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Introdução

Nos últimos anos, o rápido crescimento do tráfego da Internet e a demanda por conteúdo online de alta qualidade testaram a capacidade das redes convencionais de fornecer experiências de usuário satisfatórias. Nesse contexto, as Redes de Distribuição de Conteúdo, ou Content Delivery Network (CDN), surgiram como uma solução eficaz para melhorar o desempenho e a disponibilidade dos serviços web.

Uma rede de entrega de conteúdo é uma rede de servidores geograficamente dispersos para permitir um desempenho mais rápido da web, localizando cópias de conteúdo da web mais perto do usuário ou facilitando a entrega dinâmica de conteúdo (por exemplo, fluxos de vídeo em tempo real).

Cada servidor CDN está localizado no que é conhecido como "borda da rede" - mais próximo do usuário do que do host de origem do site. Por esse motivo, os servidores CDN costumam ser chamados de "servidores de borda". Cada servidor hospeda ou hospeda cópias de um subconjunto de conteúdo da Web - arquivos HTML, imagens, áudio, vídeo, aplicativos - do host. Ao reduzir a distância entre esse conteúdo e seus usuários, as CDNs ajudam os editores de sites a oferecer desempenho mais rápido, reduzir o tempo de carregamento para os usuários e controlar seu próprio consumo de largura de banda, bem como custo.

Existem diversas CDNs populares no mercado, cada uma com sua própria infraestrutura e recursos. Atualmente, algumas das CDNs mais utilizadas são oferecidas pela Akamai, Amazon AWS e Microsoft Azure:

fig. 1: Logo Amazon AWS

fig. 2: Logo Akamai

fig. 3: Logo Microsoft Azure

A Akamai é uma das pioneiras nesse campo e possui uma vasta rede de servidores espalhados pelo mundo. A Amazon AWS oferece o serviço através do Amazon CloudFront. Além de oferecer diversos recursos de segurança e escalabilidade, possui fácil integração com outros serviços da AWS. A opção da Microsoft é oferecida pela Microsoft Azure CDN e, além dos serviços comuns em uma CDN, também possui a versatilidade de integração com outros serviços da Azure.

Esses são apenas algungs exemplos de opções no mercado mas existem diversas outras empresas bem estabelecidas que oferecem esse serviço como a Google Cloud CDN, Cloudflare, Fastly e muitas outras.

Neste trabalho, exploraremos de forma abrangente os conceitos, componentes e operações de uma CDN. Estudaremos como essas redes atuam como intermediárias entre provedores de conteúdo e usuários finais, melhorando a qualidade da experiência do usuário por meio de técnicas como cache, balanceamento de carga e roteamento. Além disso, vamos discutir as vantagens e benefícios das CDNs, discutir os pontos de segurança em relação ao seu funcionamento e algumas das tendências e avanços dentro delas.

Como funcionam as CDNs

As Redes de Entrega de Conteúdo (CDNs) funcionam configurando Pontos de Presença (POP) ou grupos de Servidores de Borda CDN em vários locais geográficos. Essa rede distribuída geograficamente opera nos princípios computacionais de cache, aceleração dinâmica e lógica de computação de ponta.

Essencialmente, um CDN coloca seu conteúdo em vários lugares ao mesmo tempo, fornecendo cobertura superior a seus usuários. Por exemplo, quando alguém em Londres visita seu site hospedado nos EUA, é por meio de um PoP local no Reino Unido. Isso é muito mais rápido do que ter a solicitação e resposta de um visitante atravessando o Atlântico e vice-versa. A operação básica de um CDN pode ser resumida nas seguintes etapas:

Solicitação de Conteúdo: Quando um usuário solicita um recurso, como um arquivo HTML, imagens ou vídeos, o navegador envia uma solicitação para o servidor CDN
Roteamento de Solicitação: A solicitação é roteada para o servidor de borda CDN mais próximo do usuário por meio de algoritmos de roteamento inteligentes.
Verificação de Cache: O servidor de borda CDN verifica se possui uma cópia do conteúdo solicitado em seu cache local.
Entrega do Conteúdo: Se o conteúdo estiver disponível no cache local, o servidor de borda CDN entrega o conteúdo diretamente ao usuário.
Solicitação ao Servidor de Origem: Se o conteúdo não estiver disponível no cache local, o servidor de borda CDN faz uma solicitação ao servidor de origem para buscar o conteúdo.
Entrega do Conteúdo ao Usuário: Após obter o conteúdo do servidor de origem, o servidor de borda CDN armazena o conteúdo em seu cache local para uso futuro e entrega o conteúdo solicitado ao usuário.

