Speed und Ausfallssicherheit durch Content Delivery Networks (CDN)

In meinem letzten Artikel über die Ladereihenfolge von CSS und JS Dateien habe ich berichtet, dass man damit die Parallelität der Downloads positiv beeinflussen kann, wenn man dabei einige Grundregeln beachtet. Nun gehe ich einen Schritt weiter und zeige, wie man diese Ressourcen auf CDN's verteilt und damit noch höhere Performance rausholen kann.

Dieser Artikel ist vor allem interessant für Betreiber trafficstarker Websites.

Was sind Content Delivery Networks (CDN)?

Dabei handelt es sich um grosse Provider wie Akamai, Amazon, CloudLayer, usw. Diese fungieren als Reverse-Proxies für bestehende Websites, können aber auch verwendet werden, um häufig gebrauchte Ressourcen auszulagern und somit den "kleinen, lokalen" Hostinganbieter zu entlasten. Wieso würde man dies wollen?

1. Shared-Hosting: Dabei teilt man sich den Webspace mit anderen. Entsteht eine Last auf einer Website eines anderen Kunden, wird die eigene Website ebenfalls runtergezogen, das Laden von einzelnen Ressourcen zieht sich hin, und dies beeinflusst die Gesamtladezeit der Website negativ.
2. Traffic-Limiten: Bei den meisten Hostinganbietern ist nach einem Terabyte Schluss, oder es fallen vergleichsweise hohe Gebühren an
3. Bandbreiten-Limitierung: Die meisten Hosting-Anbieter drosseln die Bandbreite pro (dedizierten) Server auf 100mbit/s (Stand Januar 2013). Finden durch verschiedene User nun Streamings von Videos, oder Downloads statt, bleibt keine Bandbreite mehr für das Laden der Page
4. Traffic-Burst: Gerade bei Werbekampagnen kann es gut sein, dass ein Peak entsteht, welcher der Hostingserver nicht zu verarbeiten vermag. Das Resultat sind enorm degradierte Ladezeiten oder Totalausfälle.

Auf den vierten Punkt gehe ich in diesem Artikel nicht ein, dies ist ein anderes Thema. Dies wird in der Regel ebenfalls mit dem Einsatz von CDN gelöst.

Wie sind CDN aufgebaut?

Vereinfacht gesagt, sind dies Storage- und Netzwerkprovider. Ihr ladet eine Ressource hoch, und kriegt hierfür eine Zugriffs-URL. Der CDN Provider unterhält weltweit diverse synchronisierte Datacenters, und die angeforderten Ressourcen werden immer von demjenigen Rechenzentrum geladen, welches sich am Nächsten zum aufrufenden User befindet. Ein User in China wird also die Ressource aus einem Rechenzentrum in China abrufen; ein User aus Deutschland dann z.B. aus einem Rechenzentrum in Irland.

Diese CDN Anbieter verrechnen dabei den verwendeten Storage, den verwendeten Traffic und die bedienten HTTP Requests (als Beispiel, die Verrechnungsmodelle sind vielfältig).

Umsetzung

Diverse Ressourcen einer Website sind statisch (vor allem grosse Banner-Bilder, aber auch CSS, JavaScript, usw.). Anstatt sich hier nun auf eher langsame Leitungen oder Server zu verlassen, könnte man diese Ressourcen auf ein CDN auslagern. Das Vorgehen ist dabei wie folgt:

1. Anmeldung bei einem CDN
2. Upload der Ressourcen, respektive Sync der gesamten Website mit dem CDN
3. Lösen eines Domainnames, damit auf die Ressourcen des CDN zugegriffen werden kann (in der Regel  wird einem eine solche URL mitgeteilt)
4. Ersetzen der lokalen Referenzierung von Ressourcen (js, css, img) in den HTML Sourcen mit externen Referenzierungen auf das CDN

Was erreicht man damit?

