十六、DNS协议
DNS 服务器（地址簿）
每个人上网，都需要访问DNS服务器，但是同时，这对它来讲也是非常大的挑战。一旦它出了故障，整个互联网都将瘫痪。另外，上网的人分布在全世界各地，如果大家都去同一个地方访问某一台服务器，时延将会非常大。因而，DNS 服务器，一定要设置成高可用、高并发和分布式的。
于是，就有了这样树状的层次结构。
根 DNS 服务器 ：返回顶级域 DNS 服务器的 IP 地址
顶级域 DNS 服务器：返回权威 DNS 服务器的 IP 地址
权威 DNS 服务器 ：返回相应主机的 IP 地址
DNS 解析流程
为了提高 DNS 的解析性能，很多网络都会就近部署 DNS 缓存服务器。于是，就有了以下的 DNS 解析流程。
- 电脑客户端会发出一个 DNS 请求，问 www.163.com 的 IP 是啥啊，并发给本地域名服务器 (本地 DNS)。那本地域名服务器 (本地 DNS) 是什么呢？如果是通过 DHCP 配置，本地 DNS 由你的网络服务商（ISP），如电信、移动等自动分配，它通常就在你网络服务商的某个机房。
- 本地 DNS 收到来自客户端的请求。你可以想象这台服务器上缓存了一张域名与之对应IP 地址的大表格。如果能找到 www.163.com，它直接就返回 IP 地址。如果没有，本地DNS 会去问它的根域名服务器：“老大，能告诉我 www.163.com 的 IP 地址吗？”根域名服务器是最高层次的，全球共有 13 套。它不直接用于域名解析，但能指明一条道路。
- 根 DNS 收到来自本地 DNS 的请求，发现后缀是 .com，说：“哦，www.163.com啊，这个域名是由.com 区域管理，我给你它的顶级域名服务器的地址，你去问问它吧。”
- 本地 DNS 转向问顶级域名服务器：“老二，你能告诉我 www.163.com 的 IP 地址吗？”顶级域名服务器就是大名鼎鼎的比如 .com、.net、 .org 这些一级域名，它负责管理二级域名，比如 163.com，所以它能提供一条更清晰的方向。
- 顶级域名服务器说：“我给你负责 www.163.com 区域的权威 DNS 服务器的地址，你去问它应该能问到。”
- 本地 DNS 转向问权威 DNS 服务器：“您好，www.163.com 对应的 IP 是啥呀？”163.com 的权威 DNS 服务器，它是域名解析结果的原出处。为啥叫权威呢？就是我的域名我做主。
- 权限 DNS 服务器查询后将对应的 IP 地址 X.X.X.X 告诉本地 DNS。
- 本地 DNS 再将 IP 地址返回客户端，客户端和目标建立连接。
负载均衡
站在客户端角度，这是一次DNS 递归查询过程。因为本地 DNS 全权为它效劳，它只要坐等结果即可。在这个过程中，DNS 除了可以通过名称映射为 IP 地址，它还可以做另外一件事，就是负载均衡。
DNS 首先可以做内部负载均衡。
例如，一个应用要访问数据库，在这个应用里面应该配置这个数据库的 IP 地址，还是应该配置这个数据库的域名呢？显然应该配置域名，因为一旦这个数据库，因为某种原因，换到了另外一台机器上，而如果有多个应用都配置了这台数据库的话，一换 IP 地址，就需要将这些应用全部修改一遍。但是如果配置了域名，则只要在 DNS 服务器里，将域名映射为新的 IP 地址，这个工作就完成了，大大简化了运维。
在这个基础上，我们可以再进一步。例如，某个应用要访问另外一个应用，如果配置另外一个应用的 IP 地址，那么这个访问就是一对一的。但是当被访问的应用撑不住的时候，我们其实可以部署多个。但是，访问它的应用，如何在多个之间进行负载均衡？只要配置成为域名就可以了。在域名解析的时候，我们只要配置策略，这次返回第一个 IP，下次返回第二个 IP，就可以实现负载均衡了。
另外一个更加重要的是，DNS 还可以做全局负载均衡。为了保证我们的应用高可用，往往会部署在多个机房，每个地方都会有自己的 IP 地址。当用户访问某个域名的时候，这个 IP 地址可以轮询访问多个数据中心。如果一个数据中心因为某种原因挂了，只要在 DNS 服务器里面，将这个数据中心对应的 IP 地址删除，就可以实现一定的高可用。
