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內容傳遞網路 (CDN)

#infrastructure #cdn #system-design
一句話定位

CDN 是一張地理分散的快取網路：把內容複製到全球各地、離使用者最近的 Edge 節點，讓請求就近命中而不必跨海打到源站。
本質是用空間換時間 —— 把「使用者 ↔ 源站」的長距離往返，換成「使用者 ↔ 鄰近 Edge」的短距離往返，同時把絕大多數流量擋在源站之外。面試重點不是「會不會用」，而是只放在該放的東西前面（靜態資源、高頻內容），而不是無腦把所有流量都塞進 CDN。

為什麼需要 CDN

現代服務面向全球使用者，但你的源站只在少數幾個 region。台灣使用者打到 us-east-1 的源站，一個來回（RTT）就要 200ms+，再加上 TCP 三次握手與 TLS 握手，光建立連線就吃掉 500ms~1s。使用者（以及面試官）對載入時間沒耐心，延遲直接轉化成跳出率與營收損失。

CDN 解決兩件事：

痛點 CDN 怎麼解
延遲（距離） 內容快取在離使用者最近的 Edge，RTT 從跨國降到同城等級
源站負載 命中 Edge 的請求永遠不會碰到源站，源站只服務 cache miss
頻寬成本 Edge 吐出的流量由 CDN 承擔，源站對外頻寬大幅下降
可用性 / 安全 DDoS 流量被 Edge 吸收，源站 IP 可隱藏在 CDN 後面

詳見 02-Distributed-Systems/05-Numbers-to-Know 對 RTT 與跨區延遲的量級。

運作流程：Cache Hit vs Cache Miss

CDN 是一層讀取快取（read-through cache），行為與 07-Caching-Storage/01-Caching 的 cache-aside / read-through 模式同源，只是分散在全球。

使用者請求 example.com/avatar.jpg
        │
        ▼
   DNS / Anycast 把請求導向「最近」的 Edge 節點 (PoP)
        │
        ▼
   ┌────────────────────────┐
   │  Edge 節點有快取嗎？     │
   └────────────────────────┘
        │                  │
     HIT（命中）        MISS（未命中）
        │                  │
        │                  ▼
        │         向 Origin 抓取 → 存進 Edge 快取（依 TTL）
        │                  │
        ▼                  ▼
   直接回傳給使用者     回傳給使用者（之後同區請求都變 HIT）
第一個使用者「暖快取」

每個 Edge 的快取是獨立的。亞洲第一個請求 avatar.jpg 的人會吃到 miss（要回源），但他幫整個亞洲區把快取暖好了，後面的人都是 hit。這就是為什麼 CDN 對高頻、多人共享的內容（頭像、熱門影片、JS bundle）效益最大。

架構特徵與術語

術語 說明
Edge Node（邊緣節點） 最靠近使用者的伺服器，負責回應快取內容；是使用者實際打到的點
PoP（Point of Presence） 一個地理據點（通常一個城市/IX），內含一群 Edge 節點；全球散布數十~數百個
Origin Server（源站） 內容的權威來源（你的應用伺服器或 07-Caching-Storage/02-Blob-Storage）
Cache Hierarchy 多層快取：Edge Cache → Regional / Shield Cache → Origin
協定支援 HTTP/HTTPS 為主，部分 CDN 支援 WebSocket、gRPC、API 加速

多層快取（Cache Hierarchy）為什麼重要

如果幾百個 Edge 同時 miss，全部直接打源站 → 源站照樣被打爆（這叫 thundering herd / cache stampede）。中間加一層 Regional Cache（也叫 Origin Shield） 收斂回源請求：

數百個 Edge ──┐
             ├─► Regional / Shield Cache ──► Origin（只看到極少量回源）
數百個 Edge ──┘

效果：原本 N 個 Edge × M 次 miss 的回源流量
     被 Shield 收斂成「每個物件回源一次」

這把源站要承受的回源 QPS 從「Edge 數量級」降到「物件數量級」，是大型 CDN 的標配。

常見功能（不只是快取）

功能 內容
內容快取 對 CSS / JS / 圖片 / 影片等靜態檔做快取（核心功能）
動態內容加速 TCP 優化、就近 TLS 終結、優化路由（CDN 骨幹網比公網更快）縮短回源延遲
安全防護 DDoS 吸收、WAF（Web Application Firewall）、Bot 防護、隱藏源站 IP
壓縮與優化 Gzip / Brotli 壓縮、圖片壓縮、自動轉 WebP/AVIF、自適應位元率（影片）
Edge Compute（邊緣運算） 在 Edge 節點跑程式邏輯（Cloudflare Workers、Akamai EdgeWorkers、Lambda@Edge）
動態內容也能「加速」，但不是「快取」

