從 CDN 到 LiveNet ^TM

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的升級，我們從文字時(shí)代演進(jìn)到讀圖時(shí)代，又從讀圖時(shí)代演進(jìn)到微視頻時(shí)代。人們對媒體載體的實(shí)時(shí)性，交互性的要求越來越高。今年是 Live 時(shí)代的元年，直播 App 如雨后春筍，像極了幾年前的千團(tuán)大戰(zhàn)、O2O 大戰(zhàn)、P2P金融 大戰(zhàn)，成為互聯(lián)網(wǎng)的又一場戰(zhàn)役。

• 什么是內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)
• 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的鏈路路由
• 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容
• 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的安全
• 回歸本質(zhì)：LiveNet ^TM
• LiveNet ^TM VS P2P 網(wǎng)絡(luò)

為什么要有內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的由來

互聯(lián)網(wǎng)起源于美國軍方的一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，Tim Berners-Lee 是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)明者之一，他很早就預(yù)見到在不久的將來網(wǎng)絡(luò)擁塞將成為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的最大障礙，于是他提出了一個(gè)學(xué)術(shù)難題，要發(fā)明一種全新的、從根本上解決問題的方法來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的無擁塞分發(fā)，這項(xiàng)學(xué)術(shù)難題最終催生出一種革新性的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)-- CDN 。當(dāng)時(shí) Berners-Lee 博士隔壁是 Tom Leighton 教授的辦公室，一位麻省理工學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)教授，他被 Berners-Lee 的挑戰(zhàn)激起了興趣。Letghton 最終解決了這個(gè)難題并開始自己的商業(yè)計(jì)劃，成立了 Akamai 公司，成為世界上第一家 CDN 公司。

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

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上圖是一個(gè)典型的 CDN 系統(tǒng)的三級部署示意圖，節(jié)點(diǎn)是 CDN 系統(tǒng)中的最基本部署單元，分為三級部署，中心節(jié)點(diǎn)、區(qū)域節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)，最上面一級是中心節(jié)點(diǎn)，中間一級是區(qū)域節(jié)點(diǎn)，邊緣節(jié)點(diǎn)地理位置分散，為用戶提供就近的內(nèi)容訪問服務(wù)。

下面介紹一下 CDN 節(jié)點(diǎn)的分類，主要分成兩大類，骨干節(jié)點(diǎn)和 POP 節(jié)點(diǎn)，骨干節(jié)點(diǎn)又分為中心節(jié)點(diǎn)和區(qū)域節(jié)點(diǎn)：

• 骨干節(jié)點(diǎn)
  • 中心節(jié)點(diǎn)
  • 區(qū)域節(jié)點(diǎn)
• POP節(jié)點(diǎn)
  • 邊緣節(jié)點(diǎn)

邏輯上來講，骨干節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)內(nèi)容分發(fā)和邊緣節(jié)點(diǎn)未命中時(shí)進(jìn)行回源，POP 節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)提供給用戶就近的內(nèi)容訪問服務(wù)。但如果 CDN 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，邊緣節(jié)點(diǎn)直接向中心節(jié)點(diǎn)回源會給中間層的核心設(shè)備造成的壓力過大，在物理上引入?yún)^(qū)域節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)一個(gè)地理區(qū)域的管理，保存部分熱點(diǎn)數(shù)據(jù)。

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的種類

• 網(wǎng)頁加速
• 視頻加速
• 文件傳輸加速
• 應(yīng)用協(xié)議加速
• 直播加速

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)主要分為以上幾種，我們簡單介紹一下：

網(wǎng)頁加速

網(wǎng)頁是比較早出現(xiàn)的互聯(lián)網(wǎng)信息載體，也是 CDN 支持的最早的一種加速服務(wù)，開始主要是對靜態(tài)網(wǎng)頁、圖片等等進(jìn)行加速，發(fā)展到現(xiàn)在也可以對動態(tài)內(nèi)容進(jìn)行加速。

視頻點(diǎn)播加速

隨著基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的提升，單純的圖片和文字已經(jīng)沒辦法滿足大家的物流需求，于是涌現(xiàn)了大量的視頻網(wǎng)站，CDN 應(yīng)對這種需求開發(fā)了針對流媒體視頻的加速網(wǎng)絡(luò)，做出的技術(shù)改變，主要是改變原有 PULL 模型為 PUSH 模型，縮短了用戶訪問時(shí)間，避免視頻流媒體的冷啟動，也降低了對樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的根節(jié)點(diǎn)的壓力（骨干節(jié)點(diǎn)）。

