شبکه توزیع محتوا یا CDN چیست؟

یک شبکه توزیع محتوا یا (CDN)، شبکه ای از پراکسی سرور های قرار گرفته در محل های جغرافیایی مختلف به همراه مرکز داده های آن ها (دیتاسنتر ها) می باشد.

هدف این شبکه ها، توزیع خدمات به صورت فاصله ای نسبت به کاربران، به منظور ارائه دسترسی و عملکرد بالا است. CDN ها امروزه، بخش بزرگی از محتوای اینترنت شامل اشیا وب (متن، گرافیک و اسکریپت ها)، اشیا قابل دانلود ( فایل های صوتی و تصویری، نرم افزار و اسناد)، اپلیکیشن ها ( تجارت الکترونیکی، درگاه ها)، استریم زنده، استریم بر اساس تقاضا و شبکه های اجتماعی را تشکیل می دهند.

واژه CDN (Content Delivery Network) ، مانند چتر عمل می کند و شامل انواع خدمات توزیع محتوای مختلفی از قبیل استریم ویدیو، دانلود نرم افزار، تسریع محتوای وب و موبایل ،CDN های پروانه دار/ متعلق به شخص ثالث، کشینگ شفاف، خدماتی برای ارزیابی عملکرد CDN ها، متعادل کردن بار، سوییچینگ چند CDN و تجزیه و تحلیل و هوش ابری می باشد. فروشندگان CDN می توانند به صورت مشترک در صنایع دیگر مانند امنیت و بهینه سازی WAN فعال باشند.

CDN ها یک لایه در اکوسیستم اینترنت به شمار می ورند. صاحبان محتوا مانند شرکت های رسانه ای و فروشندگان تجارت الکترونیک به اپراتور های CDN پول می دهند تا محتوای آن ها را به کاربران هدفشان برساند. CDN ها به همین ترتیب برای میزبانی سرورهایشان در دیتا سنتر های ارائه دهندگان سرویس اینترنت (ISP) ، اپراتور های تلفن همراه و شبکه، به آن ها پول می دهند.

فناوری CDN

گره های CDN اغلب در چند محل و بر روی چند ستون فقرات(اینترنت) قرار می گیرند. مزایای آن شامل کاهش هزینه پهنای باند، بهبود زمان بارگذاری صفحات و یا افزایش در دسترس بودن محتوا به صورت جهانی می باشد. تعداد گره ها و سرور های تشکیل دهنده CDN ها بسته به معماری آن ها متفاوت است. این تعداد در برخی از آن ها به هزاران گره و ده ها هزار سرور بر روی تعداد زیادی نقاط حضور PoP راه دور می رسد. برخی دیگر از CDN ها، شبکه ای جهانی می سازند و تعداد PoP های جغرافیایی کمتری دارند.

درخواست های محتوا اغلب به صورت الگوریتمی به (نود) گره هایی که به طریقی بهینه هستند هدایت می شوند.زمانی که هدف، بهینه سازی عملکرد است ممکن است محل هایی که برای ارائه محتوا به کاربر مناسب تر هستند انتخاب شوند. این کار از طریق انتخاب مکان هایی که کمترین تعداد Hop را دارند یا کمترین ثانیه شبکه ای را از درخواست کننده دور هستند یا بیشترین دسترسی را از نظر عملکرد سرور( هم عملکرد فعلی و هم تاریخچه عملکرد آن ) دارند انجام می شود.

هدف از این کار بهینه سازی توزیع محتوا در بین شبکه های محلی است. زمانی که هدف، بهینه سازی هزینه می باشد، مکان هایی که که کمترین هزینه را دارند انتخاب می شوند. در یک سناریو ایده​آل، این دو هدف در یک راستا قرار خواهند گرفت زیرا “سرور های لبه” که به کاربران هدف در لبه شبکه نزدیک هستند ممکن است از نظر عملکرد یا هزینه برتری داشته باشند.

بیشتر ارائه دهندگان CDN، سرویس های خود را بسته به میزان پوشش موردنظر(به عنوان مثال ایالات متحده، بین المللی، آسیا و اقیانوسیه و…) بر روی مجموعه های مختلف و تعریف شده ای از PoP ها ارائه می کنند. این مجموعه PoP ها را می توان “لبه ها”، “گره های لبه ای” و یا “شبکه های لبه ای” نامید زیرا آن ها نزدیک ترین لبه CDN ها به کاربران نهایی به شمار می روند.

