کش کردن API: مقیاس‌پذیری عملکرد با استراتژی‌های Redis و CDN در سطح جهانی

در دنیای متصل امروزی، برنامه‌ها باید تجربیات سریع و قابل اعتمادی را بدون توجه به موقعیت جغرافیایی کاربران ارائه دهند. APIها (رابط‌های برنامه‌نویسی کاربردی) ستون فقرات معماری نرم‌افزارهای مدرن هستند و همه چیز را از اپلیکیشن‌های موبایل گرفته تا سیستم‌های پیچیده سازمانی قدرت می‌بخشند. بنابراین، بهینه‌سازی عملکرد API حیاتی است و کشینگ (Caching) نقشی اساسی در دستیابی به این هدف ایفا می‌کند.

این راهنما به بررسی استراتژی‌های مؤثر کشینگ API با استفاده از دو ابزار قدرتمند می‌پردازد: Redis و شبکه‌های تحویل محتوا (CDN). ما به مزایا، تکنیک‌های پیاده‌سازی و بهترین شیوه‌ها برای بهره‌برداری از این فناوری‌ها برای ساخت APIهای با کارایی بالا، مقیاس‌پذیر و قابل دسترس در سطح جهانی خواهیم پرداخت.

چرا کشینگ API مهم است؟

بدون کشینگ، هر درخواست API سفری به سرور مبدأ (مثلاً پایگاه داده برنامه شما) را آغاز می‌کند. این امر می‌تواند به چندین مشکل منجر شود:

• افزایش تأخیر (Latency): هر درخواست شامل تأخیر شبکه می‌شود که بر زمان پاسخ‌دهی تأثیر می‌گذارد، به‌ویژه برای کاربرانی که از سرور مبدأ دور هستند.
• کاهش توان عملیاتی (Throughput): سرور مبدأ به یک گلوگاه تبدیل می‌شود و تعداد درخواست‌هایی را که می‌تواند به طور همزمان پردازش کند، محدود می‌کند.
• افزایش هزینه‌ها: بار بالاتر سرور به افزایش هزینه‌های زیرساخت منجر می‌شود.
• تجربه کاربری ضعیف: پاسخ‌های کند API به ناامیدی کاربران و رها شدن برنامه‌ها منجر می‌شود.

کشینگ با ذخیره کردن داده‌هایی که به طور مکرر به آن‌ها دسترسی پیدا می‌شود در مکانی نزدیک‌تر به کاربر، این مشکلات را برطرف می‌کند و بار سرور مبدأ را کاهش داده و زمان پاسخ‌دهی را بهبود می‌بخشد. کشینگ می‌تواند در سطوح مختلفی از زیرساخت شما، از مرورگر سمت کلاینت تا برنامه سمت سرور، رخ دهد.

درک چشم‌انداز کشینگ

قبل از پرداختن به فناوری‌های خاص، بیایید چند مفهوم کلیدی کشینگ را تعریف کنیم:

• Cache Hit (برخورد موفق به کش): زمانی که داده درخواستی در کش پیدا شود، که منجر به پاسخی سریع می‌شود.
• Cache Miss (برخورد ناموفق به کش): زمانی که داده درخواستی در کش پیدا نشود، که نیازمند ارسال درخواست به سرور مبدأ است.
• Cache Invalidation (ابطال کش): فرآیند حذف داده‌های منسوخ از کش برای اطمینان از یکپارچگی داده‌ها.
• Time-To-Live (TTL) (زمان زندگی): مدت زمانی که داده در کش معتبر باقی می‌ماند.
• Cache-Control Headers (هدرهای کنترل کش): هدرهای HTTP که برای کنترل رفتار کشینگ توسط کلاینت‌ها و واسطه‌ها (مانند CDNها) استفاده می‌شوند.

