng)站打開時(shí)間超過3s,57%的用戶放棄訪問;

研究表明,每0.1秒的網(wǎng)站延遲,用戶轉(zhuǎn)瞬流失,會(huì)損失1%的收入。

當(dāng)用戶在不斷追求更快、更好的打開方式和體驗(yàn)之時(shí),很難再接受慢下來的網(wǎng)絡(luò)世界,那些充滿擁塞、加載緩慢、卡頓、延時(shí)、掉幀……

如今,互聯(lián)網(wǎng)用戶無論是瀏覽網(wǎng)頁、觀看視頻,還是網(wǎng)購、在線學(xué)習(xí),背后都有CDN(內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))在后臺(tái)“加速”的身影,在支撐各類互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)高速發(fā)展的同時(shí),“加速”技術(shù)也隨之不斷發(fā)展。

一部“加速”技術(shù)的演進(jìn)史,也正是一部互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展史。

一切唯快不破,看看“網(wǎng)絡(luò)高速公路”如何演進(jìn)至今。

 

01源起:“加速”的經(jīng)典架構(gòu)

 

CDN 并不是互聯(lián)網(wǎng)誕生之初就存在的。

當(dāng)沒有 CDN 加速時(shí),大量的用戶請求需要穿越互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)才能獲得源站的內(nèi)容。

上世紀(jì)80年代,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始民用,人們主要通過撥號來訪問網(wǎng)絡(luò),由于用戶少、帶寬小,并沒有對骨干網(wǎng)和服務(wù)器帶來壓力。

隨著互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展,使用互聯(lián)網(wǎng)的用戶數(shù)量出現(xiàn)井噴式增長,加之寬帶接入網(wǎng)的出現(xiàn),內(nèi)容源服務(wù)器和骨干網(wǎng)絡(luò)的壓力越來越大。

由于網(wǎng)絡(luò)距離遠(yuǎn)以及骨干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)擁塞問題,端到端的請求時(shí)延會(huì)非常長,無法及時(shí)響應(yīng)用戶的訪問需求,這會(huì)嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。

在早期CDN架構(gòu)設(shè)計(jì)中,核心的目標(biāo),是通過內(nèi)容的分發(fā)來實(shí)現(xiàn)"加速",本質(zhì)邏輯就是將文件從源站“搬”到離用戶近的地方,縮短內(nèi)容傳輸?shù)奈锢砭嚯x來實(shí)現(xiàn)所謂的"加速"效果。

那么基于這個(gè)前提和背景,技術(shù)上的重點(diǎn),就是怎樣讓盡可能少的流量穿過邊緣集群回到源站,即盡可能的提高內(nèi)容的命中率。

事實(shí)上,業(yè)界的廠商基本也都是在這個(gè)方面注入了最多的技術(shù)投入,盡量將訪問終結(jié)在邊緣,其次在上游增加緩存層(很多廠商叫做中間源),來"攔截"回源流量。

所以,經(jīng)典的CDN靜態(tài)加速,節(jié)點(diǎn)架構(gòu)按照分層的設(shè)計(jì)就順理成章了,即從邊緣->一級父層->...->N級父->源站。


 

使用 CDN 之后,由于大量請求在邊緣就可以找到其所需的內(nèi)容,因此穿越互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)的流量大幅減少。

這樣,既有效減輕了骨干網(wǎng)的流量壓力,也節(jié)省了SP(Service Provider,服務(wù)提供商)的帶寬成本,促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展。

 

02不足:動(dòng)態(tài)場景下的失控

 

然而,在部分場景下,CDN經(jīng)典技術(shù)架構(gòu)并不是萬能的。

以電商、社交互動(dòng)媒體、博客為代表的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),存在大量不能緩存、需要實(shí)時(shí)回源的動(dòng)態(tài)內(nèi)容加速場景。