شبکه لبه ای CDN از نقطه شروع خود به سمت بیرون گسترش می یابد. این کار با تملک ( خرید، Peering یا معاوضه) امکانات هم محل،پهنای باند و سرور ها انجام می گیرد.

روش های شبکه سازی محتوا

اینترنت بر مبنای اصل انتها به انتها (end-to-end) طراحی شده است. این اصل هسته شبکه را نسبتا ساده نگه می دارد و هوش را تا جای ممکن به نقاط پایانی شبکه یعنی میزبان و کلاینت ها منتقل می کند. در نتیجه، هسته شبکه ساده سازی شده، بهینه سازی شده و مختص انتقال بسته های داده خواهد بود.

شبکه توزیع محتوا شبکه انتقال end-to-end را با توزیع آن بر روی برنامه های کاربردی هوشمند مختلفی که از روش هایی برای بهینه سازی توزیع محتوا استفاده می کنند، تقویت می کند. پوشش یکپارچه حاصل از این کار از روش هایی مانند وب کشینگ، متعادل کردن بار سرور، مسیردهی درخواستی و خدمات محتوا استفاده می کنند. این روش ها به اختصار معرفی می شوند:

حافظه های نهان مخصوص وب محتواهای محبوب را بر روی سرور هایی که بیشترین تقاضا را برای محتوای خواسته شده دارند ذخیره می کنند. این  ابزار اشتراکی شبکه، پهنای باند مورد نیاز و بار سرور را کاهش می دهند و زمان پاسخ دهی برای محتواهایی که در حافظه نهان (کش) ذخیره شده اند بهبود می بخشند.حافظه های نهان وب یا بر اساس درخواست های کاربران پر شده (pull caching) و یا براساس محتوای از قبل بارگذاری شده که قبلا توسط سرور های محتوا منتشر شده(push caching) پر می شوند.

متعادل کردن بار سرور از یک یا چند روش شامل روش های بر مبنای خدمت( متعادل سازی بار سراسری) یا روش های بر مبنای سخت افزار که از سوییچ لایه 4-7(که به آن سوییچ وب نیز گفته می شود)، سوییچ محتوا یا سوییچ چندلایه ای برای به اشتراک گذاری ترافیک میان تعدادی سرور یا حافظه نهان استفاده می کنند. در این حالت به سوییچ یک IP مجازی اختصاص می یابد. سپس ترافیکی که وارد سوییچ می شود به یکی از سرور های حقیقی که به آن متصل هستند هدایت می شود. مزایای این کار متعادل کردن بار، افزایش ظرفیت کل، بهبود مقیاس پذیری و ارائه اطمینان پذیری بیشتر با توزیع مجدد بار یک سرور خراب و ارائه خدمات بررسی سلامت سرور ها می باشد.

یک خوشه محتوا یا گره ی سرویس می تواند با استفاده از سوییچ لایه 4-7 تشکیل شود تا بار بر روی چند سرور و یا چند حافظه نهان موجود در شبکه را متعادل کند.

مسیردهی درخواستی درخواست های کلاینت را منبع محتوایی هدایت می کند که بهتر می تواند درخواست موردنظر را انجام دهد. این کار ممکن است شامل مسیردهی یک درخواست به یک گره ی سرویس که نزدیک ترین فاصله با کلاینت یا بیشترین ظرفیت را دارد، باشد. از الگوریتم های مختلفی برای مسیردهی درخواست مور نظر استفاده می شود. این ها شامل متعادل سازی سراسری بار سرور، مسیردهی درخواست بر مبنای DNS، ایجاد متافایل به صورت پویا، بازنویسی HTML و Anycast می باشد. نزدیکی (انتخاب نزدیک ترین نودِ سرویس) با استفاده از روش های مختلفی شامل جستجوی واکنش پذیر (reactive probing)، جستجوی پیشگیرانه (proactive probing) و مانیتورینگ ارتباط تخمین زده می شود.