Esses passos se repetem para cada solicitação de conteúdo feita pelos usuários, garantindo uma entrega rápida e eficiente do conteúdo através dos servidores de edge distribuídos geograficamente.

Componentes de uma CDN

Servidores de Edge: Os servidores de edge (borda) são a base de uma CDN. Esses servidores estão localizados estrategicamente em diferentes pontos geográficos, próximos aos usuários finais. Eles são responsáveis por armazenar em cache o conteúdo estático e dinâmico dos websites, como imagens, arquivos CSS e JavaScript, vídeos e outros arquivos multimídia. Quando um usuário solicita um determinado conteúdo, o servidor de edge mais próximo é selecionado para fornecer a resposta.
Roteamento Inteligente (Request Routing System): As CDNs utilizam algoritmos de roteamento inteligente para direcionar os usuários ao servidor de edge mais adequado com base na localização geográfica, latência da rede, carga do servidor e outros fatores. Isso ajuda a reduzir a latência e melhorar o desempenho geral da entrega de conteúdo.
Rede de Distribuição (Distribution System): A rede de distribuição de uma CDN é responsável por conectar os servidores de edge em diferentes locais e garantir a transferência eficiente de dados. Ela é projetada para ser altamente escalável e resiliente, permitindo que o conteúdo seja entregue de forma rápida e confiável aos usuários finais.
Accounting System: Mantém registros de acessos e registros de clientes e do uso dos servidores CDN. Uma CDN deve ter recursos de monitoramento e análise para acompanhar o desempenho da rede, detectar problemas, monitorar a utilização dos recursos e fornecer insights sobre o tráfego e os padrões de uso. Isso permite que os administradores da CDN identifiquem áreas de melhoria e tomem medidas corretivas quando necessário.

fig. 4: Componentes de uma CDN (fonte: [3])

Vantagens das CDNs

No mundo em que vivemos, a velocidade e desempenho das aplicações que utilizamos são fatores de extrema importância para uma boa experiência de usuário. Nesse sentido, as Redes de Distribuição de Conteúdo se mostram muito relevantes pois trazem diversos benefícios. Podemos destacar:

Escalabilidade: Usar uma CDN é fundamental para aumentar a escalabilidade de um site. Uma CDN permite distribuir com eficiência a carga de tráfego entre servidores em diferentes regiões geográficas. Isso significa que, quando o tráfego aumenta, ela redireciona automaticamente as solicitações para o servidor disponível mais próximo para evitar a sobrecarga do servidor principal. Essa capacidade de dimensionar rapidamente a infraestrutura permite que o site lide com picos de demanda sem comprometer o desempenho ou a experiência do usuário.

fig. 5: Vantagens de uma CDN (fonte: [2])

Uma CDN é uma ferramenta valiosa para empresas que buscam expandir sua presença globalmente. Como seus servidores estão distribuídos geograficamente em várias regiões, ela permite que você entregue conteúdo de servidores próximos a seus usuários em diferentes regiões do mundo. Isso não apenas melhora o desempenho e a velocidade de carregamento, mas também permite que seu site forneça uma experiência localizada adaptada às necessidades e preferências dos usuários em diferentes regiões.
Por outro lado, um ponto importante a se mencionar nesse contexto é que a eficiência está muito relacionada ao número de servidores auxiliares disponíveis na rede. Isso significa que, apesar de ser uma das maiores vantagens das CDNs, o custo de implementação e manutenção é alto e deve ser considerado.

Performance: Uma CDN melhora significativamente o desempenho e a velocidade de entrega de conteúdo aos usuários finais. Ao espalhar os servidores em diferentes locais geográficos, a CDN permite que o conteúdo seja entregue a partir de servidores mais próximos dos usuários. Isso reduz a latência e melhora o tempo de carregamento das páginas, proporcionando uma experiência mais rápida e suave para os visitantes do site.