Redis: ذخیره‌ساز داده در حافظه برای کشینگ API

Redis یک ذخیره‌ساز ساختار داده منبع‌باز و در حافظه است که به طور گسترده برای کشینگ، مدیریت نشست‌ها و تحلیل‌های آنی استفاده می‌شود. سرعت و تطبیق‌پذیری آن، آن را به گزینه‌ای عالی برای کشینگ API تبدیل می‌کند. Redis داده‌ها را در قالب جفت‌های کلید-مقدار ذخیره می‌کند و ساختارهای داده متنوعی مانند رشته‌ها، لیست‌ها، مجموعه‌ها و هش‌ها را ارائه می‌دهد. از آنجا که Redis در حافظه کار می‌کند، بازیابی داده‌ها بسیار سریع است و منجر به تأخیر بسیار کمتری در مقایسه با کوئری‌های پایگاه داده می‌شود.

مزایای استفاده از Redis برای کشینگ API

• عملکرد بالا: ذخیره‌سازی داده در حافظه، تأخیر بسیار پایینی را فراهم می‌کند.
• ساختارهای داده متنوع: از ساختارهای داده گوناگون برای بهینه‌سازی کشینگ برای انواع مختلف داده پشتیبانی می‌کند.
• ادغام آسان: به راحتی با زبان‌های برنامه‌نویسی و فریم‌ورک‌های محبوب ادغام می‌شود.
• مقیاس‌پذیری: می‌توان آن را با استفاده از Redis Cluster به صورت افقی مقیاس‌بندی کرد تا حجم ترافیک بالا را مدیریت کند.
• Pub/Sub: از پیام‌رسانی انتشار/اشتراک برای ابطال آنی کش پشتیبانی می‌کند.

پیاده‌سازی کشینگ با Redis

در اینجا یک مثال ساده از پیاده‌سازی کشینگ با Redis در پایتون با استفاده از کتابخانه `redis-py` آورده شده است:

import redis
import json

# اتصال به Redis
redis_client = redis.Redis(host='localhost', port=6379, db=0)


def get_data_from_api(api_endpoint):
 # شبیه‌سازی دریافت داده از یک API
 data = {"name": "Example Data", "value": 123}
 return data


def get_data_with_cache(api_endpoint):
 cache_key = f"api:{api_endpoint}"
 cached_data = redis_client.get(cache_key)

 if cached_data:
 print("داده از کش بازیابی شد")
 return json.loads(cached_data.decode('utf-8'))
 else:
 print("داده از API بازیابی شد")
 data = get_data_from_api(api_endpoint)
 # کش کردن داده برای ۶۰ ثانیه (TTL)
 redis_client.setex(cache_key, 60, json.dumps(data))
 return data

# مثال استفاده
api_endpoint = "/data"
data = get_data_with_cache(api_endpoint)
print(data)

توضیح:

1. کد به یک نمونه Redis متصل می‌شود.
2. تابع `get_data_with_cache` تلاش می‌کند تا داده‌ها را با استفاده از یک کلید کش از Redis بازیابی کند.
3. اگر داده در Redis پیدا شود (cache hit)، بازگردانده می‌شود.
4. اگر داده پیدا نشود (cache miss)، از API دریافت شده، با TTL ۶۰ ثانیه در Redis کش می‌شود و سپس بازگردانده می‌شود.

استراتژی‌های کشینگ با Redis

• Cache-Aside: برنامه ابتدا کش را بررسی می‌کند. اگر داده پیدا نشود، آن را از سرور مبدأ بازیابی کرده، کش می‌کند و بازمی‌گرداند. این استراتژی در مثال بالا نشان داده شده است.
• Write-Through: داده‌ها به طور همزمان در کش و سرور مبدأ نوشته می‌شوند. این امر یکپارچگی داده‌ها را تضمین می‌کند اما می‌تواند تأخیر نوشتن را افزایش دهد.
• Write-Back (Write-Behind): داده‌ها ابتدا در کش نوشته شده و سپس به صورت ناهمزمان در سرور مبدأ نوشته می‌شوند. این کار عملکرد نوشتن را بهبود می‌بخشد اما خطر از دست رفتن داده در صورت خرابی کش قبل از نوشتن داده در سرور مبدأ را به همراه دارد.