純動態回應（每人不同的 API 結果）不能快取，但 CDN 仍能加速：① 就近 TLS 終結（在 Edge 完成握手，不必跨海握手）② CDN 私有骨幹網比公網路由更短更穩 ③ 連線重用（Edge 到源站維持長連線池）。這是「Dynamic Content Acceleration」的本質 —— 優化的是傳輸路徑，不是快取命中。

Edge Compute 與 11-Infrastructure/04-Serverless 的關係

Edge Compute 本質是「跑在 CDN 節點上的 Serverless 函式」，特性與限制更嚴格（更短的執行時間、更小的記憶體、無法存取完整 OS）。常見用途：A/B 測試分流、改寫 header、JWT 驗證、個人化重導、地理路由 —— 把這些輕量邏輯下放到離使用者最近的地方，省掉一個跨海往返。

Cache Invalidation：CDN 最難的部分

電腦科學兩大難題：命名、快取失效（cache invalidation）、以及差一錯誤。CDN 把第二個難題放大到全球規模 —— 你更新了源站的圖片，但全球幾百個 Edge 還快取著舊版。

策略 做法 取捨
TTL（Time-to-Live） 設過期時間，過期才回源驗證；圖片設一週、CSS 設一天 簡單；但 TTL 內的更新看不到，TTL 太短又失去快取效益
版本號 / Hash Busting URL 帶版本或內容 hash：app.css?v=12345、app.a1b2c3.js 最推薦；改檔即改 URL，舊快取自然作廢，可放心設超長 TTL
Purge API（主動清除） 呼叫 CDN API 主動清掉指定檔案/路徑的快取 即時生效；但全球傳播需時間，且大量 purge 會造成回源尖峰
Stale-While-Revalidate（SWR） 過期後仍先回舊快取，同時背景靜默回源更新 使用者永遠不等待；代價是短暫看到舊內容（最終一致）
別用短 TTL 來「確保即時更新」

把 TTL 設成幾秒換取「即時」是反模式：hit ratio 崩潰、回源流量暴增、源站被打。正解是 immutable + hash busting —— 內容不變的檔案設超長 TTL（Cache-Control: max-age=31536000, immutable），要更新就換檔名/版本號。需要立即下架特定檔案（例如違規圖片）才用 Purge API。

推薦組合：
  HTML（入口、會變）        → 短 TTL 或 no-cache，總是拿到最新
  JS / CSS（hash 在檔名）   → max-age=1年, immutable（永不失效，靠改名更新）
  圖片 / 影片（靜態資產）   → 長 TTL + 需要時用 Purge API

適用場景

場景 說明
靜態資源分發 圖片、影片、JS/CSS、字型、HTML（核心場景）
API 加速 全球用戶的 API，用就近 TLS + 骨幹路由降延遲，可快取的端點還能快取
大型活動流量峰 遊戲發佈、線上演唱會、體育直播 —— 突發流量由 Edge 吸收
安全防護層 把 DDoS / 惡意流量擋在 Edge，不讓它打到源站

常見產品

類別 產品
商業 CDN Cloudflare、Akamai、Fastly
雲端商 CDN AWS CloudFront、Azure CDN、Google Cloud CDN

面試報名稱即可，重點是說清楚為什麼用 CDN、放什麼進去、快取怎麼失效，而不是比較廠商。

面試話術

最有說服力的回答不是「前面加個 CDN」

而是「我對靜態資源（圖片、影片、JS/CSS）走 CDN，用 hash busting + 長 TTL 把 hit ratio 拉高；HTML 入口設短 TTL 確保拿到最新；API 因為有全球用戶，用 CDN 做就近 TLS + 路由加速，可快取的端點再加短 TTL；同時讓 CDN 當安全層吸收 DDoS、隱藏源站 IP。」展示你知道 CDN 是放在「該放的東西」前面，不是萬靈丹。

常見情境：

常見 Deep Dive

不要在所有流量前面都畫一個 CDN

這是面試最常見的扣分點。CDN 適合靜態資源與高頻共享內容。對每人不同、不可快取的動態回應（個人化 feed、購物車、即時餘額），盲目擺 CDN 既不能命中又徒增一跳。正確做法是「靜態走 CDN、動態走加速（或不走）、API 視可快取性決定」。

自我測驗重點

問題 重點
Cache Hit vs Miss Hit 直接回、Miss 回源並暖快取；目標 hit ratio 90%+
Edge / PoP / Origin / Shield Edge 服務使用者、PoP 是據點、Shield 收斂回源、Origin 是權威來源
四種快取失效 TTL / Hash Busting（首選）/ Purge API / Stale-While-Revalidate
為何別用短 TTL 求即時 摧毀 hit ratio、回源暴增；正解是 immutable + hash busting
動態內容怎麼加速 就近 TLS、骨幹路由、連線重用；Edge Compute 拼個人化
CDN 掛掉 fallback 到 Origin、multi-CDN、DNS 故障切換
就近導流機制 Anycast（BGP）或 DNS-based（GSLB）
什麼不該放 CDN 每人不同、不可快取的動態內容