另外，我们肯定希望北京的用户访问北京的数据中心，上海的用户访问上海的数据中心，这样，客户体验就会非常好，访问速度就会超快。这就是全局负载均衡的概念。
示例：DNS访问数据中心中对象存储上的静态资源
假设全国有多个数据中心，托管在多个运营商，每个数据中心三个可用区（AvailableZone）。对象存储通过跨可用区部署，实现高可用性。在每个数据中心中，都至少部署两个内部负载均衡器，内部负载均衡器后面对接多个对象存储的前置服务器（Proxy-server）。
- 当一个客户端要访问 object.yourcompany.com 的时候，需要将域名转换为 IP 地址进行访问，所以它要请求本地 DNS 解析器。
- 本地 DNS 解析器先查看看本地的缓存是否有这个记录。如果有则直接使用，因为上面的过程太复杂了，如果每次都要递归解析，就太麻烦了。
- 如果本地无缓存，则需要请求本地的 DNS 服务器。
- 本地的 DNS 服务器一般部署在你的数据中心或者你所在的运营商的网络中，本地 DNS服务器也需要看本地是否有缓存，如果有则返回，因为它也不想把上面的递归过程再走一遍。
- 至 7. 如果本地没有，本地 DNS 才需要递归地从根 DNS 服务器，查到.com 的顶级域名服务器，最终查到 yourcompany.com 的权威 DNS 服务器，给本地 DNS 服务器，权威 DNS 服务器按说会返回真实要访问的 IP 地址。
对于不需要做全局负载均衡的简单应用来讲，yourcompany.com 的权威 DNS 服务器可以直接将 object.yourcompany.com 这个域名解析为一个或者多个 IP 地址，然后客户端可以通过多个 IP 地址，进行简单的轮询，实现简单的负载均衡。但是对于复杂的应用，尤其是跨地域跨运营商的大型应用，则需要更加复杂的全局负载均衡机制，因而需要专门的设备或者服务器来做这件事情，这就是全局负载均衡器（GSLB，Global Server Load Balance）。
在 yourcompany.com 的 DNS 服务器中，一般是通过配置 CNAME 的方式，给object.yourcompany.com 起一个别名，例如 object.vip.yourcomany.com，然后告诉本地 DNS 服务器，让它请求 GSLB 解析这个域名，GSLB 就可以在解析这个域名的过程中，通过自己的策略实现负载均衡。
图中画了两层的 GSLB，是因为分运营商和地域。我们希望不同运营商的客户，可以访问相同运营商机房中的资源，这样不跨运营商访问，有利于提高吞吐量，减少时延。
- 第一层 GSLB，通过查看请求它的本地 DNS 服务器所在的运营商，就知道用户所在的运营商。假设是移动，通过 CNAME 的方式，通过另一个别名object.yd.yourcompany.com，告诉本地 DNS 服务器去请求第二层的 GSLB。
- 第二层 GSLB，通过查看请求它的本地 DNS 服务器所在的地址，就知道用户所在的地理位置，然后将距离用户位置比较近的 Region 里面，六个内部负载均衡（SLB，ServerLoad Balancer）的地址，返回给本地 DNS 服务器。
- 本地 DNS 服务器将结果返回给本地 DNS 解析器。
- 本地 DNS 解析器将结果缓存后，返回给客户端。5. 客户端开始访问属于相同运营商的距离较近的 Region 1 中的对象存储，当然客户端得到了六个 IP 地址，它可以通过负载均衡的方式，随机或者轮询选择一个可用区进行访问。对象存储一般会有三个备份，从而可以实现对存储读写的负载均衡。
传统 DNS 存在哪些问题？
1.域名缓存问题
它可以在本地做一个缓存，也就是说，不是每一个请求，它都会去访问权威 DNS 服务器，而是访问过一次就把结果缓存到自己本地，当其他人来问的时候，直接就返回这个缓存数据。如果没有刷新这个缓存，会导致问题。
另外，有的运营商会把一些静态页面，缓存到本运营商的服务器内，这样用户请求的时候，就不用跨运营商进行访问，这样既加快了速度，也减少了运营商之间流量计算的成本。在域名解析的时候，不会将用户导向真正的网站，而是指向这个缓存的服务器。