SEO: SEO (Search Engine Optimization) significa otimização para mecanismos de busca. Uma das métricas mais importantes avaliadas pelos mecanismos de busca é o tempo de carregamento do site. Isso ocorre porque o carregamento lento pode levar a taxas de rejeição mais altas. Estudos demonstraram que um atraso de um segundo reduz as conversões em 7%, as visualizações de página em 11% e a satisfação do cliente em 16% [2]. O uso de um CDN oferece aos visitantes uma experiência de navegação mais rápida, o que não apenas aumenta a satisfação do usuário, mas também leva a melhores classificações nos mecanismos de pesquisa. Com uma experiência positiva do usuário, os mecanismos de busca tendem a valorizar o site, aumentando assim sua classificação nos resultados de pesquisa.

Considerações de segurança nas CDNs

Quando falamos sobre segurança no contexto das CDNs, é importante salientar que estamos lidando tanto com a segurança de rede quanto com a segurança da informação. Dentro desse universo, alguns aspectos relevantes vem sendo abordados:

Criptografia e segurança dos dados: A transmissão segura de dados é essencial para proteger informações confidenciais e evitar violações de dados. Nesse contexto, a criptografia e a segurança dos dados desempenham um papel importante na proteção das informações transmitidas por CDNs. O uso de um protocolo de criptografia como HTTPS (HTTP Secure) garante que os dados sejam criptografados em trânsito, garantindo uma transmissão segura entre usuários finais e servidores de conteúdo. Além disso, as CDNs podem implementar medidas de segurança adicionais, como certificados SSL/TLS, para autenticar a identidade de seus servidores e garantir a integridade dos dados. Essas medidas ajudam a mitigar o risco de interceptação de dados e garantem a confidencialidade das informações enviadas.

Proteção contra ataques DDoS: A proteção contra ataques DDoS (Distributed Denial of Service) é uma preocupação muito importante para CDNs. Uma CDN bem projetada pode fornecer proteção sólida contra esse tipo de ataque graças à sua infraestrutura distribuída. Ao distribuir conteúdo em vários pontos de presença distribuídos geograficamente, ela pode absorver e filtrar o tráfego malicioso antes que ele atinja seus servidores de origem. Isso é possível graças aos sistemas avançados de detecção e mitigação de DDoS, que podem detectar padrões de tráfego suspeitos e bloquear tráfego malicioso, mantendo seu conteúdo disponível para seus usuários finais. Além disso, as CDNs podem aproveitar técnicas como proteção multicamadas, balanceamento de carga e filtragem de pacotes para aumentar ainda mais a segurança contra ataques DDoS, minimizando o impacto dessas ameaças e garantindo segurança consistente em toda a CDN.

Proteção contra ameaças e malware: A proteção contra ameaças e malware é fundamental para uma CDN. As CDNs desempenham um papel importante na detecção e mitigação de ameaças cibernéticas, garantindo a integridade do conteúdo distribuído. Ao implementar recursos de segurança avançados, como firewall de aplicativo da Web (WAF) e filtros de conteúdo malicioso, os CDNs podem detectar e bloquear ameaças em tempo real. Isso inclui a detecção de malware, vírus, phishing e outros tipos de ataques cibernéticos que podem comprometer o conteúdo ou afetar os usuários finais. Além disso, os CDNs podem usar análise comportamental e técnicas de monitoramento de tráfego para detectar padrões suspeitos e tomar medidas preventivas para proteger sua rede contra ameaças emergentes. Com essas proteções robustas implementadas, elas podem fornecer um ambiente seguro e confiável para entrega de conteúdo, protegendo provedores de conteúdo e usuários finais contra ameaças cibernéticas.

Reivindicação de Propriedade: Reivindicar a propriedade em uma rede de entrega de conteúdo (CDN) refere-se ao processo de autenticação e verificação da propriedade do conteúdo entregue pela rede. Isso é importante para garantir a integridade e a segurança dos dados transmitidos. Ao usar um CDN, os proprietários de sites ou provedores de conteúdo devem provar que são os proprietários legítimos dos direitos autorais ou têm permissão para distribuir o conteúdo em questão. Esse processo protege contra uso indevido e pirataria e garante que o conteúdo seja entregue com precisão e segurança aos usuários finais. Os CDNs geralmente possuem mecanismos e protocolos para facilitar a reivindicação de propriedade e garantir a entrega de conteúdo confiável e segura.

Tendências e Avanços em CDNs

Nos últimos anos, várias melhorias e avanços têm ocorrido no campo das CDNs.