CDN ها از روش های مختلف توزیع محتوا شامل ( اما نه محدود به ) کپی کردن دستی محتوا، حافظه های نهان وب فعال و متعادل کننده های بار کل به صورت سخت افزاری استفاده می کنند.

پروتکل های خدمات محتوا

چندین پروتکل به منظور ارائه دسترسی به خدمات محتوای متنوعی که در سرتاسر یک شبکه محتوا توزیع شده اند، طراحی شده اند.

پروتکل  (Internet Content Adaptation Protocol (ICAP، در اواخر دهه 1990 ابداع شد تا استانداردی باز را برای اتصال سرور های کاربردی ارائه دهد. راه حل جدیدتر و قوی تر توسط پروتکل Open Pluggable Edge Services(OPES) ارائه شده است. این معماری، کاربرد های خدماتی OPES  را تعریف می کند که می توانند خود در پردازنده OPES باقی بمانند و یا به صورت از راه دور بر روی یک سرور Callout، اجرا شوند. Edge Side Includes یا ESI یک زبان نشانه گذاری کوچک است که برای بهم پیوند دادن محتوای وب پویا در سطح لبه استفاده می شود.

برای وب سایت ها بسیار متداول است تا محتوای تولید شده داشته باشند.این امر می تواند در نتیجه محتوای تغییرپذیر مانند کاتالوگ ها و انجمن ها و یا در نتیجه شخصی سازی باشد. این حالت باعث ایجاد مشکلاتی برای سیستم های کشینگ می شود. برای حل این مشکل، گروهی از شرکت ها ESI را ابداع کردند.

CDN های همتا به همتا (Peer to Peer)

در شبکه های توزیع محتوای همتا به همتا(P2P)، کلاینت ها منابع را فراهم می کنند و در عین حال از آن ها استفاده می کنند. این بدان معناست که بر خلاف سیستم های سرور-کلاینت، شبکه های محتوا محور می توانند عملکرد بهتری داشته باشند زیرا کاربران بیشتری شروع به دسترسی به آن محتوا خواهند کرد(به خصوص با کمک پروتکل هایی مانند BitTorrent که کاربران را وادار به اشتراک گذاری می کنند). این خاصیت یکی از مزایای اصلی استفاده از شبکه های P2P است زیرا هزینه آماده سازی و اجرا را برای توزیع کننده اولیه محتوا بسیار ناچیز خواهد کرد.

CDN های خصوصی

اگر مالکان محتوا از گزینه ها یا هزینه های خدمات CDN های تجاری رضایت نداشته باشند می توانند CDN های خود را ایجاد کنند. به این نوع CDN ها، خصوصی گفته می شود. یک CDN خصوصی شامل PoP هایی می شود که تنها محتوای مالکشان را ارائه می کنند. این PoP ها می توانند سرورهای کشینگ، پراکسی های معکوس و یا کنترلر های تحویل کاربرد باشند. آن ها می توانند به سادگی دو سرور کشینگ ساده باشند و یا به اندازه ای بزرگ باشند که بتوانند پتابایت ها از محتوا را ارائه دهند.

روند CDN ها

ظهور CDN های مخابراتی

رشد سریع ترافیک ناشی از پخش آنلاین ویدیو هزینه های سرمایه ای فراوانی را برای ارائه دهندگان اینترنت پرسرعت در بر دارد. این هزینه ها ناشی از نیاز به پاسخ دهی به این حجم تقاضا و حفظ مشترکان با ارائه سرویس اینترنت با کیفیت به حد کافی خوب است.

برای حل این مشکل، ارائه دهندگان سرویس های مخابراتی(TSP)، شروع به ساخت شبکه های توزیع محتوای مخصوص به خود کرده اند تا از این طریق، میزان تقاضا بر روی ستون فقرات اینترنت را کم کنند و همچنین هزینه زیرساخت های مورد نیاز را کاهش دهند.

مزایای CDN های مخابراتی

به دلیل این که CDN های مخابراتی مالک شبکه ای هستند که محتوای ویدیویی بر روی آن پخش می شود، مزایی نسبت به CDN های معمولی دارند.