再就是本地的缓存，往往使得全局负载均衡失败，因为上次进行缓存的时候，缓存中的地址不一定是这次访问离客户最近的地方，如果把这个地址返回给客户，那肯定就会绕远路。
2.域名转发问题
缓存问题还是说本地域名解析服务，还是会去权威 DNS 服务器中查找，只不过不是每次都要查找。
这样的问题是，如果是 A 运营商的客户，访问自己运营商的 DNS 服务器，如果 A 运营商去权威 DNS 服务器查询的话，权威 DNS 服务器知道你是 A 运营商的，就返回给一个部署在 A 运营商的网站地址，这样针对相同运营商的访问，速度就会快很多。
但是 A 运营商偷懒，将解析的请求转发给 B 运营商，B 运营商去权威 DNS 服务器查询的话，权威服务器会误认为，你是 B 运营商的，那就返回给你一个在 B 运营商的网站地址吧，结果客户的每次访问都要跨运营商，速度就会很慢。
3.出口NAT问题
前面讲述网关的时候，我们知道，出口的时候，很多机房都会配置NAT，也即网络地址转换，使得从这个网关出去的包，都换成新的 IP 地址，当然请求返回的时候，在这个网关，再将 IP 地址转换回去，所以对于访问来说是没有任何问题。
但是一旦做了网络地址的转换，权威的 DNS 服务器，就没办法通过这个地址，来判断客户到底是来自哪个运营商，而且极有可能因为转换过后的地址，误判运营商，导致跨运营商的访问。
4.域名更新问题
本地 DNS 服务器是由不同地区、不同运营商独立部署的。对域名解析缓存的处理上，实现策略也有区别，有的会偷懒，忽略域名解析结果的 TTL 时间限制，在权威 DNS 服务器解析变更的时候，解析结果在全网生效的周期非常漫长。但是有的时候，在 DNS 的切换中，场景对生效时间要求比较高。
例如双机房部署的时候，跨机房的负载均衡和容灾多使用 DNS 来做。当一个机房出问题之后，需要修改权威 DNS，将域名指向新的 IP 地址，但是如果更新太慢，那很多用户都会出现访问异常。
5.解析延迟问题
DNS 的查询过程需要递归遍历多个 DNS 服务器，才能获得最终的解析结果，这会带来一定的时延，甚至会解析超时。
HTTPDNS 的工作模式
HTTPNDS 其实就是，不走传统的 DNS 解析，而是自己搭建基于 HTTP 协议的 DNS 服务器集群，分布在多个地点和多个运营商。当客户端需要 DNS 解析的时候，直接通过HTTP 协议进行请求这个服务器集群，得到就近的地址。
这就相当于每家基于 HTTP 协议，自己实现自己的域名解析，自己做一个自己的地址簿，而不使用统一的地址簿。但是默认的域名解析都是走 DNS 的，因而使用 HTTPDNS 需要绕过默认的 DNS 路径，就不能使用默认的客户端。使用 HTTPDNS 的，往往是手机应用，需要在手机端嵌入支持 HTTPDNS 的客户端 SDK。
HTTPDNS 的工作模式：
在客户端的 SDK 里动态请求服务端，获取 HTTPDNS 服务器的 IP 列表，缓存到本地。随着不断地解析域名，SDK 也会在本地缓存 DNS 域名解析的结果。
当手机应用要访问一个地址的时候，首先看是否有本地的缓存，如果有就直接返回。这个缓存和本地 DNS 的缓存不一样的是，这个是手机应用自己做的，而非整个运营商统一做的。如何更新、何时更新，手机应用的客户端可以和服务器协调来做这件事情。如果本地没有，就需要请求 HTTPDNS 的服务器，在本地 HTTPDNS 服务器的 IP 列表中，选择一个发出 HTTP 的请求，会返回一个要访问的网站的 IP 列表。
手机客户端自然知道手机在哪个运营商、哪个地址。由于是直接的 HTTP 通信，HTTPDNS服务器能够准确知道这些信息，因而可以做精准的全局负载均衡。
当然，当所有这些都不工作的时候，可以切换到传统的 LocalDNS 来解析，慢也比访问不到好。那 HTTPDNS 是如何解决上面的问题的呢？
其实归结起来就是两大问题。一是解析速度和更新速度的平衡问题，二是智能调度的问题，对应的解决方案是 HTTPDNS 的缓存设计和调度设计。
HTTPDNS 的缓存设计
HTTPDNS 的调度设计
