什麼是 CDN？原理與應用場景（詳盡技術指南）#

1. 核心組件#

• Origin（來源伺服器）：放原始內容的伺服器（你的主機或雲端 storage）。

• Edge / POP（Point of Presence）：遍佈全球的緩存節點，用於回應終端使用者請求。

• DNS / Anycast：全局流量導向機制，通常使用 Anycast IP 或地理 DNS（GeoDNS）將使用者解析到最近的 POP。

• 控制平面（Control Plane）：管理規則、快取策略、憑證、WAF 規則等。

• 管理與監控介面：供運維調整、查看流量、設定快取失效（purge）。

2. 基本請求流程（簡化）#

1. 使用者在瀏覽器輸入網址（或載入資源）。

2. DNS 解析把該域名解析到 CDN 的 IP（通常是最近的 POP）。

3. 使用者發送 HTTP(S) 請求到該 POP。

4. POP 檢查是否有快取命中（Hit）：

• 若命中（HIT）→ 直接回應快取內容。

• 若未命中（MISS）→ POP 向 Origin 請求內容，然後回傳給使用者，並可將內容快取起來以便後續命中。

5. POP 可根據快取規則（Cache-Control、Vary、Cookie、Query string）決定是否快取與如何快取。

3. Anycast 與 GeoDNS 的差異#

• Anycast：同一 IP 在多個地點宣告，由 BGP 路由決定最短路徑到最近 POP。優點是透明且迅速。

• GeoDNS（基於地理位置的 DNS）：DNS 回傳不同 IP/CNAME 給不同地理位置的查詢者。可更精細，但多一步解析流程。

1. 重要 HTTP Cache 標頭#

Cache-Control（最重要）

• public / private：public 允許公用快取；private 只給私人快取（例如瀏覽器）。

• max-age=SECONDS：快取有效期。

• s-maxage=SECONDS：為 shared caches（CDN、代理）專用，優先於 max-age。

• must-revalidate：到期後需再次向 origin 驗證。

• no-cache：需要向 origin 驗證才可使用（但可用作 conditional request）。

• no-store：不允許任何快取。

• stale-while-revalidate=SECONDS：允許返回過期資源，同時在後台重新刷新。

• stale-if-error=SECONDS：當 origin 發生錯誤時允許返回過期內容。

Expires：舊式（基於絕對時間）。可與 Cache-Control 並用，但 Cache-Control 優先。

ETag：資源標識（內容變更檢測），可用於 conditional requests（If-None-Match）。

Last-Modified / If-Modified-Since：基於最後修改時間的快取驗證。

Vary：指定快取依賴哪些請求標頭（例如 Vary: Accept-Encoding 表示壓縮後的差異），若設錯會造成快取分裂或錯誤命中。

2. 快取層級與鍵（cache key）#

CDN 會用一個「快取鍵」來辨識同一資源，常見的組成：

• protocol（http/https）、host、path、query string（可選）、headers（可選）、cookies（可選）。 設定常見策略：

• 包含 query string：若你的資源用 query string 做版本或參數，則包含。

• 忽略 query string：對於不影響資源的 query，忽略可以提高命中率。

• Vary 與 Accept-Encoding：務必設定 Vary: Accept-Encoding 以區分壓縮與未壓縮版本。

3. Cache Invalidation（快取失效）策略#

• TTL 依賴：自然過期，等待 max-age 到期。簡單但延遲更新。

• Purge API / Cache-Busting：呼叫 CDN 的 purge API 清除指定物件，或採用版本化 URL（例如 /app.v1.js → /app.v2.js）來避免 purge。版本化是最穩健的做法。

• Stale-while-revalidate + background refresh：在不影響使用者的情況下延長可使用過期資源，同時在後台刷新。

4. 快取粒度設計#

• 大檔案（影片、軟體、圖片）：長 TTL，強快取。

• 變動頻繁資源（API、認證相關）：短 TTL 或不快取，且用 Cache-Control: no-cache 與 ETag 做 conditional request。

• HTML：通常較短 TTL 或不快取，因為經常包含最新動態；也可用 Edge Side Includes（ESI）或 HTML 只快取靜態片段。

1. 靜態資產加速（最常見）#

• 圖片、JS、CSS、字型等透過 POP 分散到全球，加快首次繪製（first paint）與首包時間（TTFB）。

2. 視訊串流（VOD / Live）#

• VOD（Video On Demand）：使用 HTTP 節流並支援分段（HLS、DASH）＋ ABR（自適應位元率）。CDN 用於分段快取與分發。

• Live Streaming：低延遲直播需要較短分段與特殊加速策略（LL-HLS、WebRTC 等）。專業 CDN 支援直播傳輸、回跳（origination）與錄製快取。

3. API 加速與邊緣快取（Edge Caching for APIs）#

• 非個人化、可快取的 API 結果（如公開數據、產品目錄）可以放在 edge，減少 origin 負載並縮短延遲。建議配合 s-maxage 與 stale-while-revalidate。