آن ها مالک مایل آخر شبکه محسوب می شوند و می توانند محتوا را در فاصله نزدیک تری به کاربر نهایی تحویل دهند زیرا محتوا می تواند به طور عمیق در حافظه نهان شبکه ی آن ها قرار بگیرد. این کشینگ عمیق فاصله ای را که داده ی ویدیویی در بستر اینترنت عمومی طی می کند، به حداقل می رساند و آن را سریع تر و قابل اطمینان تر تحویل می دهد.

CDN های مخابراتی به طور ذاتی دارای مزیت هزینه کمتر نیز هستند زیرا CDN های معمولی باید از آن ها پهنای باند اجاره کنند و هزینه های حاشیه ای اپراتور را نیز وارد ساختار هزینه های خود کنند.

به علاوه، با استفاده از زیرساخت های توزیع محتوای خود، اپراتور های مخابراتی کنترل بیشتری بر روی نحوه استفاده از منابعشان دارند. عملیات مدیریت محتوا که توسط CDN ها انجام می شود اغلب بدون هیچ گونه اطلاعات یا با اطلاعات محدودی نسبت به شبکه( توپولوژی، استفاده و…) اپراتور های مخابراتی، که با آن ها تعامل و رابطه تجاری دارند، انجام می شود. این کار چالش هایی را برای اپراتور های مخابراتی که در مواجه با اثر این عملیات بر روی میزان استفاده از منابع آن ها، دایره اقدامات عملی محدودی دارند ایجاد می کند.

به طور متضاد، استفاده از CDN های مخابراتی به اپراتور ها اجازه می دهد تا عملیات مدیریت محتوای خودشان را اجرا کنند. این کار به آن ها کنترل بیشتری بر روی نحوه استفاده از منابعشان می دهد و در نتیجه، باعث افزایش کیفیت سرویس ها و رضایت مصرف کنندگان خواهد شد.

CDN های متحد

در ژوئن 2011،  StreamingMedia.com گزارش داد که گروهی از ارائه دهندگان سرویس های مخابراتی(TSP)،طرحی به نام مبادله اپراتوری(OCX) ایجاد کردند تا شبکه هایشان را به یکدیگر متصل کنند و به طور مستقیم به رقابت با CDN های بزرگی مانند  Akamai یا Limelight Networks که پوشش  PoP های کاملی در سرتاسر جهان دارند، بپردازند. با این روش، شرکت های مخابراتی در حال ساخت یک CDN متحد هستند که پیشنهاد بسیار جذاب تری برای یک ارائه دهنده ی محتوا که قصد دارد محتوای خود را به دست مجموعه مخاطبین این اتحادیه برساند، می باشد.

این احتمال وجود دارد که در آینده ای نزدیک، اتحادیه های CDN بیشتری ایجاد شوند. این اتحادیه ها با عضویت شرکت های مخابراتی جدید که زیر ساخت های شبکه و مشترکین اینترنت خود را به اتحادیه اضافه می کنند، گسترش می یابند.

edns-client-subnet EDNS0

در آگوست 2011، یک کنسرسیوم متشکل از برترین ارائه دهندگان سرویس اینترنت به رهبری گوگل، بکارگیری رسمی پیش نویس اینترنت edns-client-subnet IETF که هدف آن تعیین محل دقیق پاسخ های DNS می باشد را اعلام کرد. این گروه شامل تعداد محدودی از برترین ارائه دهندگان سرویس DNS و CDN  می باشد. با حالت edns-client-subnet EDNS0، سرور های DNS بازگشتی مربوط به CDN ها از آدرس IP کلاینت Subnet درخواست کننده، برای تبدیل درخواست های DNS استفاده می کند. اگر یک CDN، به هنگام تبدیل درخواست های DNS، به جای تکیه بر آدرس IP کلاینت از IP مربوط به تبدیل کننده DNS استفاده کند ممکن است در صورتی که کلاینت از آدرس های Google anycast به عنوان تبدیل کننده DNS خود استفاده کند، موقعیت محلی او به اشتباه تشخیص داده شود که این امر خود موجب به وجود آمدن مشکلات زمانی و تاخیر خواهد شد. در ابتدا، DNS های  8.8.8.8شرکت گوگل، به ایالت کالیفرنیا مکان یابی می شدند که احتمالا بسیار دورتر از موقعیت واقعی کلاینت درخواست کننده بود اما امروزه، سرور های DNS عمومی گوگل در سرتاسر جهان قابل دسترس هستند.