Eminel Insights

CDN (Mạng phân phối nội dung) là một hệ thống gồm nhiều máy chủ được đặt tại nhiều nơi khác nhau trên thế giới. Mục tiêu của CDN là giúp tải nội dung web như hình ảnh, video và các tệp tĩnh đến người dùng nhanh hơn, bằng cách sử dụng máy chủ gần nhất với người dùng. CDN giúp giảm độ trễ (khoảng thời gian chờ) và tăng tốc độ của trang web, đồng thời giúp trang web ổn định và bảo mật hơn.

Cách CDN hoạt động

Khi người dùng yêu cầu truy cập nội dung, yêu cầu đó sẽ được gửi đến máy chủ CDN gần nhất. Nếu máy chủ này đã có sẵn nội dung trong bộ nhớ, nó sẽ gửi ngay cho người dùng. Nếu không, máy chủ sẽ lấy nội dung từ máy chủ gốc, lưu lại, và sau đó cung cấp cho người dùng. Những lần yêu cầu tiếp theo cho cùng nội dung đó sẽ được xử lý nhanh hơn vì đã có sẵn trong bộ nhớ.

Các thuật ngữ quan trọng

• PoP (Điểm hiện diện): Là nơi đặt các máy chủ CDN, thường ở những khu vực gần với người dùng để tăng tốc độ truy cập.
• Máy chủ biên (Edge Server): Là máy chủ CDN gần với người dùng, có nhiệm vụ lưu trữ và cung cấp nội dung.
• Máy chủ gốc (Origin Server): Là nơi lưu trữ nội dung gốc mà CDN sẽ truy xuất và lưu trữ ở máy chủ biên.
• Cache Warming (Tải trước cache): Là việc chuẩn bị trước nội dung vào bộ nhớ máy chủ biên để sẵn sàng phục vụ người dùng.
• TTL (Thời gian lưu cache): Quy định thời gian nội dung được lưu trong bộ nhớ cache trước khi cần làm mới.
• Anycast: Là cách mà CDN chọn máy chủ biên gần nhất với người dùng để tăng tốc độ tải.
• Invalidation (Hủy cache): Là việc xóa hoặc cập nhật nội dung cache khi nội dung gốc thay đổi, đảm bảo người dùng nhận đúng phiên bản mới nhất.
• Cache Purging (Xóa cache): Là việc xóa bắt buộc nội dung khỏi bộ nhớ cache, thường xảy ra khi có sự thay đổi lớn.

Lợi ích của CDN

• Giảm độ trễ: CDN giúp tải nội dung từ máy chủ gần người dùng, giảm thời gian chờ và tăng tốc độ tải trang.
• Cải thiện hiệu suất: CDN giảm tải cho máy chủ chính, giúp trang hoạt động nhanh hơn.
• Tăng độ tin cậy: Nếu một máy chủ bị lỗi, các yêu cầu có thể được chuyển sang máy chủ khác.
• Mở rộng dễ dàng: CDN có thể xử lý lượng truy cập lớn mà không làm chậm hệ thống.
• Bảo mật: CDN có thể cung cấp các tính năng bảo mật, giúp bảo vệ trang web khỏi các mối đe dọa mạng.

Origin Server và Edge Server

Origin Server và Edge Server là hai thành phần quan trọng trong việc phân phối nội dung web, đặc biệt trong Content Delivery Network (CDN). Chúng đảm nhận các vai trò khác nhau để đảm bảo người dùng truy cập nội dung web nhanh chóng và hiệu quả. Hiểu rõ sự khác biệt giữa hai loại server này là rất quan trọng trong bối cảnh kiến trúc web và chức năng của CDN.

Origin Server

Origin Server là nguồn lưu trữ chính của nội dung gốc, chưa qua chỉnh sửa. Nó chứa các nội dung của trang web như tệp HTML, hình ảnh, stylesheet, JavaScript, video và các tài sản kỹ thuật số khác. Khi người dùng yêu cầu truy cập tài nguyên web (như một trang web), yêu cầu này sẽ được gửi đến Origin Server nếu nội dung không được cache ở nơi khác.