استراتژی‌های ابطال کش با Redis

حفظ یکپارچگی داده‌ها بسیار مهم است. در اینجا چند استراتژی رایج ابطال کش برای Redis آورده شده است:

• انقضای مبتنی بر زمان (TTL): ساده‌ترین رویکرد. برای هر آیتم کش شده یک TTL تنظیم کنید. Redis به طور خودکار آیتم‌های منقضی شده را حذف می‌کند.
• ابطال مبتنی بر رویداد: هنگامی که داده‌ها در سرور مبدأ تغییر می‌کنند، کش را باطل کنید. این کار را می‌توان با استفاده از سیستم‌های پیام‌رسانی (مانند Redis Pub/Sub, RabbitMQ) برای اطلاع‌رسانی به برنامه جهت ابطال ورودی‌های خاص کش انجام داد.
• ابطال دستی: در صورت نیاز، ورودی‌های کش را به صراحت حذف کنید. این برای مدیریت سناریوهای خاصی که انقضای مبتنی بر TTL کافی نیست، مفید است.

شبکه‌های تحویل محتوا (CDN): کشینگ جهانی در لبه شبکه

در حالی که Redis در کش کردن داده‌ها در زیرساخت برنامه شما عالی عمل می‌کند، CDNها کشینگ را به مقیاس جهانی گسترش می‌دهند. CDN یک شبکه توزیع‌شده از سرورهاست که به صورت استراتژیک در سراسر جهان قرار گرفته‌اند. هنگامی که کاربری محتوایی را از API شما درخواست می‌کند، سرور CDN نزدیک به کاربر، داده‌های کش‌شده را تحویل می‌دهد و تأخیر را به حداقل رسانده و عملکرد را بهبود می‌بخشد. CDNها به ویژه برای کش کردن محتوای استاتیک (مانند تصاویر، ویدئوها، CSS، جاوااسکریپت) و پاسخ‌های API که به طور مکرر دسترسی پیدا می‌کنند و به ندرت تغییر می‌کنند، مؤثر هستند.

مزایای استفاده از CDN برای کشینگ API

• کاهش تأخیر: محتوا از سرور نزدیک به کاربر تحویل داده می‌شود و تأخیر شبکه را به حداقل می‌رساند.
• بهبود عملکرد: زمان پاسخ‌دهی سریع‌تر منجر به تجربه کاربری بهتر می‌شود.
• افزایش مقیاس‌پذیری: CDNها ترافیک را از سرور مبدأ منحرف می‌کنند و مقیاس‌پذیری را بهبود بخشیده و هزینه‌های زیرساخت را کاهش می‌دهند.
• پوشش جهانی: CDNها حضور جهانی را فراهم می‌کنند و تحویل سریع محتوا به کاربران در سراسر جهان را تضمین می‌کنند.
• محافظت در برابر DDoS: بسیاری از CDNها محافظت در برابر حملات DDoS (حمله توزیع‌شده محروم‌سازی از سرویس) را ارائه می‌دهند و API شما را از حملات مخرب محافظت می‌کنند.

CDNها چگونه کار می‌کنند

1. کاربر محتوایی را از API شما درخواست می‌کند.
2. CDN بررسی می‌کند که آیا محتوا قبلاً در سرور لبه نزدیک به کاربر کش شده است یا خیر.
3. اگر محتوا کش شده باشد (cache hit)، به کاربر تحویل داده می‌شود.
4. اگر محتوا کش نشده باشد (cache miss)، سرور لبه آن را از سرور مبدأ بازیابی کرده، کش می‌کند و به کاربر تحویل می‌دهد.
5. درخواست‌های بعدی از کاربران در همان منطقه جغرافیایی از کش ارائه می‌شود.

پیکربندی CDN و هدرهای Cache-Control

پیکربندی یک CDN معمولاً شامل هدایت نام دامنه شما به سرورهای CDN است. شما همچنین باید هدرهای cache-control را در پاسخ‌های API خود پیکربندی کنید تا به CDN دستور دهید چگونه محتوای شما را کش کند. هدرهای رایج cache-control عبارتند از:

• `Cache-Control: public` - نشان می‌دهد که پاسخ می‌تواند توسط هر کشی (مانند CDN، مرورگر) کش شود.
• `Cache-Control: private` - نشان می‌دهد که پاسخ فقط توسط مرورگر کاربر قابل کش شدن است.
• `Cache-Control: max-age=seconds` - حداکثر زمانی (به ثانیه) را که پاسخ می‌تواند کش شود، مشخص می‌کند.
• `Cache-Control: s-maxage=seconds` - حداکثر زمانی (به ثانیه) را که پاسخ می‌تواند توسط یک کش اشتراکی (مانند CDN) کش شود، مشخص می‌کند. این مقدار برای کش‌های اشتراکی بر `max-age` اولویت دارد.
• `Cache-Control: no-cache` - نشان می‌دهد که پاسخ نباید کش شود. کش باید قبل از استفاده، پاسخ را با سرور مبدأ مجدداً تأیید اعتبار کند.
• `Cache-Control: no-store` - نشان می‌دهد که پاسخ به هیچ وجه نباید کش شود.
• `ETag` - یک شناسه منحصر به فرد برای نسخه خاصی از یک منبع. برای اعتبارسنجی کش استفاده می‌شود.
• `Last-Modified` - تاریخ و زمانی که منبع آخرین بار اصلاح شده است. برای اعتبارسنجی کش استفاده می‌شود.

مثال هدر Cache-Control:

Cache-Control: public, max-age=3600, s-maxage=7200

این هدر به CDN می‌گوید که پاسخ را برای ۷۲۰۰ ثانیه (۲ ساعت) کش کند، در حالی که مرورگرها می‌توانند آن را برای ۳۶۰۰ ثانیه (۱ ساعت) کش کنند.

ارائه دهندگان محبوب CDN

• Cloudflare: یک CDN محبوب که طیف گسترده‌ای از ویژگی‌ها، از جمله حفاظت DDoS، رمزگذاری SSL و فایروال برنامه وب (WAF) را ارائه می‌دهد.
• Akamai: یک ارائه‌دهنده پیشرو CDN که به دلیل عملکرد بالا و قابلیت اطمینان شناخته شده است.
• AWS CloudFront: سرویس CDN آمازون که با سایر سرویس‌های AWS یکپارچه شده است.
• Fastly: یک ارائه‌دهنده CDN که به دلیل کشینگ آنی و گزینه‌های پیکربندی پیشرفته شناخته شده است.
• Google Cloud CDN: سرویس CDN گوگل که با پلتفرم ابری گوگل یکپارچه شده است.
• Azure CDN: سرویس CDN مایکروسافت که با سرویس‌های Azure یکپارچه شده است.

استراتژی‌های ابطال کش CDN

مانند Redis، CDNها نیز برای اطمینان از یکپارچگی داده‌ها به مکانیزم‌های ابطال کش نیاز دارند.

• انقضای مبتنی بر TTL: CDNها به طور خودکار محتوای کش شده را بر اساس هدرهای cache-control `max-age` و `s-maxage` منقضی می‌کنند.
• Purging (پاکسازی): حذف دستی محتوای کش شده از CDN. این کار را می‌توان از طریق کنسول مدیریتی CDN یا API آن انجام داد.
• URLهای نسخه‌بندی شده: گنجاندن یک شماره نسخه در URL منبع (مثلاً `image.jpg?v=1`). هنگامی که محتوا تغییر می‌کند، شماره نسخه را به‌روز کنید تا CDN مجبور به دریافت نسخه جدید شود.
• پارامترهای کوئری Cache-Busting: اضافه کردن یک پارامتر کوئری منحصر به فرد به URL (مثلاً `image.jpg?cb=12345`). این کار به طور مؤثری یک URL جدید برای هر درخواست ایجاد می‌کند و کش را دور می‌زند. این روش اغلب برای توسعه استفاده می‌شود اما به طور کلی برای محیط پروداکشن توصیه نمی‌شود.

ترکیب Redis و CDN: یک مشارکت قدرتمند

Redis و CDNها می‌توانند با هم برای ایجاد یک استراتژی کشینگ API بسیار مؤثر استفاده شوند. Redis به عنوان یک کش سطح اول در زیرساخت برنامه شما عمل می‌کند، در حالی که CDN کشینگ جهانی را در لبه شبکه فراهم می‌کند.

معماری نمونه

1. کاربر داده‌ای را از API شما درخواست می‌کند.
2. برنامه داده‌ها را در Redis بررسی می‌کند.
3. اگر داده در Redis پیدا شود (cache hit)، به کاربر بازگردانده می‌شود.
4. اگر داده در Redis پیدا نشود (cache miss)، برنامه آن را از سرور مبدأ بازیابی می‌کند.
5. برنامه داده‌ها را با یک TTL در Redis کش می‌کند.
6. برنامه داده‌ها را به کاربر بازمی‌گرداند.
7. CDN پاسخ API را بر اساس هدرهای cache-control کش می‌کند.
8. درخواست‌های بعدی از کاربران در همان منطقه جغرافیایی از کش CDN ارائه می‌شود.

مزایای این رویکرد ترکیبی

• کاهش تأخیر: Redis دسترسی سریع به داده‌های پرکاربرد را فراهم می‌کند، در حالی که CDN تأخیر کم را برای کاربران در سراسر جهان تضمین می‌کند.
• بهبود مقیاس‌پذیری: Redis و CDN ترافیک را از سرور مبدأ منحرف می‌کنند و مقیاس‌پذیری را بهبود بخشیده و هزینه‌های زیرساخت را کاهش می‌دهند.
• افزایش دسترسی‌پذیری: CDN به عنوان یک بافر عمل می‌کند، سرور مبدأ را از جهش‌های ترافیکی محافظت کرده و دسترسی‌پذیری بالا را تضمین می‌کند.
• تجربه کاربری بهتر: زمان پاسخ‌دهی سریع‌تر و قابلیت اطمینان بهبود یافته منجر به تجربه کاربری بهتر می‌شود.

انتخاب استراتژی کشینگ مناسب

استراتژی کشینگ بهینه به چندین عامل بستگی دارد، از جمله:

• نوسان داده‌ها: داده‌ها هر چند وقت یکبار تغییر می‌کنند؟ برای داده‌هایی که به طور مکرر تغییر می‌کنند، TTLهای کوتاه‌تر مناسب هستند. برای داده‌های نسبتاً استاتیک، می‌توان از TTLهای طولانی‌تر استفاده کرد.
• الگوهای ترافیک: الگوهای درخواست برای API شما چیست؟ درک الگوهای ترافیک می‌تواند به شما در بهینه‌سازی اندازه‌های کش و TTLها کمک کند.
• حساسیت داده‌ها: آیا داده‌ها حساس هستند؟ اگر چنین است، اطمینان حاصل کنید که از مکانیزم‌های کشینگ و اقدامات امنیتی مناسب استفاده می‌کنید.
• هزینه: هزینه استفاده از Redis، سرویس‌های CDN و سایر اجزای زیرساخت را در نظر بگیرید.

بهترین شیوه‌ها برای کشینگ API

• از هدرهای Cache-Control مناسب استفاده کنید: هدرهای cache-control را به درستی پیکربندی کنید تا اطمینان حاصل شود که محتوای شما به طور مؤثر توسط CDNها و مرورگرها کش می‌شود.
• استراتژی‌های ابطال کش مؤثر را پیاده‌سازی کنید: از ترکیبی از انقضای مبتنی بر TTL و ابطال مبتنی بر رویداد برای حفظ یکپارچگی داده‌ها استفاده کنید.
• عملکرد کش را نظارت کنید: نرخ برخورد موفق به کش (cache hit rate) و زمان پاسخ‌دهی را برای شناسایی زمینه‌های بهبود نظارت کنید.
• از یک الگوریتم هشینگ سازگار استفاده کنید: هنگام استفاده از چندین نمونه Redis، از یک الگوریتم هشینگ سازگار برای توزیع یکنواخت داده‌ها در سراسر کلاستر استفاده کنید.
• کش خود را ایمن کنید: کش خود را با استفاده از احراز هویت و رمزگذاری در برابر دسترسی غیرمجاز محافظت کنید.
• دستورالعمل stale-while-revalidate را در نظر بگیرید: برای برخی موارد استفاده، دستورالعمل cache-control `stale-while-revalidate` می‌تواند با ارائه محتوای کهنه در حالی که کش در پس‌زمینه به‌روز می‌شود، عملکرد را بهبود بخشد.
• استراتژی کشینگ خود را به طور کامل آزمایش کنید: قبل از استقرار استراتژی کشینگ خود در محیط پروداکشن، آن را به طور کامل آزمایش کنید تا از عملکرد صحیح آن اطمینان حاصل کنید.

ملاحظات جهانی

هنگام پیاده‌سازی کشینگ API برای مخاطبان جهانی، موارد زیر را در نظر داشته باشید:

• حضور CDN: یک CDN با حضور جهانی قوی انتخاب کنید تا تحویل سریع محتوا به کاربران در همه مناطق را تضمین کنید.
• سیاست‌های کشینگ منطقه‌ای: پیاده‌سازی سیاست‌های کشینگ مختلف برای مناطق مختلف بر اساس الگوهای ترافیک و نوسان داده‌ها را در نظر بگیرید.
• انطباق با مقررات: از مقررات حریم خصوصی داده‌ها (مانند GDPR، CCPA) آگاه باشید و اطمینان حاصل کنید که استراتژی کشینگ شما با این مقررات مطابقت دارد.
• مناطق زمانی: هنگام تنظیم TTL، مناطق زمانی مختلف کاربران خود را در نظر بگیرید.

نتیجه‌گیری

کشینگ API برای ساخت برنامه‌های با کارایی بالا، مقیاس‌پذیر و قابل دسترس در سطح جهانی ضروری است. با بهره‌برداری مؤثر از Redis و CDNها، می‌توانید تأخیر را به طور قابل توجهی کاهش دهید، توان عملیاتی را بهبود بخشید و تجربه کاربری را ارتقا دهید. به یاد داشته باشید که استراتژی کشینگ مناسب را بر اساس نیازهای خاص خود انتخاب کنید و مکانیزم‌های ابطال کش مناسب را برای حفظ یکپارچگی داده‌ها پیاده‌سازی کنید. با پیروی از بهترین شیوه‌های ذکر شده در این راهنما، می‌توانید APIهای قوی و کارآمدی بسازید که پاسخگوی نیازهای مخاطبان جهانی باشند.

خواه در حال ساخت یک معماری میکروسرویس در اروپا باشید، یا در حال استقرار یک اپلیکیشن موبایل در آسیا، یا ارائه محتوا به کاربران در آمریکای شمالی، درک و پیاده‌سازی استراتژی‌های مؤثر کشینگ API برای موفقیت در دنیای متصل امروزی حیاتی است. با پیکربندی‌های مختلف آزمایش کنید، معیارهای عملکرد خود را نظارت کنید و به طور مداوم استراتژی کشینگ خود را برای دستیابی به بهترین نتایج ممکن بهینه‌سازی کنید.