文件傳輸加速

主要支持了很多常見的文件下載協(xié)議，如 FTP、HTTP、P2P 等，同時(shí)像七牛這種云存儲廠商會支持層次更高的對象存儲服務(wù)，CDN 也內(nèi)建在其中，對用戶無感知加速。

應(yīng)用協(xié)議加速

推出了 HTTPS 加速，HTTP 網(wǎng)頁壓縮加速等，進(jìn)一步縮短了用戶訪問時(shí)間，降低了源站的資源使用壓力。

直播加速

隨著 Live 時(shí)代的到來，直播成為當(dāng)前 CDN 廠商的又一個(gè)主要的戰(zhàn)場，那么 Live 時(shí)代 CDN 需要支持什么樣的服務(wù)呢？

• 流媒體協(xié)議的支持，包括 RTMP , HLS ,HTTP-FLV 等。
• 首屏秒開，從用戶點(diǎn)擊到播放控制在秒級以內(nèi)
• 1~3 延遲控制，從推流端到播放端，延遲控制在 1~3 秒之間
• 全球全網(wǎng)智能路由，可以利用整個(gè) CDN 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)為某一單一用戶服務(wù)，不受地域限制。隨著全球一體化進(jìn)程不斷推進(jìn)，跨區(qū)域、跨國家、跨洲的直播正變?yōu)槌B(tài)，很可能主播在歐美，而用戶在亞洲。
• 天級別的節(jié)點(diǎn)按需增加，中國公司出海已成大勢，CDN 需要更多的海外節(jié)點(diǎn)，如今比拼的更多的是海外節(jié)點(diǎn)可以快速部署，從提出節(jié)點(diǎn)增加需求到節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)提供服務(wù)，需要達(dá)到一天之內(nèi)，對 CDN 運(yùn)維和規(guī)劃提出非常高的要求。原有的月級別規(guī)劃和入網(wǎng)滿足不了先進(jìn)的要求。

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的鏈路路由

CDN 基于樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每一層都有 GSLB (Global Server Load Balancing) 用于同一層內(nèi)的多個(gè) CDN 節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡，這樣有什么好處呢？

前面提到的眾多 CDN 的應(yīng)用場景中，網(wǎng)頁加速、視頻加速、文件傳輸加速，都是同時(shí)依賴 GSLB 和 Cache 系統(tǒng)的，Cache 系統(tǒng)是整個(gè) CDN 系統(tǒng)中的成本所在，設(shè)計(jì)樹形結(jié)構(gòu)可以最大化的節(jié)省 Cache 系統(tǒng)的資本投入。因?yàn)橹挥兄行墓?jié)點(diǎn)需要保持機(jī)會所有的 Cache 副本，先下逐級的減少，到了邊緣節(jié)點(diǎn)只需要少量的熱點(diǎn) Cache 就可以命中大部分 CDN 訪問請求，這樣極大的降低了 CDN 網(wǎng)絡(luò)的成本，也符合當(dāng)是 CDN 用戶的需求，可謂雙贏。當(dāng)是到了 Live 時(shí)代，直播業(yè)務(wù)是流式業(yè)務(wù)，很少涉及到 Cache 系統(tǒng)，基本都是播完就可以釋放掉存儲資源，即使因?yàn)檎咴蛴写鎯Φ男枨笠捕际抢浯鎯?，對于存儲的投入相對非常低廉，而且不要求存儲在所有?jié)點(diǎn)中，只要保證數(shù)據(jù)可回溯，可用即可。

我們看看樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌脩舻逆溌愤x擇數(shù)量是有限的，如下圖，用戶在某一個(gè)區(qū)域內(nèi)可選擇的鏈路數(shù)是：2 * 6 = 12

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用戶在某一區(qū)域內(nèi)，則 GSLB （通常在邊緣節(jié)點(diǎn)這一層是 Smart DNS）會把用戶路由到該區(qū)域內(nèi)的某個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)，上一層又會路由到某個(gè)區(qū)域節(jié)點(diǎn)（這里的 GSLB 通常是內(nèi)部的負(fù)載均衡器），最后又回溯到中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)會鏈接源站。

這里的假設(shè)是：

• 用戶能訪問的最快節(jié)點(diǎn)一定是該區(qū)域內(nèi)的邊緣節(jié)點(diǎn)，如果該區(qū)域沒有邊緣節(jié)點(diǎn)則最快的一定是邏輯相鄰的區(qū)域內(nèi)的邊緣節(jié)點(diǎn)。
• 邊緣節(jié)點(diǎn)能訪問的最快節(jié)點(diǎn)一定是該區(qū)域內(nèi)的區(qū)域節(jié)點(diǎn)，一定不會是其他區(qū)域的節(jié)點(diǎn)。
• 區(qū)域節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)一定是最快的，這個(gè)鏈路的速度和帶寬都是最優(yōu)的。

但實(shí)際真的如此么？引入了如此多的假設(shè)真的正確么？

實(shí)際上就算理論上我們可以證明以上假設(shè)有效，但是節(jié)點(diǎn)規(guī)劃和區(qū)域配置大都依賴于人的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，我們知道人多是不靠譜的，而且就算當(dāng)時(shí)區(qū)域規(guī)劃正確，誰能保證這些靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不會因?yàn)殇佋O(shè)了一條光纖或者因?yàn)槟承?IDC 壓力過大而發(fā)生了改變呢？所以我們可以跳出樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的桎梏，探索新的適合直播加速的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為了擺脫有限的鏈路路由線路限制，激活整理網(wǎng)絡(luò)的能力，我們可以把上述的節(jié)點(diǎn)變成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

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我們看到一旦我們把網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，則用戶的可選擇鏈路變?yōu)椋簾o向圖的指定兩點(diǎn)間的所有路徑，學(xué)過圖論的同學(xué)都知道，數(shù)量驚人

系統(tǒng)可以通過智能路由選擇任何一個(gè)最快的鏈路而不用依賴于系統(tǒng)部署時(shí)過時(shí)的人工規(guī)劃，無論是某些鏈路間增加了光纖或者某個(gè) IDC 壓力過大都可以實(shí)時(shí)的反映到整理網(wǎng)絡(luò)中，幫助用戶實(shí)時(shí)推倒出最優(yōu)鏈路。這時(shí)我們可以去掉前面的一些假設(shè)，通過機(jī)器而不是人類來時(shí)實(shí)時(shí)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)的鏈路路由，這種實(shí)時(shí)大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)天生就不是人類的強(qiáng)項(xiàng)，我們應(yīng)該交給更適合的物種。

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容

前面提到中國公司的出海已成大勢，CDN 海外節(jié)點(diǎn)的需求越來越大，遇到這種情況需要 CDN 廠商在新的區(qū)域部署新的骨干網(wǎng)和邊緣節(jié)點(diǎn)，需要做詳細(xì)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。時(shí)代發(fā)生變化，原來 CDN 用戶都是企業(yè)級用戶，本身業(yè)務(wù)線的迭代周期較長，有較長時(shí)間的規(guī)劃，留給 CDN 廠商的時(shí)間也比較多。而互聯(lián)網(wǎng)公司講究的是速度，雙周迭代已成常態(tài)，這里面涉及到成本和響應(yīng)速度的矛盾，如果提前部署節(jié)點(diǎn)可以更好的為這些互聯(lián)網(wǎng)公司服務(wù)，但是有較高的成本壓力，反之則無法響應(yīng)這些快速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)公司。

理想情況是，用戶提出需求，CDN 廠商內(nèi)部評估，當(dāng)天給出反饋，當(dāng)天部署，客戶當(dāng)天就可以測試新區(qū)域的新節(jié)點(diǎn)。怎么解決？

答案是基于網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對等網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是 Peer ，邏輯上每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)對等，不需要按區(qū)域設(shè)計(jì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)上線后不需要復(fù)雜的開局過程，直接上線注冊節(jié)點(diǎn)信息，就可以對用戶提供服務(wù)了,結(jié)合虛擬化技術(shù)前后時(shí)間理論上可以控制在一天之內(nèi)。

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回歸本質(zhì)：LiveNet ^TM

我們知道最早的互聯(lián)網(wǎng)就是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后來才慢慢加入了骨干網(wǎng)來解決各種各樣的問題，我們是時(shí)候該回歸本質(zhì)，擁抱下一代 Live 分發(fā)網(wǎng)絡(luò)：LiveNet ^TM 。總結(jié)前面的討論，我們發(fā)現(xiàn) Live 時(shí)代我們需要的內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)是：

• 對 Cache 的要求沒有以前那么高
• 對實(shí)時(shí)性的要求非常高
• 對節(jié)點(diǎn)運(yùn)維的要求高，要更智能，盡量減少人工干預(yù)
• 對擴(kuò)容這種運(yùn)維事件響應(yīng)度要求非常高

要做到如上幾點(diǎn)，我們需要：

• 去中心化，網(wǎng)狀拓?fù)?/li>
• 全球全網(wǎng)調(diào)度
• 節(jié)點(diǎn)無狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)對等
• 智能運(yùn)維

以上這些就是 LiveNet ^TM 設(shè)計(jì)時(shí)候的斟酌，讓運(yùn)維更自動化，系統(tǒng)運(yùn)行高度自治，依賴機(jī)器計(jì)算而不是人工判斷，下面分別介紹一下。

去中心，網(wǎng)狀拓?fù)?/h3>

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)的根本和基礎(chǔ)，只有看清了我們對 Cache 需求的降低，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才更有優(yōu)勢。

全球全網(wǎng)調(diào)度

基于全球一張網(wǎng)，不在受限于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)調(diào)度，將調(diào)度的范圍從區(qū)域網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到全球，全網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都可以響應(yīng)用戶的請求，參與鏈路路由，不再先由人工假設(shè)選定一部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由，去掉人工干預(yù)，讓整個(gè)系統(tǒng)更智能。

節(jié)點(diǎn)無狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)對等

LiveNet ^TM 節(jié)點(diǎn)無狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)對等都方便了運(yùn)維，去掉了區(qū)域概念后的全球一張網(wǎng)讓整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變的異常復(fù)雜，如果各個(gè)節(jié)點(diǎn)間有先后依賴關(guān)系，勢必讓運(yùn)維成為噩夢，需要專有的服務(wù)編排系統(tǒng)，同時(shí)也給擴(kuò)容帶來困難，需要運(yùn)維人員設(shè)計(jì)復(fù)雜的擴(kuò)容方案，需要預(yù)演多次才敢在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袛U(kuò)容。當(dāng)時(shí)如果節(jié)點(diǎn)本身對等且無狀態(tài)，則運(yùn)維和擴(kuò)容都變的容易很多。

但整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中還是會一些狀態(tài)和數(shù)據(jù)需要保持，比如某些 Live 內(nèi)容需要落地回放的需求，這些通過久經(jīng)考驗(yàn)的七牛云存儲來存儲。

智能運(yùn)維

智能運(yùn)維建立在以上的「網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對等網(wǎng)絡(luò)」的基礎(chǔ)上會變的容易的多?？梢苑奖愕南戮€有問題的節(jié)點(diǎn)而不影響整個(gè) LiveNet ^TM 網(wǎng)絡(luò)，可以方便快速的上線新節(jié)點(diǎn)，提升系統(tǒng)容量。通過節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析可以更好的了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體狀態(tài)。

下面列舉部分 LiveNet ^TM 采用的智能運(yùn)維方案，讓內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)再次升級，以符合 Live 時(shí)代的要求。

• 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)健康狀況，實(shí)時(shí)下線有問題的節(jié)點(diǎn)
• Failover 機(jī)制，保證服務(wù)一直可用
• 快速擴(kuò)容

LiveNet ^TM VS P2P

最后我們和 P2P 網(wǎng)絡(luò)做一個(gè)對比：

我們發(fā)現(xiàn) P2P 方案，節(jié)點(diǎn)的可控性和鏈路的穩(wěn)定性上還有很大提升空間，比較適合在實(shí)時(shí)性要求不高的場景使用、適合長尾需求，在 Live 的場景下面多是對實(shí)時(shí)性要求比較高的重度用戶，無法忍受頻繁的 FailOver 和節(jié)點(diǎn)質(zhì)量參差不齊帶來的網(wǎng)絡(luò)抖動，但是如果是文件分發(fā)就比較適合用這種混合方案，可以有效降低 CDN 廠商成本，利用共享經(jīng)濟(jì)提高資源利用率。