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深入解析 Round Robin DNS

探索瀏覽器與 Cloudflare 如何挑選伺服器

深入解析 Round Robin DNS
Photo by Sid Verma / Unsplash
原文: Understanding Round Robin DNS
作者: Zsolt Ero

我為 OpenFreeMap 專案採用 Round Robin DNS 後端的伺服器。本文將探討瀏覽器和 CDN 如何選擇要使用的伺服器。

什麼是 Round Robin DNS？

一般來說，當你使用 Digital Ocean 或 Hetzner 等 VPS 架設網站時，會在 DNS 供應商的管理介面中新增一筆 A 紀錄。

這表示 rr-direct.hyperknot.com 的資料會由 5.223.46.55 這台伺服器提供。

而 Round Robin DNS 則允許你為同一個子網域設定多個伺服器，如下所示：

這樣做不但能分散多台伺服器的負載，還能自動偵測離線的伺服器，並改用其他在線的伺服器。

這是一個非常簡單又好用的解決方案，不需要使用負載平衡器。而且它完全免費，任何 DNS 供應商都能設定。相較之下，負載平衡器的費用可能非常高昂（即使是價格相對合理的 Cloudflare 也是如此）。

理論上的運作方式

我對它的運作原理非常好奇。表面上看起來很簡單，但瀏覽器究竟是如何決定要連到哪一台伺服器的呢？

理論上，RFC 8305 規範的 Happy Eyeballs 機制（也關聯到 RFC 6724）說明了客戶端應該如何排序連線的位址。

這對我來說有點太深奧，但 這段內容 看起來最能解答我的疑問：

如果客戶端具有狀態，並記錄了連線各個位址的往返時間（RTT），應該在規則 8 和 9 之間加入一條規則，優先選擇 RTT 較低的位址。

我的理解是，大致流程如下：

  • 檢查伺服器是否在線。
  • 依照連線延遲時間，排序在線的伺服器。

實際測試

接著，讓我們看看實際的運作情況。

我在世界各地建立了 3 台 VPS：美國、歐盟和新加坡各一台。並在 Cloudflare 設定了 3 個有代理和 3 個無代理的 A 紀錄。

這些伺服器都使用 nginx，設定如下：

server {
    server_name rr-direct.hyperknot.com rr-cf.hyperknot.com;

    # 這裡使用萬用字元設定
    # 所以 /a/b/c 都會返回相同的 color.png 檔案
    location / {
        root /data;
        rewrite ^ /color.png break;
    }

    location /server {
        alias /etc/hostname;
        default_type text/plain;
    }
}

所以這些伺服器會提供一個 color.png（一個 1 像素的紅、綠或藍色 PNG 檔案），以及各自的主機名稱，分別是 test-eu、test-us 和 test-sg。

伺服器在線時的客戶端行為

我建立了一個 HTML 測試頁面，以隨機圖片填滿一個 10x10 的網格。

伺服器的顏色對應如下：

  • 美國：綠色
  • 歐盟：藍色
  • 新加坡：紅色

重點是：我的測試地點在歐洲，歐盟伺服器離我最近，美國伺服器其次，新加坡伺服器最遠。照理來說，我應該會看到藍色的方塊！

Chrome 瀏覽器

Chrome 似乎會隨機選擇其中一個伺服器，並持續使用該伺服器。它會在數小時後才重新評估選擇。以這次的測試結果來說，Chrome 選擇了新加坡的伺服器，而且持續使用數小時，儘管它對我來說是最慢的伺服器。

另外，當 Chrome 不使用 HTTP/2 時，會出現一個有趣的現象：有時它會在兩台伺服器之間隨機切換，產生如下的圖案。這裡 Chrome 在歐盟和美國伺服器之間隨機選擇。