4. 安全功能（WAF、DDoS 緩解、TLS 終止）#

• WAF（Web Application Firewall）：在 edge 層過濾 SQLi、XSS 等攻擊。

• DDoS 保護：透過全球 POP 吸收與速率限制保護 origin。

• TLS 終止：CDN 在 edge 先解 TLS（減少 origin CPU），並提供自動憑證（Let’s Encrypt / 商業憑證）。

5. 動態內容路由（Reverse Proxy、Load Balancing）#

• CDN 可當作全局負載平衡器，結合健康檢查將流量路由到多 region origin 或多 datacenter。

6. 邊緣運算（Edge Computing / Edge Workers）#

• 例如 Cloudflare Workers、Fastly VCL、AWS Lambda@Edge，使你能在 edge 執行程式碼：

  • 動態改寫回應、A/B 測試、Auth 驗證、圖像處理、個性化內容（有狀態挑戰）等。

• 優勢：把輕量運算移到離使用者最近的位置，降低延遲並縮短回覆時間。

7. 影像與媒體最佳化（Image Optimization）#

• 自動調整尺寸、格式轉換（WebP/AVIF）、延遲載入（lazy loading）與響應式圖片，節省頻寬並提高效能。

8. IoT / 大量小檔分發#

• 固件更新、軟體分發等，透過 CDN 分發可大幅降低 origin 壓力並提升分發穩定性。

步驟總覽#

1. 註冊 CDN 服務（Cloudflare / Fastly / Akamai / AWS CloudFront / GCP Cloud CDN / Bunny / Netlify 等）。

2. 設定 origin（你的來源伺服器）URL 與埠號。

3. 設定快取政策（TTL、cache key、忽略 query、Vary 等）。

4. 設定 SSL/TLS（自動憑證或上傳自有憑證）。

5. 設定 CNAME 或使用 CDN 提供的域名。

6. 測試（curl、瀏覽器、trace）與監控。

7. 設定 purge 與發佈流程（版本化最佳）。

DNS 與 CNAME：#

• 常見做法：把 static.example.com 或 www.example.com CNAME 指向 CDN 提供的 host（例如 your-site.cdnprovider.net）。

• 若使用 apex/root domain（example.com），需檢查 CDN 是否支援 ANAME/ALIAS 或提供 DNS 承諾；Cloudflare 則採用代理模式，直接替換 Name Server。

SSL 相關：#

• CDN 通常提供自動 TLS（Let’s Encrypt）或讓你上傳自有憑證（包含中繼憑證）。

• 設定 Edge TLS 要注意 Full / Full (strict) / Flexible 模式，推薦使用 strict（edge 與 origin 皆驗證憑證）。

1. 基礎測試（命令行）#

檢查 DNS 解析到哪個 IP： dig +short yourcdn.example.com

看 HTTP 標頭與快取狀態： curl -I https://yourcdn.example.com/path/to/resource 關注標頭：Cache-Control、Age、Via、X-Cache、X-Cache-Status、CF-Cache-Status（Cloudflare）等。

路徑追蹤（traceroute / mtr）看網路路徑到 POP： traceroute yourcdn.example.com mtr --report yourcdn.example.com

2. 性能測試#

• 使用 curl -w 來量化 TTFB： curl -o /dev/null -s -w "%{time_starttransfer}\n" https://yourcdn.example.com/path

• 用 WebPageTest 或 Lighthouse（Chrome DevTools）來做前端端到端測試（首次載入與快取載入差異）。

3. 壓力測試（注意對 origin 保護）#

• 使用負載測試工具（k6、wrk、hey）測試 CDN 命中率與 origin 退避情況，但在正式測試前必須通知 CDN 或做好流量限制，以免被視為攻擊。

4. 監控指標#

• Cache HIT ratio（命中率）

• Requests/s 與流量（Mbps）

• Origin bandwidth（origin 被拉流量）

• Error rate（4xx/5xx）

• Latency (P50/P95/P99) 使用 CDN 的分析與外部監控（Prometheus / Grafana / Datadog / New Relic）來搭配。

成本構成#

• 流量費用（egress）：通常是主要成分，依區域與供應商不同價差甚大。

• 請求數量（requests）：大量小檔案（favicon、icons）會增加請求成本。

• 功能費：WAF、DDoS、邊緣運算、圖片最佳化等附加服務。

• Cache hit ratio：高命中率能有效降低 origin 流量成本。

選 CDN 的重點#

• 地域覆蓋：你的使用者在哪裡？美國/歐洲/亞太/新興市場的 POP 覆蓋率與延遲表現不同。

• 流量費用：大流量場景（影片、分發）要看 egress 價格。

• 功能需求：是否需要 WAF、DDoS、edge compute、媒體處理。

• API / 管理介面：是否有 purge API、版本化支援、部署自動化。

• SLA 與企業支援：商業等級需求是否需要 24/7 支援與 SLA。

• 整合能力：是否與雲端（AWS/GCP/Azure）高度整合、或可插入現有 CI/CD 流程。

問題：Cache-Control: max-age 設了還是不命中？#

• 檢查 CDN 配置是否被 override（某些 CDN 有自己的設定優先）。

• 檢查回應 header 是否在經過 CDN 時被改寫。

• 檢查 Vary 與 Cookie 是否導致大量快取分裂。

問題：圖片載入緩慢但 HTML 快？#

• 檢查圖片是否被 origin 重新生成（慢）；或 POP 未快取圖片（可能因為 no-cache 或 query string）。

• 檢查是否啟用影像優化（自動轉檔）導致邊緣延遲。

問題：使用者在某地區連不上 CDN？#

• 檢查 DNS 是否解析到正確 POP（dig +trace）。

• 檢查 CDN 在該地是否有 POP（供應商文件）。

• 檢查防火牆或 ISP 是否封鎖特定 IP。

問題：Origin 被突發流量打爆#

• 啟用或調整 origin shielding（讓某一 region 的 POP 做 origin gateway），提高 cache hit。

• 提升 cache TTL 或預熱熱門內容。

• 考慮增加多 region origin 與全局負載平衡。