Alguns dos avanços mais recentes incluem:

Distribuição de Conteúdo em Tempo Real: As CDNs estão se adaptando para fornecer suporte a conteúdo em tempo real, como streaming ao vivo, eventos esportivos, transmissões de vídeo e jogos online. Isso envolve a redução da latência, o aumento da capacidade de transmissão simultânea e a otimização da entrega para diferentes dispositivos e conexões de internet.
Otimização de Imagens e Vídeos: As CDNs estão incorporando recursos avançados de otimização de imagens e vídeos, como compactação, codificação adaptativa e ajuste de qualidade, para oferecer uma experiência de visualização mais rápida e eficiente. Isso ajuda a reduzir o tamanho do arquivo sem comprometer significativamente a qualidade visual.
Aplicação de Machine Learning na Entrega de Conteúdo: O Machine Learning (ML) está sendo aplicado nas CDNs para otimizar a entrega de conteúdo com base em dados históricos de tráfego e padrões de uso. Os algoritmos de ML podem aprender e prever os padrões de acesso ao conteúdo, ajustando automaticamente o cache e os roteamentos para otimizar a entrega de forma proativa.
Integração com Serviços de Segurança: As CDNs estão se integrando com serviços de segurança adicionais, como firewalls de aplicativos da web (WAF), proteção contra ataques DDoS e serviços de gerenciamento de botnets. Essa integração permite uma proteção mais abrangente dos conteúdos e dos servidores de edge contra ameaças cibernéticas.
Métricas e Análises Avançadas: As CDNs estão aprimorando suas capacidades de monitoramento e análise para fornecer métricas mais detalhadas sobre o desempenho da entrega de conteúdo. Isso inclui informações como tempo de carregamento da página, taxa de transferência, tempos de resposta dos servidores de edge e outros dados relevantes para ajudar na identificação de problemas e na otimização do desempenho.

Esses avanços recentes nas CDNs visam melhorar a velocidade, a segurança, a eficiência e a experiência do usuário ao fornecer conteúdo na internet. À medida que a tecnologia continua evoluindo, é provável que ocorram novos avanços e inovações para atender às crescentes demandas dos usuários e das aplicações online.

Algumas tendências para as CDNs nos próximos anos incluem:

Maior adoção de Edge Computing: Com a crescente demanda por baixa latência e maior desempenho, a computação de borda continuará ganhando destaque. As CDNs se tornarão mais integradas com a infraestrutura de edge computing, permitindo a execução de aplicativos e serviços diretamente nos servidores de edge, proporcionando uma experiência de usuário ainda mais rápida e responsiva.
Multi-Cloud e CDNs Híbridas: As organizações estão adotando estratégias de multi-cloud, utilizando serviços de diferentes provedores de nuvem para diversificar riscos, melhorar a resiliência e obter recursos específicos de cada provedor. Nesse contexto, as CDNs desempenharão um papel importante na integração dessas várias nuvens, fornecendo entrega de conteúdo unificada e otimizada em ambientes de multi-cloud.
Aceleração do Mobile: Com o aumento do uso de dispositivos móveis, as CDNs continuarão a se adaptar para oferecer uma experiência de usuário otimizada em dispositivos móveis. Isso inclui a otimização de conteúdo para dispositivos móveis, a melhoria da eficiência de transferência de dados e a redução da latência para atender às demandas de acesso móvel em constante crescimento.
Ecossistema de Aplicações Distribuídas: Com o surgimento de aplicativos distribuídos, como jogos online massivamente multiplayer (MMOGs) e aplicativos de streaming interativos, as CDNs evoluirão para fornecer suporte a essas aplicações complexas. Isso inclui a entrega de conteúdo dinâmico em tempo real, a sincronização de dados entre os usuários e a otimização da experiência de usuário em ambientes distribuídos.

Conclusão

Em suma, as CDNs desempenham um papel crucial ao entregar conteúdo na internet de forma rápida e eficiente. Elas já se tornaram indispensáveis perante as demandas relacionadas a conteúdo na internet nos dias de hoje.

À medida que a complexidade das aplicações e o uso da internet crescem, os desafios de desenvolvimento e modernização só tendem a crescer e, por isso, esse é um tema muito atual.

As CDNs são componentes vitais da infraestrutura da internet, possibilitando uma entrega eficiente de conteúdo e impulsionando a inovação digital. Com avanços contínuos, essas redes estão moldando o futuro da experiência do usuário online em todo o mundo.

Referências Utilizadas: