CDN工作原理与缓存策略详解

知识点描述
CDN（内容分发网络）是通过将内容缓存到全球各地的边缘节点，使用户就近获取资源的技术。核心解决因网络传输距离导致的延迟问题，提升网站访问速度。我将从CDN的基本架构、工作流程、缓存策略三个层面详细讲解。

一、CDN核心架构解析

1. 中心节点（源站）

   • 存储原始内容的服务器，是内容的唯一来源
   • 承担内容管理和分发调度的核心职能

2. 边缘节点（缓存节点）

   • 全球分布式部署的服务器集群，通常覆盖主要城市
   • 缓存热点内容，直接面向终端用户提供服务
   • 单个节点覆盖范围称为"最后一公里"

3. 调度系统（DNS重定向）

   • 通过全局负载均衡（GSLB）解析用户DNS请求
   • 基于用户地理位置、网络状况、节点负载等因素返回最优边缘节点IP

二、CDN完整工作流程

1. 域名解析阶段

   • 用户访问 static.example.com（已接入CDN的域名）
   • 本地DNS向授权DNS查询，授权DNS将请求转发至CDN的GSLB调度系统
   • GSLB计算最优边缘节点IP（如用户在北京则返回北京节点IP）

2. 内容获取阶段

   • 用户直接向边缘节点发起请求
   • 边缘节点检查本地缓存：

     graph LR
     A[用户请求] --> B{边缘节点缓存检查}
     B -->|缓存命中| C[直接返回缓存内容]
     B -->|缓存缺失| D[回源请求]
     D --> E[源站服务器]
     E --> F[边缘节点缓存内容]
     F --> C
     

3. 回源机制

   • 缓存未命中时，边缘节点以"拉取"或"推送"方式从源站获取内容
   • 拉取模式：边缘节点主动请求源站（常见于动态内容）
   • 推送模式：源站主动将内容预分发至边缘节点（适用于大文件）

三、缓存策略深度解析

1. 缓存过期策略

   • 基于HTTP头部控制：
     • Cache-Control: max-age=3600（强制缓存1小时）
     • Expires（绝对时间过期，HTTP/1.0标准）
   • 优先级：Cache-Control > Expires

2. 缓存验证策略

   • 条件请求验证缓存有效性：
     • If-Modified-Since + Last-Modified（基于时间戳）
     • If-None-Match + ETag（基于内容哈希，更精确）
   • 源站返回304 Not Modified时边缘节点直接使用缓存

3. 缓存层级结构

   • 边缘节点 → 区域中心节点 → 源站的三级缓存体系
   • 上层缓存未命中时逐级回源，减少源站压力

4. 特殊内容处理

   • 动态内容：设置较短缓存时间或禁用缓存（Cache-Control: no-cache）
   • 大文件：分段缓存（支持断点续传）
   • 私有内容：通过URL签名或Cookie验证权限后缓存

四、实战技巧与注意事项

1. 缓存键（Cache Key）优化

   • 忽略无关查询参数：style.css?v=1.0 和 style.css?v=2.0 可设为同一缓存
   • 区分移动端/PC端：通过User-Agent生成不同缓存键

2. 缓存预热与刷新

   • 预热：提前将内容推送到边缘节点（适用于重大活动）
   • 刷新：强制清除边缘节点缓存（代价较高，慎用）

3. 命中率监控

   • 计算公式：命中请求数 / 总请求数
   • 优化方向：调整缓存时间、增加节点覆盖、优化调度策略

通过以上机制，CDN能够将静态内容加载时间减少50%以上，同时显著降低源站负载。实际应用中需根据业务特性灵活组合缓存策略。