由于客户端嵌入了 SDK，因而就不会因为本地 DNS 的各种缓存、转发、NAT，让权威DNS 服务器误会客户端所在的位置和运营商，而可以拿到第一手资料。
客户端：
可以知道手机是哪个国家、哪个运营商、哪个省，甚至哪个市，HTTPDNS 服务端可以根据这些信息，选择最佳的服务节点返回。
如果有多个节点，还会考虑错误率、请求时间、服务器压力、网络状况等，进行综合选择，而非仅仅考虑地理位置。当有一个节点宕机或者性能下降的时候，可以尽快进行切换。
要做到这一点，需要客户端使用 HTTPDNS 返回的 IP 访问业务应用。客户端的 SDK 会收集网络请求数据，如错误率、请求时间等网络请求质量数据，并发送到统计后台，进行分析、聚合，以此查看不同的 IP 的服务质量。
服务端：
应用可以通过调用 HTTPDNS 的管理接口，配置不同服务质量的优先级、权重。HTTPDNS 会根据这些策略综合地理位置和线路状况算出一个排序，优先访问当前那些优质的、时延低的 IP 地址。
HTTPDNS 通过智能调度之后返回的结果，也会缓存在客户端。为了不让缓存使得调度失真，客户端可以根据不同的移动网络运营商 WIFI 的 SSID 来分维度缓存。不同的运营商或者 WIFI 解析出来的结果会不同。
十七、CDN
全球有这么多的数据中心，无论在哪里上网，临近不远的地方基本上都有数据中心。这些分布在各个地方的各个数据中心的节点，称为边缘节点。由于边缘节点数目比较多，但是每个集群规模比较小，不可能缓存下来所有东西，因而可能无法命中，这样就会在边缘节点之上。有区域节点，规模就要更大，缓存的数据会更多，命中的概率也就更大。在区域节点之上是中心节点，规模更大，缓存数据更多。如果还不命中，就只好回源网站访问了。
这就是CDN 的分发系统的架构。CDN 系统的缓存，也是一层一层的，能不访问后端真正的源，就不打扰它。这也是电商网站物流系统的思路。
有了这个分发系统之后，接下来就是，客户端如何找到相应的边缘节点进行访问呢？
还记得我们讲过的基于 DNS 的全局负载均衡吗？这个负载均衡主要用来选择一个就近的同样运营商的服务器进行访问。你会发现，CDN 分发网络也是一个分布在多个区域、多个运营商的分布式系统，也可以用相同的思路选择最合适的边缘节点。
在没有 CDN 的情况下，用户向浏览器输入 www.web.com 这个域名，客户端访问本地DNS 服务器的时候，如果本地 DNS 服务器有缓存，则返回网站的地址；如果没有，递归查询到网站的权威 DNS 服务器，这个权威 DNS 服务器是负责 web.com 的，它会返回网站的 IP 地址。本地 DNS 服务器缓存下 IP 地址，将 IP 地址返回，然后客户端直接访问这个 IP 地址，就访问到了这个网站。
然而有了 CDN 之后，情况发生了变化。在 web.com 这个权威 DNS 服务器上，会设置一个 CNAME 别名，指向另外一个域名 www.web.cdn.com，返回给本地 DNS 服务器。
当本地 DNS 服务器拿到这个新的域名时，需要继续解析这个新的域名。这个时候，再访问的就不是 web.com 的权威 DNS 服务器了，而是 web.cdn.com 的权威 DNS 服务器，这是 CDN 自己的权威 DNS 服务器。在这个服务器上，还是会设置一个 CNAME，指向另外一个域名，也即 CDN 网络的全局负载均衡器。
当本地 DNS 服务器拿到这个新的域名时，需要继续解析这个新的域名。这个时候，再访问的就不是 web.com 的权威 DNS 服务器了，而是 web.cdn.com 的权威 DNS 服务器，这是 CDN 自己的权威 DNS 服务器。在这个服务器上，还是会设置一个 CNAME，指向另外一个域名，也即 CDN 网络的全局负载均衡器。
接下来，本地 DNS 服务器去请求 CDN 的全局负载均衡器解析域名，全局负载均衡器会为用户选择一台合适的缓存服务器提供服务，选择的依据包括：
- 根据用户 IP 地址，判断哪一台服务器距用户最近；
- 用户所处的运营商；
- 根据用户所请求的 URL 中携带的内容名称，判断哪一台服务器上有用户所需的内容；
