CDN工作原理及其在淘宝图片业务中的应用
但是，如果在用户访问高峰期，图片内容大批量发生变化，大量用户的访问就会穿透cdn，对源站造成巨大的压力。
今年双11，淘宝鹿班的主图价格表达升级项目，就面临了这种挑战，让我们看看是如何解决的吧。
CDN工作原理
内容分发网络（Content Delivery Network，简称CDN）是建立并覆盖在承载网之上，由分布在不同区域的边缘节点服务器群组成的分布式网络。
CDN应用广泛，支持多种行业、多种场景内容加速，例如：图片小文件、大文件下载、视音频点播、直播流媒体、全站加速、安全加速。
借用阿里云官网的例子，来简单介绍CDN的工作原理。
假设通过CDN加速的域名为www.a.com，接入CDN网络，开始使用加速服务后，当终端用户（北京）发起HTTP请求时，处理流程如下：
当终端用户（北京）向www.a.com下的指定资源发起请求时，首先向LDNS（本地DNS）发起域名解析请求。
LDNS检查缓存中是否有www.a.com的IP地址记录。如果有，则直接返回给终端用户；如果没有，则向授权DNS查询。
当授权DNS解析www.a.com时，返回域名CNAME www.a.tbcdn.com对应IP地址。
域名解析请求发送至阿里云DNS调度系统，并为请求分配最佳节点IP地址。
LDNS获取DNS返回的解析IP地址。
用户获取解析IP地址。
用户向获取的IP地址发起对该资源的访问请求。
如果该IP地址对应的节点已缓存该资源，则会将数据直接返回给用户，例如，图中步骤7和8，请求结束。
如果该IP地址对应的节点未缓存该资源，则节点向源站发起对该资源的请求。获取资源后，结合用户自定义配置的缓存策略，将资源缓存至节点，例如，图中的北京节点，并返回给用户，请求结束。
从这个例子可以了解到：
CDN的加速资源是跟域名绑定的。
通过域名访问资源，首先是通过DNS分查找离用户最近的CDN节点（边缘服务器）的IP
通过IP访问实际资源时，如果CDN上并没有缓存资源，则会到源站请求资源，并缓存到CDN节点上，这样，用户下一次访问时，该CDN节点就会有对应资源的缓存了。
淘宝鹿班图片业务背景
商品的主图贯穿整个导购和交易链路，相比文字，图片更能吸引眼球，主图对消费者的购物决策有很大的影响。主图上表达的内容各式各样，但其中一定少不了的一定是价格的表达。
长期以来，主图上的价格表达都是商家自己维护，商品价格发生变化后，手动去换图。这样做，会带来3个问题：
价格的准确性：商家手动填写的图片价格，跟实际的购买价可能不一致，造成不好的用户体验。
价格更新的及时性：有时候，由于优惠券/品类券的生效失效，会导致商品的价格变化会很频繁，商家根本来不及换图。
商家的操作成本：手动修改图片的价格，成本还是很高的，需要通过ps等软件修改图片，重新上传，编辑商品。
今年双11，淘系技术部-鹿班团队，试图通过技术手段来解决这些问题。当商品价格发生变化后，系统自动计算新的价格，自动合成图片，然后更新商品主图。
我们知道，淘宝网有上亿的商品，光大促商品就有几千万，因此，价格变化导致的图片变化频率非常高。最高的就是在双11的0点，全部大促商品的价格都会由日常价格变成大促价格。
这就意味着，大促高峰期，有上千万的图片刚生成就会被用户访问。那这个情况会产生什么问题呢，让我们先了解下淘宝的图片空间和CDN的架构，就清楚了。
淘宝图片空间和CDN的架构
淘宝整个图片的访问链路有三级缓存（客户端本地、CDN L1、CDN L2），所有图片都持久化的存储到OSS中。真正处理图片的是img-picasso系统，它的功能比较复杂，包括从OSS读取文件，对图片尺寸进行缩放，编解码，所以机器成本比较高。
CDN的缓存分成2级，合理的分配L1和L2的比例，一方面，可以通过一致性hash的手段，在同等资源的情况下，缓存更多内容，提升整体缓存命中率；另一方面，可以平衡计算和IO，充分利用不同配置的机器的能力。
用户访问图片的过程如下：
用户通过手机淘宝来搜索商品或者查看宝贝详情。
详情/搜索/推荐通过调用商品中心返回商品的图片URL。
客户端本地如果有该图片的缓存，则直接渲染图片，否则执行下一步。
从CDN L1回源图片，如果L1有该图片的缓存，则客户端渲染图片，同时缓存到本地，如果L1没有缓存，则执行下一步。
从CDN L2回源图片，如果L2有该图片的缓存，则客户端渲染图片，同时CDN L1及客户端缓存图片内容，如果CDN L2没有缓存该图片，则执行下一步。