Zu beobachten sind zwei Haupteffekte:

1. Erhöhung der Parallelisierung der Ressourcen-Downloads: Ein Browser lädt in der Regel 6 Ressourcen gleichzeitig vom selben Host herunter, dann die nächsten 6, usw. Durch die Verwendung von CDN kommen diese Ressourcen von einem anderen Ort, werden also parallel zu allen anderen lokalen Ressourcen heruntergeladen. Der Geschwindigkeitszuwachs dürfte vor allem bei Bannerbilder usw. spürbar sein.
2. Tiefere Round-Trip-Times bei ausländischen Besuchern: Ein Besucher aus den Staaten hat eine relativ hohe Latenzzeit zwischen Anfrage und Antwort vom Server - dies ist rein physisch durch die Distanz bedingt. Dadurch, dass die Ressourcen von einem für den User lokalen CDN-Mirror geholt werden, verringert sich die RTT auf ein Minimum, was absolut spürbar ist. Beispiel: Zwischen London und New York beträgt die RTT auf neuesten Leitungen ca. 60ms. Das ist reine Wartezeit bedingt durch die Distanz. Werden diverse Ressourcen sequentiell geladen (z.B. Javascripts), summiert sich diese Zahl entsprechend schnell auf.
3. Erhöhte Bandbreite, womit die Ressourcen schneller heruntergeladen werden

Weitere positive Nebeneffekte:

1. Die CDN übernehmen das Cache-Controlling. Wer dies also nicht selber machen kann (siehe mein Artikel über Cache-Control-Headers), der muss sich beim Einsatz von CDN nicht mehr darum kümmern.

Einrichtung und Kosten?

Die Sache ist einfacher als man denkt. Angemeldet hat man sich bei einem CDN schnell, und das syncen einer Website hat man auch innert meist nützlicher Frist hinter sich.

Die Kosten fallen wie folgt an (Beispiel Amazon CloudFront, Preise Europa und USA, Stand März 2013):

• Ca. 10 Rappen pro Gigabyte Traffic
• Ca. 1 Rappen pro 10'000 HTTP-Requests

Eine durchschnittliche Website wird ca. 10-20 Requests pro Seitenaufruf auslösen (pro Ressource ein Request, ausser, die Ressource ist lokal gecached im Browser, z.B. mittels mod_expires). Wenn ein Besucher im Durchschnitt 5 Seiten aufruft, so sind dies 100 Requests pro Besucher. Eine Page mit 2000 Besucher pro Tag wird damit auf 200'000 Requests im Tag kommen (=Hits), womit dies 20 Rappen pro Tag ausmacht. Je trafficreicher die Seite, desto höher werden die Kosten.

Eine News-Seite wie z.B. 20 Minuten Online mit täglich 468'000 Besucher (Mediadaten vom Februar 2013) à 20 Pageloads à 40 Assets verursacht andere Kosten: Dies sind täglich 374 Mio Hits, was pro Tag 370 Franken ausmachen würde. Dies wäre aber immer noch weitaus günstiger, als eine eigene High-Performance Infrastruktur zu betreiben.

Nicht beachtet sind hier die Traffic-Kosten per Gigabyte. Diese dürften durch die Caching-Mechanismen für eine normale Website aber nicht ins Gewicht fallen (meine Faustregel: pro 1000 monatliche Benutzer 1 GB pro Monat). Bei einem grossen News-Netzwerk mit viel Bild- und Videomaterial sieht das allerdings etwas anders aus. Allerdings kann man dann bei den CDN den Traffic vorab einkaufen, womit die Preise nochmals massiv tiefer sind.

Optimierung der Kosten

Die Anzahl HTTP-Requests kann man natürlich optimieren, indem man CSS und JavaScript Dateien je zusammenfasst, und mit CSS-Sprites arbeitet anstatt mit Einzelbildern. Dies hat dann ohnehin wiederum einen positiven Effekt auf die Seitenperformance.

Fazit

Interessant, wenn die Ladegeschwindigkeit ein wichtiges Geschäftskriterium ist. Tiefe Einstiegskosten erlauben es selbst kleinen Unternehmen, von CDN Gebrauch zu machen. Die Hauptvorteile kommen allerdings erst dann zum tragen, wenn entsprechende Übertragunsgvolumen technisch oder preislich durch klassisches Hosting zum Problem werden.