- 查询各个服务器当前的负载情况，判断哪一台服务器尚有服务能力。
基于以上这些条件，进行综合分析之后，全局负载均衡器会返回一台缓存服务器的 IP 地址。本地 DNS 服务器缓存这个 IP 地址，然后将 IP 返回给客户端，客户端去访问这个边缘节点，下载资源。缓存服务器响应用户请求，将用户所需内容传送到用户终端。如果这台缓存服务器上并没有用户想要的内容，那么这台服务器就要向它的上一级缓存服务器请求内容，直至追溯到网站的源服务器将内容拉到本地。
CDN 可以进行缓存的内容有很多种。
静态内容中，有一种特殊的内容，也大量使用了 CDN，这个就是前面讲过的流媒体。
CDN 支持流媒体协议，例如前面讲过的 RTMP 协议。在很多情况下，这相当于一个代理，从上一级缓存读取内容，转发给用户。由于流媒体往往是连续的，因而可以进行预先缓存的策略，也可以预先推送到用户的客户端。
对于静态页面来讲，内容的分发往往采取拉取的方式，也即当发现未命中的时候，再去上一级进行拉取。但是，流媒体数据量大，如果出现回源，压力会比较大，所以往往采取主动推送的模式，将热点数据主动推送到边缘节点。
对于流媒体来讲，很多 CDN 还提供预处理服务，也即文件在分发之前，经过一定的处理。例如将视频转换为不同的码流，以适应不同的网络带宽的用户需求；再如对视频进行分片，降低存储压力，也使得客户端可以选择使用不同的码率加载不同的分片。这就是我们常见的，“我要看超清、标清、流畅等”。
对于流媒体 CDN 来讲，有个关键的问题是防盗链问题。因为视频是要花大价钱买版权的，为了挣点钱，收点广告费，如果流媒体被其他的网站盗走，在人家的网站播放，那损失可就大了。最常用也最简单的方法就是HTTP 头的 refer 字段， 当浏览器发送请求的时候，一般会带上 referer，告诉服务器是从哪个页面链接过来的，服务器基于此可以获得一些信息用于处理。如果 refer 信息不是来自本站，就阻止访问或者跳到其它链接。
refer 的机制相对比较容易破解，所以还需要配合其他的机制。一种常用的机制是时间戳防盗链。使用 CDN 的管理员可以在配置界面上，和 CDN 厂商约定一个加密字符串。客户端取出当前的时间戳，要访问的资源及其路径，连同加密字符串进行签名算法得到一个字符串，然后生成一个下载链接，带上这个签名字符串和截止时间戳去访问 CDN。在 CDN 服务端，根据取出过期时间，和当前 CDN 节点时间进行比较，确认请求是否过期。然后 CDN 服务端有了资源及路径，时间戳，以及约定的加密字符串，根据相同的签名算法计算签名，如果匹配则一致，访问合法，才会将资源返回给客户。
然而比如在电商仓库中，我在前面提过，有关生鲜的缓存就是非常麻烦的事情，这对应着就是动态的数据，比较难以缓存。怎么办呢？现在也有动态 CDN，主要有两种模式。
- 生鲜超市模式，也即边缘计算的模式。既然数据是动态生成的，所以数据的逻辑计算和存储，也相应的放在边缘的节点。其中定时从源数据那里同步存储的数据，然后在边缘进行计算得到结果。就像对生鲜的烹饪是动态的，没办法事先做好缓存，因而将生鲜超市放在你家旁边，既能够送货上门，也能够现场烹饪，也是边缘计算的一种体现。
- 冷链运输模式，也即路径优化的模式。数据不是在边缘计算生成的，而是在源站生成的，但是数据的下发则可以通过 CDN 的网络，对路径进行优化。因为 CDN 节点较多，能够找到离源站很近的边缘节点，也能找到离用户很近的边缘节点。中间的链路完全由 CDN 来规划，选择一个更加可靠的路径，使用类似专线的方式进行访问。
对于常用的 TCP 连接，在公网上传输的时候经常会丢数据，导致 TCP 的窗口始终很小，发送速度上不去。根据前面的 TCP 流量控制和拥塞控制的原理，在 CDN 加速网络中可以调整 TCP 的参数，使得 TCP 可以更加激进地传输数据。可以通过多个请求复用一个连接，保证每次动态请求到达时。连接都已经建立了，不必临时三次握手或者建立过多的连接，增加服务器的压力。另外，可以通过对传输数据进行压缩，增加传输效率。所有这些手段就像冷链运输，整个物流优化了，全程冷冻高速运输。不管生鲜是从你旁边的超市送到你家的，还是从产地送的，保证到你家是新鲜的。