比如:電商平臺(tái)涉及了用戶注冊、登錄、在線支付、秒殺等需要?jiǎng)討B(tài)加速的場景。

從流量上來說,一個(gè)域名全網(wǎng)的流量,隨著層級的深入,流量逐級減少,最終從幾個(gè)節(jié)點(diǎn)回到源站,面對一些內(nèi)容熱度比較高的情況,回源量會(huì)更少。

從微觀來講,一般的邏輯是把內(nèi)容送到離客戶最近的邊緣節(jié)點(diǎn)。那么,對于后續(xù)的父層節(jié)點(diǎn)來說(Parent Node),依然遵循同樣的邏輯,即:一級父離edge盡量近,二級父離一級父盡量近。

最終呈現(xiàn)的狀態(tài)就是CDN的節(jié)點(diǎn)集中在離客戶端比較近的地方。

基于此,會(huì)出現(xiàn)一種不可避免的情況,文件沒有在CDN的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)命中,必須要回源,這就會(huì)經(jīng)歷一個(gè)比較長的非CDN可控的公網(wǎng)鏈路回源。

從質(zhì)量的角度來看,回源引起的質(zhì)量劣化對整體域名質(zhì)量的影響權(quán)重不一定很高。

舉個(gè)直觀的例子,如果客戶域名的CDN命中率是95%,即回源流量占比僅為5%,那么即使這部分流量出現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間異常,那么整體也只影響5%左右流量。

基于上面的論證,如果是一個(gè)需要100%回源的流量,比如登錄,提交表單,推薦列表,支付等場景下的流量。當(dāng)把流量切到CDN靜態(tài)加速平臺(tái),那么面對節(jié)點(diǎn)高度集中在邊緣,經(jīng)過一個(gè)長距離不可控的公網(wǎng)鏈路回源,整體的質(zhì)量將很容易失控。


 

 

03思考:動(dòng)態(tài)加速的核心

 

對于純動(dòng)態(tài)的流量,核心的問題比較明確:

當(dāng)客戶流量接入到CDN邊緣節(jié)點(diǎn)之后,需要跨越一個(gè)很長的物理距離將請求送到客戶源站,CDN怎么承諾提供一個(gè)低延遲,高穩(wěn)定的服務(wù)質(zhì)量,就是一個(gè)核心的課題。


 

從邊緣的接入角度來看,用戶的動(dòng)態(tài)流量基本都是https接入,那么基于CDN廣泛分布的邊緣節(jié)點(diǎn)來說,可以將客戶端訪問的TCP握手和SSL握手,卸載到CDN邊緣節(jié)點(diǎn),從而讓本來需要長距離跟源站進(jìn)行多次握手交互的操作,得到了極大的性能改善。


 

從節(jié)點(diǎn)內(nèi)的傳輸?shù)慕嵌葋砜矗胱龅阶顑?yōu)的延遲,就需要利用最短最優(yōu)的鏈路,同時(shí)在這個(gè)鏈路上配合最高效的傳輸。

 

“ 所謂“修好路,跑好車”,這兩項(xiàng)能力必須同時(shí)滿足,才能發(fā)揮最優(yōu)的加速效果。

 

再好的鏈路,如果中間傳輸伴隨額外的交互開銷,例如過多的tcp握手,ssl握手等,也很難承受住負(fù)向影響。

我們把這兩項(xiàng)能力稱為“選路能力”和“傳輸能力”,核心技術(shù)點(diǎn)就是:傳輸優(yōu)化與動(dòng)態(tài)選路。

 

04“修好路”:核心技術(shù)之傳輸優(yōu)化

 

對于低延遲來說,動(dòng)態(tài)流量往往都是小文件內(nèi)容為主,即一次網(wǎng)絡(luò)交互就完成,所以傳統(tǒng)的CDN基于大文件下載的TCP優(yōu)化,難以發(fā)揮很大的作用。

其根本原因在于:

目前TCP優(yōu)化多數(shù)都是基于多包的統(tǒng)計(jì)和測量等方式,來探測網(wǎng)絡(luò)的最小延遲和最大窗口等維度的數(shù)據(jù),來調(diào)整收發(fā)包數(shù)量和頻率。那么一次網(wǎng)絡(luò)交互的場景(典型的動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)場景,例如彈幕、交易支付、登錄等),就明顯不適用。

所以對于動(dòng)態(tài)流量的加速,首包(基本就等于響應(yīng)時(shí)間)就是一個(gè)核心指標(biāo)。不像大文件場景,由于下載時(shí)長可能很多都是秒級以上,首包的多少,占比總的完成時(shí)間比例不是很高。


 

對于動(dòng)態(tài)流量,首包基本就是全部。它的時(shí)間量級幾乎等于一次tcp握手的時(shí)間,那么在傳輸過程中有額外的長鏈路握手開銷,由此帶來的影響是巨大的。

對于動(dòng)態(tài)流量兩項(xiàng)核心能力中的“傳輸能力”,核心其實(shí)是0rtt能力,所謂的0rtt指的是,CDN節(jié)點(diǎn)內(nèi)除了必須產(chǎn)生的一次傳輸有效載荷行為外,不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的額外往返(即所謂“0”)。

在這項(xiàng)能力方面,阿里云的全站加速,經(jīng)過多年的打磨,構(gòu)建了一個(gè)用戶態(tài)的應(yīng)用網(wǎng)絡(luò),讓CDN邊緣和源站之間得以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)零握手開銷的傳輸管道。


 

 

05“跑好車”:核心技術(shù)之動(dòng)態(tài)選路

 

關(guān)于選路系統(tǒng),基于阿里云全站加速DCDN多年的業(yè)務(wù)經(jīng)驗(yàn)和演進(jìn),在此文主要拋出一些觀點(diǎn),來供讀者進(jìn)一步的思考。


 

前面談到,在CDN的默認(rèn)架構(gòu)下,回源涉及很長的公網(wǎng)鏈路,這段鏈路可能要跨越不通的省份,國家,甚至大洲,又或者是需要穿過不同種類的運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)。

而在廣域網(wǎng)的路由中,有很多復(fù)雜的地域和商業(yè)上面的定制策略,繞路之類的情況是經(jīng)常出現(xiàn)的。

一種行之有效的方案就是基于CDN廣泛分布的節(jié)點(diǎn),通過節(jié)點(diǎn)間的探測,配合CDN節(jié)點(diǎn)與各運(yùn)營商的廣泛連通性,構(gòu)造“路徑切割”來盡量規(guī)避穿越長鏈路可能存在的問題。

所謂的“路徑切割”就是構(gòu)建多段TCP來引導(dǎo)數(shù)據(jù),在路由層面盡量按照預(yù)期的鏈路來走。


 

對于選路來說,區(qū)別于通用的三層路由選路。

因?yàn)閯?dòng)態(tài)業(yè)務(wù)流量是一種具體的場景,在選路時(shí)會(huì)額外的關(guān)注節(jié)點(diǎn)間。節(jié)點(diǎn)到用戶源站層面上,業(yè)務(wù)特征、HTTP和HTTPS流量特征、TCP和UDP差異、長連接和短連接等方面,對于業(yè)務(wù)流量會(huì)有一些微妙的影響。

所以,對于網(wǎng)絡(luò)(如下圖)的最優(yōu)路徑計(jì)算,相關(guān)的算法可以參考的較多。

 

“ 最優(yōu)路經(jīng)計(jì)算,其核心的問題,在于如何構(gòu)圖,即圖的邊到底,通過哪些維度來度量與歸一化,是非常重要的課題。

 


 

除了構(gòu)圖中關(guān)于“邊”的度量和定義,還要關(guān)注“節(jié)點(diǎn)”的維度。學(xué)術(shù)界的經(jīng)典最優(yōu)選路的算法,并不考慮鏈路或者節(jié)點(diǎn)容量的問題。