Đặc điểm

• Lưu trữ tập trung: Là kho lưu trữ chính, nơi quản lý và lưu trữ toàn bộ nội dung gốc của trang web.
• Nguồn cung cấp nội dung: Cung cấp nội dung gốc cho Edge Server hoặc trực tiếp cho người dùng nếu nội dung không được cache hoặc khi không sử dụng CDN.
• Giới hạn về hiệu suất: Trực tiếp xử lý tất cả các yêu cầu của người dùng, đặc biệt với các trang có lượng người dùng toàn cầu, có thể làm chậm thời gian phản hồi do khoảng cách địa lý và tải tăng cao.

Edge Server

Edge Server là một phần của mạng lưới các server phân phối, thường được cung cấp bởi CDN. Chúng lưu trữ bản sao nội dung từ Origin Server và phân phối nội dung này từ vị trí gần người dùng hơn, từ đó giảm độ trễ và tăng tốc độ tải trang.

Đặc điểm

• Phân bố địa lý: Đặt ở nhiều địa điểm khác nhau (Edge Location) gần với người dùng cuối để giảm khoảng cách truyền dữ liệu qua mạng.
• Cache nội dung: Lưu trữ các bản sao nội dung từ Origin Server. Cơ chế cache này giúp cung cấp nội dung nhanh hơn cho người dùng và giảm tải cho Origin Server.
• Cân bằng tải và khả năng mở rộng: Giúp phân phối các yêu cầu của người dùng hiệu quả, xử lý các đột biến lưu lượng và cải thiện khả năng mở rộng của việc phân phối nội dung web.

Ví dụ minh họa
Giả sử một người dùng ở Paris muốn truy cập một video trên trang web có Origin Server đặt tại New York. Nếu trang web sử dụng CDN, yêu cầu của người dùng sẽ được chuyển đến một Edge Server ở Paris. Nếu video đã được cache trên Edge Server Paris, nó sẽ được cung cấp nhanh chóng cho người dùng từ đó, giảm đáng kể thời gian tải so với việc truy xuất trực tiếp từ Origin Server ở New York.

Kết luận
Trong khi Origin Server là nguồn cung cấp nội dung gốc, Edge Server đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa phân phối nội dung đến người dùng cuối bằng cách cache nội dung gần với người dùng. Kiến trúc này giúp cải thiện hiệu suất trang web, giảm độ trễ và nâng cao trải nghiệm người dùng, đặc biệt đối với các trang web có lượng người dùng toàn cầu.

Kiến trúc CDN

Kiến trúc CDN bao gồm việc bố trí chiến lược các PoP và edge server, cơ chế định tuyến và xử lý yêu cầu hiệu quả, các chiến lược cache, và lựa chọn topology mạng phù hợp để tối ưu hóa phân phối nội dung. Bằng cách xem xét các yếu tố này, CDN có thể mang lại những cải thiện đáng kể về độ trễ, hiệu suất, độ tin cậy và bảo mật cho các ứng dụng web.

1.Point of Presence (PoP) và Edge Server

Point of Presence (PoP) là các vị trí vật lý chứa nhóm edge server trong mạng lưới phân phối của CDN. PoP được đặt tại nhiều khu vực địa lý khác nhau nhằm giảm độ trễ khi người dùng yêu cầu nội dung. Mỗi PoP thường bao gồm nhiều edge server để đảm bảo tính dự phòng, khả năng chịu lỗi và cân bằng tải.

Edge server là các server bên trong PoP, lưu trữ nội dung được cache và phân phối cho người dùng. Khi người dùng gửi yêu cầu, yêu cầu sẽ được chuyển đến edge server gần nhất. Edge server này sẽ lấy nội dung từ cache hoặc từ origin server và sau đó cache lại để phục vụ các yêu cầu trong tương lai. Việc phân phối nội dung từ server gần nhất giúp CDN giảm đáng kể độ trễ và cải thiện trải nghiệm người dùng.