Firefox 瀏覽器

Firefox 的行為和 Chrome 類似，它會在啟動時隨機選擇一個伺服器，然後持續使用該伺服器。如果重新啟動瀏覽器，它會選擇另一個隨機的伺服器。

Safari 瀏覽器

最讓我驚訝的是，Safari 總是能正確選擇最近的伺服器。即使伺服器暫時離線，只要重新整理幾次，它總是能再次找到歐盟伺服器！

curl 命令

curl 命令也能正常運作。第一次執行時可能不會選擇最近的伺服器，但只要執行第二次，它總是會連到最近的伺服器。

如果你在世界各地有多台 VPS，可以透過 SSH 執行這個命令，看看會選擇哪一台伺服器：

curl https://rr-direct.hyperknot.com/server
test-us

curl https://rr-direct.hyperknot.com/server
test-eu

Cloudflare

Cloudflare 會根據客戶端的 IP 位址隨機選擇一個伺服器，然後持續使用該伺服器（它的行為類似於 client_ip_hash 除以伺服器數量取餘數）。

如圖片所示，右邊的方塊總是綠色的。在我的家用網路 IP 位址下，無論我怎麼做，Cloudflare 都會連到美國的伺服器。curl 命令也顯示相同的結果。

curl https://rr-cf.hyperknot.com/server
test-us

但如果我改用手機熱點，它總是會連到歐盟的伺服器。

如果我登入幾台 VPS 並執行相同的 curl 命令，就能看到這個現象在全球各地都存在。每台 VPS 都會連到世界各地隨機的一個位置，但總是連到同一個位置。

curl https://rr-cf.hyperknot.com/server
test-sg

部分伺服器離線時的客戶端行為

當其中一台伺服器離線時，會發生什麼事？ 假設我停止美國的伺服器：

service nginx stop

Chrome 瀏覽器

Firefox 瀏覽器

Safari 瀏覽器

curl 命令

curl https://rr-direct.hyperknot.com/server
test-eu

如你所見，所有客戶端都能正確偵測到伺服器離線，並改用其他的伺服器。

實際上，它們的故障轉移機制非常優秀，即使我在網頁載入時關閉伺服器，它們也能在 1 秒內切換到其他伺服器！以下是在 Safari 瀏覽器上，以 50x50 網格呈現的動畫：

0:00
/0:03

Cloudflare

那 Cloudflare 呢？如上面的截圖所示，Cloudflare 並不會偵測伺服器是否離線。它會持續連線到它為你的 IP 位址所選擇的伺服器，無論該伺服器是否在線。

如果伺服器離線，使用者會無法連線。使用 curl 命令時，會出現如下的錯誤訊息：

curl https://rr-cf.hyperknot.com/server
error code: 521

我一直在嘗試理解這個行為，我高度懷疑這是他們網路中的一個 bug。我在他們的官方文件中找到一段相關描述：

根據這份文件，以及常理判斷，我認為 Cloudflare 的行為應該和瀏覽器以及 curl 命令一樣。

Cloudflare 的願望清單

  1. 最基本的要求，應該要能偵測離線的伺服器。
  2. 更進一步來說，如果能像 Safari 一樣選擇延遲最低的伺服器，那就更棒了！

我的意思是，現在的狀況是，如果你在美國和紐西蘭各有一台伺服器，那麼將會有 50% 的美國使用者連到紐西蘭的伺服器，這完全不合理。而且對 Safari 使用者來說，使用 Cloudflare 反而比不使用還要慢！

目前在 Hacker News 上有一個討論串，Cloudflare 的執行長和技術長都已經回覆了！

註 1：我已盡力理解 Matthew Prince 在 X 上 指出給我 的文章 1、2、3。我的理解是，他們提到的「伺服器」指的是 Cloudflare 的伺服器，而不是 A 紀錄後端的用戶伺服器。此外，我也沒有找到任何與 Round Robin DNS 相關的內容。

註 2：如果你有任何方法，可以讓我不用花錢就能繼續進行這個實驗（不需要在全球各地租用 3 台 VPS），請在下方留言。我很想讓這個實驗繼續下去。是否有任何支援 HTTPS 和 Round Robin DNS 的無伺服器平台？

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