那么,如果按照最優(yōu)路徑相關(guān)算法的運(yùn)行結(jié)果,會(huì)導(dǎo)致流量匯聚到某條鏈路或者節(jié)點(diǎn),產(chǎn)生反向作用,導(dǎo)致鏈路質(zhì)量上的劣化。

一個(gè)形象的比喻就是:所謂的抄近道,走的人多了,也就堵了。

傳統(tǒng)的經(jīng)典算法,一旦涉及到鏈路容量限制,就不能正常運(yùn)行,需要有新的模型來處理這類問題。


 

另外一個(gè)選路層面需要考慮的問題,就是:經(jīng)典的路徑算法是無狀態(tài)的。

意思是說,每兩次選路的過程之間是沒有關(guān)聯(lián)的,這就會(huì)導(dǎo)致每次選路的結(jié)果可能差異很大,流量在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)瘋狂震蕩,對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和處理能力有很大挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。

最后一個(gè)在“選路”層面重點(diǎn)考慮的問題就是,分清楚哪些是節(jié)點(diǎn)層面應(yīng)該做好的,哪些應(yīng)該選路層面去做好的。

在SDN的領(lǐng)域中,節(jié)點(diǎn)層面被定義為數(shù)據(jù)面,選路層面定義為控制面。換句話說,所謂的控制面要控制哪些,能控制哪些?

對于業(yè)界常見的方案來說,選路基本都是中心化的,那么天然來說,節(jié)點(diǎn)到中心的交互就不能太頻繁。

選路層面都需要經(jīng)過收集和匯聚數(shù)據(jù)的過程,決策和策略必然產(chǎn)生延遲。

比如10分鐘完成一個(gè)周期的任務(wù)處理和下發(fā),那么系統(tǒng)一定是留有足夠的buffer的。這個(gè)buffer核心一般體現(xiàn)兩點(diǎn),一是留有一定的余量,二是帶有一定的預(yù)測。

用一句話來講,選路系統(tǒng)每次計(jì)算結(jié)果,其實(shí)對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)面來說,有一個(gè)隱含SLA(服務(wù)水平協(xié)議)的。

比如在某個(gè)選路系統(tǒng)中,當(dāng)前給的結(jié)果是保證的未來10分鐘內(nèi),在流量不超過xx的閾值下,延遲可以控制xx毫秒的概率是99.9%,那么對于一些秒級的鏈路閃斷或者質(zhì)量惡化,就需要節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)面有自己的容災(zāi)和兜底策略,這部分是中心式選路系統(tǒng)的交互時(shí)間尺度內(nèi),難以提供有效支持的。

單獨(dú)站在選路的視角來看未來的演進(jìn),傳統(tǒng)的基于分場景,人為指定策略的探測模式(探測本質(zhì)是一種旁路采樣,從統(tǒng)計(jì)學(xué)上來講就是希望構(gòu)造一種抽樣來最大化的反映整體或者實(shí)際業(yè)務(wù)流),然后基于此進(jìn)行構(gòu)圖和算路的架構(gòu),在系統(tǒng)優(yōu)化和迭代方面,針對業(yè)務(wù)的貼合度,或多或少存在一定的GAP。

然而,在實(shí)際業(yè)務(wù)發(fā)展過程中,面對同時(shí)混合了動(dòng)、靜態(tài)兩種流量場景的全站業(yè)務(wù),相應(yīng)的技術(shù)架構(gòu)就需要有更多的兼顧和綜合視角的考慮,無論是“傳輸”還是“選路”。

動(dòng)態(tài)加速業(yè)務(wù)的技術(shù)演進(jìn),從歷史的角度看,基本都是立足于靜態(tài)CDN架構(gòu)在特定場景下的問題,不斷迭代和演進(jìn),走出了一套有差異化的架構(gòu)和技術(shù)棧。

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