2.CDN Routing và Xử lý Yêu cầu

Định tuyến CDN là quy trình chuyển hướng yêu cầu của người dùng đến edge server phù hợp nhất. Quyết định định tuyến thường dựa trên các yếu tố như độ trễ mạng, tải của server và vị trí địa lý của người dùng. Một số kỹ thuật phổ biến bao gồm:

• Anycast Routing: Trong định tuyến Anycast, nhiều edge server chia sẻ một địa chỉ IP. Khi người dùng gửi yêu cầu đến địa chỉ IP đó, hệ thống định tuyến mạng sẽ chuyển yêu cầu đến edge server gần nhất dựa trên độ trễ mạng hoặc số lượng bước chuyển. Phương pháp này đảm bảo yêu cầu được chuyển tự động đến server thích hợp nhất.
• DNS-based Routing: Trong định tuyến dựa trên DNS, khi người dùng yêu cầu nội dung, server DNS của CDN sẽ trả về địa chỉ IP của edge server phù hợp nhất. Cách tiếp cận này xem xét các yếu tố như khoảng cách địa lý và tải của server để chọn edge server tốt nhất.
• GeoIP-based Routing: Với cách định tuyến này, vị trí địa lý của người dùng được xác định dựa trên địa chỉ IP của họ. Yêu cầu sau đó được chuyển đến edge server gần nhất về khoảng cách địa lý, giúp giảm độ trễ mạng.

3.Cơ chế Cache

Cache là một thành phần quan trọng của kiến trúc CDN. Edge server cache nội dung để giảm độ trễ và giảm tải cho origin server. Các cơ chế cache thường được sử dụng bao gồm:

• Time-to-Live (TTL): TTL là giá trị do origin server đặt để xác định thời gian một nội dung nên được lưu trữ trong cache trước khi được coi là hết hạn và cần được tải lại từ origin server.
• Cache Invalidation: Cache invalidation là quy trình xóa nội dung khỏi cache trước khi TTL hết hạn, thường khi nội dung được cập nhật hoặc xóa trên origin server và cần được hiển thị ngay lập tức trên CDN.
• Cache Control Headers: Cache control headers được origin server sử dụng để cung cấp các chỉ dẫn về hành vi cache cho CDN, xác định khả năng cache của nội dung, TTL, và các thiết lập liên quan khác.

4.Topologies của Mạng CDN

Topologies của mạng CDN mô tả cấu trúc và tổ chức của mạng phân phối CDN. Các topologies khác nhau được áp dụng để tối ưu hóa phân phối nội dung dựa trên các yếu tố như hiệu suất, độ tin cậy và chi phí:

• Flat Topology: Trong flat topology, tất cả các edge server trong CDN được kết nối trực tiếp với origin server. Phương pháp này phù hợp với các CDN nhỏ nhưng có thể không mở rộng tốt khi mạng phát triển.
• Hierarchical Topology: Trong hierarchical topology, edge server được tổ chức theo nhiều cấp độ, với mỗi cấp độ phục vụ cho cấp dưới của nó. Phương pháp này cải thiện khả năng mở rộng bằng cách phân phối tải trên nhiều cấp độ server và giảm số kết nối trực tiếp đến origin server.
• Mesh Topology: Trong mesh topology, các edge server được kết nối với nhau, cho phép chia sẻ nội dung và tải giữa các server. Phương pháp này tăng cường tính dự phòng, khả năng chịu lỗi, và cải thiện hiệu suất phân phối nội dung bằng cách giảm nhu cầu lấy nội dung từ origin server.
• Hybrid Topology: Hybrid topology kết hợp các yếu tố từ nhiều topologies khác nhau để tạo ra một kiến trúc CDN tối ưu cho nhu cầu cụ thể. Ví dụ, CDN có thể sử dụng cấu trúc hierarchical để phân phối nội dung tĩnh và cấu trúc mesh cho nội dung động.