从图片空间回源图片，图片空间会从OSS拉取图片源文件，按要求进行尺寸缩放，然后执行编解码，返回客户端能够支持的图片内容，之后客户端就可以渲染图片，同时CDN的L1、L2以及客户端都会缓存图片内容。
频繁换图带来的技术挑战
当商品的价格发生变化时，我们会使用新的价格重新合成图片，更新商品中心中存储的图片URL。这样会带来2个问题：
CDN及手机淘宝原本缓存的图片内容失效了，用户访问图片会全部回源到img-picasso。
由于更改了商品的字段，交易的核心应用（购物车和商品中心）的缓存也失效了，用户浏览及购物时，对商品的访问会走到db。
源站img-picasso处理图片，以及查询商品DB，都是非常消耗资源的。CDN及商品的缓存命中率降低后，对源站img-picsasso以及db会产生巨大的压力。
拿CDN缓存为例，简单计算一下，CDN平时的命中率是98%，假设命中率降低1个点，对源站的压力就会增加1/3（原本承担2%的流量，现在需要承担3%的流量），意味着img-picasso需要扩容1/3。如果全网一半的图片都同时变化，cdn的命中率降到50%，对img-picasso的访问量就会增加25倍，这个扩容成本肯定没法接受。
解决这2个问题，对应的有2个办法：
改图保持图片URL不变，可以避免商品链路的缓存失效。
在访问高峰到来之前，提前预热图片到CDN，可以避免CDN缓存失效对源站的压力。
下面，介绍下我们具体是怎么做到这2点的。
频繁换图的应对方案
▐ 改图保持图片URL不变
图片内容发生变化时，执行下面2个操作：
更新OSS内容：使用新的图片内容替换OSS中老的图片内容
刷新CDN缓存：清除CDN之前缓存的图片内容
这样，用户再次访问图片时，发现CDN没有缓存，就会回源到img-picasso，从OSS拉取新的图片内容。
由于图片URL没有变化，就不必去更新商品中心的图片链接，这样商品链路的缓存可以保持不变。
在真正实施这个方案的过程中，遇到了几个问题，简单跟大家分享下：
OSS三地同步
淘宝的图片空间，承载了淘系所有图片的上下行稳定性保障，为了保障高可用，一份资源会存储到三地OSS。图片上传时，默认只上传一地，利用OSS的能力，自动同步到另外两地。
但是使用URL不变方案，CDN缓存已经清除完成后，如果另外2地的OSS还未同步完成，用户访问后，就会回源到旧的图片内容，发现图片内容没有变化。
针对该问题，我们将异步同步OSS软链的模式，改成三地同步建软链，三地都返回成功后，再去清除CDN缓存，这就保证了用户访问的图片一定是最新的内容。
图片尺寸收敛
同一张商品图片会用于不同的场景坑位展现，不同的坑位对图片的尺寸有不同的要求。为此，图片空间提供了一项功能，可以方便的生成不同尺寸的缩率图。只需要访问图片时，给图片增加不同的后缀，img-picasso源站就可以按要求进行图片进行缩放。
由于历史原因，之前对缩放的尺寸种类没有限制，导致CDN上的图片后缀格式多达2400种+，TOP6格式覆盖率46%，TOP15格式覆盖率64%。这意味着，一张图片，在cdn上最多可能有2400+个不同的url，当图片内容变化后，要把这些缓存全部清掉，才能保证所有用户看到的图片都是新内容。
为了解决这个问题，我们对域名格式进行了收敛。
图片空间对于图片质量压缩参数的规则如下：
图片质量参数常见有一下8种形式：Q90、Q75、Q50、Q30、q90、q75、q50、q30
图片锐化参数常见有一下3种形式：s100，s150，s200
我们重新将图片质量定义为高质量图片和低质量图片，收敛格式为 q90 和 p50s150
这样，就可以把2000多种格式收敛到6种主要格式，CDN清除缓存才变得可行。
多副本清除CDN缓存
通过图片尺寸收敛，每张图片只需要清除6个不同的url就可以了，那能不能进一步提升刷新效率呢？
为此，阿里云CDN为我们提供了多副本刷新的解决方案：每种不同后缀的图片，作为图片的一个副本，在CDN的swift层增加一层KV结构，存储url和不同副本的映射关系，清除缓存时，可以通过该结构找到所有副本，实现快速清除所有副本。这样，每张图片，我们只需要调用一次CDN清除缓存接口就可以了，极大提升了CDN缓存刷新效率。
图片域名收敛
淘系的图片域名有300多种，主要有下面2个原因：
图片完整的链接太长，所以存储时经常只存最后一段，业务自己来拼域名，很多业务就自己申请了一个图片域名来拼。
PC时代，浏览器对同一域名下的并发请求数是有限制的，不同浏览器不一样，一般6个左右。为了突破该限制，一些业务就会申请多个域名，随机的拼不同的域名。
前面我们讲过，CDN的缓存是跟域名绑定的，不管是缓存命中还是缓存清除，都只能针对一个域名。
我们显然不可能改一张图，就去对300个域名调用CDN刷新。于是我们考虑对图片域名进行收敛，使得用户对图片的访问都路由到同一个域名，我们希望将所有的图片访问统一收敛到picasso.alicdn.com，具体实现方式如下：
对于手淘和猫客客户端，图片访问都收口在图片库，我们推进图片库进行改造，符合一定规则的url，统一收敛到picasso.alicdn.com，实现了域名的一刀切。
对于PC浏览器端，就比较麻烦了，没有统一收口的地方。我们只能退而求其次，针对访问最多的6大域名，在cdn上配置域名转发规则，重定向到picasso域名。
通过这种方式，我们实现了全网99%以上的图片访问流量都路由到picasso域名，图片内容发生变化时，通过清除picasso域名的cdn缓存，就能保证基本所有的场景都能看到新的图片内容。
客户端及浏览器缓存
通过多副本和图片域名收敛，cdn的缓存问题得到了解决。但在cdn之上，用户图片访问首先是来自客户端或者浏览器，这里也会有一层缓存。
大家知道，浏览器的缓存都遵循标准的http max-age协议，指定该header后，到了时间图片就会失效，访问到新的图片。所以我们可以在源站img-picasso回源给cdn时，添加max-age协议头，值为1分钟，cdn会原封不动的透给浏览器，这样浏览器就可以实现1分钟内图片缓存失效，重新到cdn拉新的图片资源。
对于手机淘宝客户端，我们在原有的LRU缓存机制之上，另外支持标准的http协议。这样，手机淘宝也实现了1分钟内图片缓存失效。
▐ 提前预热CDN图片
通过改图保持图片URL不变，我们解决了改图对商品链路缓存的影响。但是，图片变化时，虽然URL没有变，但我们清除了CDN缓存，导致用户访问时还是会回源到img-picasso源站，所以对图片源站的压力依然存在。
我们发现，商品的价格变化大部分发生在大促节奏变化的时刻，基于这个特点，我们通过提前合成图片，提前预热到CDN，可以实现图片切换瞬间生效，同时对源站没有压力。具体方案如下：
提前合成多波段图片：我们知道大促期间商家集中换图的时间点后，按这些时间点把图片的展示分成多个波段，每个波段图片提前合成，并提前将图片URL写入到商品中心扩展结构中。
图片访问路由：营销系统根据配置的大促氛围切换计划，告诉鹿班图片二方包，当前是哪个波段，鹿班根据当前波段及场景，返回正确的图片URL给各个场景。
图片渲染：各个场景拿到图片URL后，结合自身的业务逻辑，决定是否要展现该图片。
CDN图片预热：为了避免图片集中切换时，把源站击垮，我们会在集中切换前把这些冷图片内容预热到CDN。
波段内图片变化：提前合成各个波段图片后，商家可能会临时发券/改价，导致商品价格再次变化，对于这类换图需求，为了避免更新商品中心的图片URL，我们通过本文上一章节刷CDN缓存的方式实现。
总结和展望
CDN技术广泛应用于互联网的各个场景，如今的CDN服务商，都提供了非常简单的业务接入方式，而且CDN的费用每年都在降低，这一切使得CDN的接入和使用成本越来越低。
本文通过淘宝图片业务的例子，为大家阐述了使用CDN过程中可能遇到的问题和解决思路。
淘宝的图片业务除了访问量大，还会面临更新频繁的问题。图片的频繁更新，一方面会由于商品上的图片url变化，导致商品缓存失效，另一方面会大幅降低CDN的图片访问缓存命中率。
针对图片url变化导致商品缓存失效的问题，我们通过刷新cdn缓存，用户访问时重新回源的方式，实现了改图保持图片url不变，这个过程中了，我们解决了一些列的问题，包括：OSS三地同步更新、图片尺寸收敛、图片域名收敛、客户端及浏览器本地缓存。
针对改图降低CDN图片缓存命中率的问题，我们根据业务的特点，提前合成不同波段的图片，并预热到CDN，保障了源站的安全。
目前，淘宝上用户看到的图片，都是提前合成好的。未来，我们考虑在用户访问图片时，实时合成图片。通过这项技术，可以实时感知业务更多的实时信息，可以根据这些信息，在图片上合成当前用户或者环境更匹配的文案/元素等内容，给用户带来更多的惊喜。
当然，实时合图也会面临更多的挑战，如：计算能力、合图性能。此外，对于CDN而言，由于每次用户访问的内容是临时合成的，CDN的缓存策略也是一个很大的挑战。
✿ 拓展阅读
作者|杨文涛（昭明）
编辑|橙子君
出品|阿里巴巴新零售淘系技术