基于EDNS优化的CDN精准调度方案探讨

作者：cdnfine 来源：cdnfine 发布时间：2020-10-13

1 引言

随着8k/VR等大视频业务的快速发展，以及双千兆网络的大力推广，用户对视频服务质量要求越来越高，要求大码率、零卡顿、低时延等极致体验。部分互联网内容提供商也要求在本地网提供服务，实现用户访问时快速提供服务。这就要求高防CDN运营商能够将CDN节点尽量下沉至靠近用户的地方，实现低时延高质量的CDN服务。

CDN服务节点下沉之后该如何实现流量的精准调度是本文考虑的重点。中国电信目前以省为单位集中部署Local DNS，由LDNS代理用户请求进行递归查询，这导致了依赖于DNS调度的准确度只能局限到以省为单位，难以满足大视频业务低时延的服务质量要求。

本文接下来将阐述如何基于EDNS优化以及CDN调度系统(GSLB)的优化来实现CDN的精准调度。

2 CDN调度现状

现有的互联网CDN的调度方式大部分是基于传统DNS的调度，CDN业务的调度流程可归纳分为两大部分，一是DNS解析流程，二是CDN资源调度流程，具体流程如图1所示。

基于EDNS优化的CDN精准调度方案探讨

图1 基于传统DNS的CDN调度流程

终端向LDNS发起DNS解析请求，LDNS根据用户请求的域名层层递归至DNS授权服务器，获取该域名的CNAME记录之后，LDNS根据CNAME之后的域名再次进行递归查询，最终获取CDN GSLB的地址并请求域名解析。

CDN GSLB根据LDNS的地址，进行查询和调度策略匹配，可定位用户属于某个省份，若该省份仅部署了一个节点，即向LDNS返回该节点IP，若该省份在多个地市均部署了CDN服务节点，则GSLB会对这些CDN节点进行轮询，随机分配一个节点，返回该节点的IP给LDNS。终端获取到最终的CDN服务节点的IP,向该节点发起服务请求。

现有的调度机制存在问题如下：

CDN GSLB对用户位置的判断依据是从DNS请求中获取Local DNS递归地址，而Local DNS以省为单位部署，所以GSLB能判断用户是属于某个省份，但无法实现地市级别的精准调度，会出现跨地市的CDN服务，网络时延大且不稳定，用户体验较差。

3 EDNS原理

为解决CDN精确调度的问题，Google等互联网公司提出了edns-client-subnet扩展协议（ECS协议），通过附加字段传递原始用户网络地址给权威DNS，从而权威DNS可根据原始用户源地址信息实现精准调度。目前IETF已发布相应的ECS协议RFC，为ECS的应用打下良好基础。

EDNS的基本原理如图2所示。

图2 EDNS基本原理

EDNS是DNS的逐跳扩展，因此，EDNS应用于每—对服务器之间，即递归解析器和权威服务器之间。递归解析器向权威服务器发送携带ECS选项的查询请求，ECS选项中包含了source prefix-length，并将用户地址截取至该长度，用0补齐。权威服务器返回的DNS响应包含scope-prefix-length，递归解析器根据source prefix-length, scope-prefix-length以及最大缓存长度的关系确定存储地址的长度，并将响应标记为对该范围内的所有地址有效。

RFC定义的EDNS0存在以下问题：

按照RFC7871定义，每个应答报文只能含有一个缓存生效地址段。同一个域名每个用户地址段至少需要一个缓存条目，对于一个省级ISP，用户IPv4源地址条目数一般能够达到几千条（以C类计算），这样一个域名在缓存中的条目数量大量膨胀。

根据ECS递归算法，来自不同用户地址段的同一个域名查询请求都需要进行递归查询。这样递归查询量大幅上升，资源消耗大幅上升。

4 CDN精准调度方案

为了解决上述EDNS以及现有高防CDN调度系统存在的问题，本文提出了一种基于ENDS优化的CDN精准调度方案。具体方案实现如图3所示。

图3 CDN精准调度方案

首先，LDNS升级支持ECS协议，并且支持根据业务模型规划调度单元将用户归类，为每个调度单元分配唯一映射地址，该映射地址为LDNS与CDN GSLB协商好的的地址。这样，在用户请求域名解析时，LDNS根据这个用户所在的调度单元，查询到该调度单元对应的映射地址，这时，LDNS不再携带用户原始IP,改为携带映射地址和CDN GSLB通信。

同时，LDNS支持多视频缓存，根据调度单元增设唯一对应的多分区缓存，普通域名继续使用公共分区，通过缓存分区可大幅度提升缓存命中率，减少递归流量。

虽然LDNS的递归可以同时兼容EDNS递归和普通递归，但EDNS递归比普通递归更加消耗资源，建议部署单独的EDNS递归，集中控制EDNS域名的递归或转发策略，实现递归解析分流，保障LDNS原有性能不降低。

CDN调度系统（GSLB）升级支持ECS协议，周期性探测各CDN节点状态，在收到LDNS的域名解析请求时，根据LDNS携带的ECS信息，优化调度算法，结合权重、节点服务质量、热点等综合考虑，返回最优的CDN节点IP,实现用户的精准调度。GSLB初期集中式部署，需要采集全国CDN节点的状态数据，当业务流量越来越大，免费CDN节点增多时，GSLB性能压力增大，建议采用分布式部署方式，提升GSLB性能和效率，实现用户请求的快速精准调度。

LDNS在收到CDN GSLB响应报文时，忽略掉报文里面的scope-prefix-length，根据source prefix-length存储地址的长度，并缓存对应的“映射地址段-CDN节点IP”条目。

5 试点应用

为了验证方案的可行性，项目团队部署了实验室测试环境，包含了现网DNS设备以及中国电信云公司CDN设备，主要测试厂商DNS系统和云公司的权威服务器之间的ECS功能测试，解析性能，以及安全防护能力。测试结果表明，现网主流厂商的DNS设备可以通过软件升级支持ECS功能，能够支持多视图缓存，以及ECS递归，云公司的GSLB系统可以通过升级支持ECS协议，实现将用户精准地调度至最靠近且服务质量最优的CDN节点提供服务，验证了上述章节的免费CDN精准调度方案的技术可行性。

进行了实验室测试验证之后，项目组在宁波进行了现网试点，从试运行采集到的数据来看（如图4所示），采用本方案实现精准调度后，宁波的用户会被精准调度至宁波的CDN节点，而未采用精准调度方案之前，宁波的用户会被随机调度至杭州或者温州的CDN节点提供服务。从用户体验提升较为明显，首包到达时延下降了60%，内容下载时间下降了80%以上。

基于EDNS优化的CDN精准调度方案探讨

图4 CDN精准调度前后服务质量对比

6 结束语

本文提出了基于EDNS优化的CDN精准调度方案，并进行了实验室验证和现网试点验证，通过对LDNS升级支持ECS，并优化支持多视图划分，地址映射以及分区缓存等功能，同时，对CDN调度系统优化支持智能调度，最终实现CDN的精准调度，满足大视频业务及互联网业务的服务质量要求，大大提升了用户体验，同时也为运营商对互联网业务的精细化运营奠定了基础。

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