Pull CDN

Trong CDN Pull, nội dung không được lưu trên máy chủ của CDN theo mặc định. Thay vào đó, CDN sẽ “kéo” nội dung từ máy chủ nguồn khi người dùng yêu cầu lần đầu tiên. Sau khi nội dung được lưu vào bộ nhớ đệm trên máy chủ biên của CDN, các yêu cầu tiếp theo cho cùng nội dung sẽ được phục vụ trực tiếp từ CDN, giảm tải cho máy chủ nguồn.

Khi nội dung được lưu trong bộ nhớ đệm hết hạn hoặc đạt đến Thời gian sống (TTL), CDN sẽ lấy nội dung lại từ máy chủ nguồn, đảm bảo người dùng nhận được nội dung cập nhật.

Ví dụ về CDN Pull bao gồm Cloudflare, Fastly và Amazon CloudFront.

Ưu điểm của CDN Pull

• Dễ dàng thiết lập và yêu cầu thay đổi tối thiểu đối với cơ sở hạ tầng hiện có.
• Máy chủ nguồn chỉ được truy cập khi nội dung không có sẵn trên CDN, giảm tải và sử dụng băng thông.
• CDN tự động quản lý bộ nhớ đệm và hết hạn nội dung.

Nhược điểm của CDN Pull

• Người dùng đầu tiên yêu cầu nội dung có thể gặp thời gian tải chậm hơn khi CDN lấy nội dung từ máy chủ nguồn.
• Máy chủ nguồn phải luôn sẵn sàng để CDN lấy nội dung khi cần.

CDN Push

Trong CDN Push, nội dung được “đẩy” lên các máy chủ của CDN bởi nhà cung cấp nội dung, thường qua tải lên thủ công hoặc quy trình tự động. Nội dung được phân phối chủ động trên các máy chủ biên của CDN, sẵn sàng cho các yêu cầu của người dùng.

CDN Push thường được sử dụng cho các tệp lớn hoặc nội dung ít được truy cập, vì nó cho phép kiểm soát tốt hơn việc phân phối và lưu trữ bộ nhớ đệm.

Ví dụ về CDN Push bao gồm Rackspace Cloud Files và Akamai NetStorage.

Ưu điểm của CDN Push

• Kiểm soát tốt hơn việc phân phối nội dung và quản lý bộ nhớ đệm, đặc biệt cho các tệp lớn hoặc ít được truy cập.
• Nội dung sẵn sàng trên các máy chủ của CDN, đảm bảo thời gian tải nhất quán cho người dùng.

Nhược điểm của CDN Push

• Phức tạp hơn trong việc thiết lập và duy trì, vì nội dung phải được tải lên hoặc đồng bộ hóa với CDN.
• Chi phí lưu trữ cao hơn, do nội dung được lưu trữ trên cả máy chủ nguồn và các máy chủ của CDN.
• Trách nhiệm quản lý bộ nhớ đệm và hết hạn nội dung thuộc về nhà cung cấp nội dung.

Tóm lại, CDN Pull phù hợp cho nội dung được truy cập thường xuyên và dễ dàng thiết lập, trong khi CDN Push cung cấp nhiều quyền kiểm soát hơn và lý tưởng cho các tệp lớn hoặc ít được truy cập.

Kết luận

CDN là một giải pháp quan trọng giúp tối ưu hóa tốc độ tải trang, nâng cao hiệu suất và bảo mật cho các ứng dụng web. Bằng cách phân phối nội dung từ các máy chủ gần người dùng nhất, CDN không chỉ giảm độ trễ mà còn giảm tải cho máy chủ gốc, đảm bảo người dùng có trải nghiệm truy cập nhanh chóng và liền mạch. Đối với các trang web có lượng truy cập lớn hoặc phục vụ người dùng trên toàn cầu, việc sử dụng CDN là một bước tiến quan trọng để cải thiện hiệu quả và duy trì sự ổn định.