API podėliavimas: našumo didinimas globaliai pasitelkiant Redis ir CDN strategijas

Šiuolaikiniame tarpusavyje susijusiame pasaulyje programos turi užtikrinti greitą ir patikimą patirtį vartotojams, nepriklausomai nuo jų geografinės padėties. API (aplikacijų programavimo sąsajos) yra šiuolaikinės programinės įrangos architektūros pagrindas, palaikantis viską – nuo mobiliųjų programėlių iki sudėtingų verslo sistemų. Todėl API našumo optimizavimas yra gyvybiškai svarbus, o podėliavimas (angl. caching) atlieka pagrindinį vaidmenį siekiant šio tikslo.

Šiame vadove nagrinėjamos efektyvios API podėliavimo strategijos, naudojant du galingus įrankius: „Redis“ ir turinio pristatymo tinklus (CDN). Gilinsimės į privalumus, diegimo metodus ir geriausias praktikas, kaip pasinaudoti šiomis technologijomis kuriant našias, keičiamo mastelio ir globaliai prieinamas API.

Kodėl API podėliavimas yra svarbus?

Be podėliavimo kiekviena API užklausa sukelia kreipimąsi į pirminį serverį (pvz., jūsų programos duomenų bazę). Tai gali sukelti keletą problemų:

• Padidėjusi delsa: Kiekviena užklausa patiria tinklo delsą, o tai paveikia atsakymo laiką, ypač vartotojams, esantiems toli nuo pirminio serverio.
• Sumažėjęs pralaidumas: Pirminis serveris tampa kliūtimi, ribojančia vienu metu apdorojamų užklausų skaičių.
• Padidėjusios išlaidos: Didesnė serverio apkrova reiškia didesnes infrastruktūros išlaidas.
• Prasta vartotojo patirtis: Lėti API atsakymai sukelia vartotojų nusivylimą ir programų atsisakymą.

Podėliavimas išsprendžia šias problemas saugodamas dažnai naudojamus duomenis arčiau vartotojo, taip sumažindamas pirminio serverio apkrovą ir pagerindamas atsakymo laiką. Podėliavimas gali vykti įvairiuose jūsų infrastruktūros lygmenyse – nuo kliento naršyklės iki serverio pusės programos.

Podėliavimo aplinkos supratimas

Prieš gilinantis į konkrečias technologijas, apibrėžkime keletą pagrindinių podėliavimo sąvokų:

• Podėlio pataikymas (Cache Hit): Kai prašomi duomenys randami podėlyje, o tai lemia greitą atsakymą.
• Podėlio nepataikymas (Cache Miss): Kai prašomi duomenys nerandami podėlyje, todėl reikia kreiptis į pirminį serverį.
• Podėlio anuliavimas (Cache Invalidation): Pasenusių duomenų pašalinimo iš podėlio procesas, siekiant užtikrinti duomenų nuoseklumą.
• Gyvavimo laikas (Time-To-Live, TTL): Laikotarpis, kurį duomenys išlieka galiojantys podėlyje.
• Cache-Control antraštės: HTTP antraštės, naudojamos podėliavimo elgsenai valdyti klientų ir tarpininkų (pvz., CDN) lygmeniu.

Redis: atmintyje esanti duomenų saugykla API podėliavimui

Redis yra atvirojo kodo, atmintyje veikianti duomenų struktūrų saugykla, plačiai naudojama podėliavimui, seansų valdymui ir realaus laiko analizei. Dėl savo greičio ir universalumo ji yra puikus pasirinkimas API podėliavimui. Redis saugo duomenis raktų ir reikšmių poromis, siūlydama įvairias duomenų struktūras, pavyzdžiui, eilutes, sąrašus, aibes ir maišos lenteles (hashes). Kadangi Redis veikia atmintyje, duomenų gavimas yra itin greitas, o tai lemia žymiai mažesnę delsą, palyginti su duomenų bazės užklausomis.

„Redis“ naudojimo API podėliavimui privalumai

• Didelis našumas: Duomenų saugojimas atmintyje užtikrina itin mažą delsą.
• Įvairios duomenų struktūros: Palaiko įvairias duomenų struktūras, siekiant optimizuoti skirtingų tipų duomenų podėliavimą.
• Lengva integracija: Sklandžiai integruojasi su populiariomis programavimo kalbomis ir karkasais.
• Mastelio keitimas: Galima keisti mastelį horizontaliai naudojant „Redis Cluster“, kad būtų galima valdyti didelius srautus.
• Pub/Sub: Palaiko „publish/subscribe“ pranešimų siuntimą realaus laiko podėlio anuliavimui.

„Redis“ podėliavimo diegimas

Štai supaprastintas „Redis“ podėliavimo diegimo pavyzdys Python kalba, naudojant `redis-py` biblioteką:

import redis
import json

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


def get_data_from_api(api_endpoint):
 # Duomenų gavimo iš API imitacija
 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("Duomenys gauti iš podėlio")
 return json.loads(cached_data.decode('utf-8'))
 else:
 print("Duomenys gauti iš API")
 data = get_data_from_api(api_endpoint)
 # Duomenų podėliavimas 60 sekundžių (TTL)
 redis_client.setex(cache_key, 60, json.dumps(data))
 return data

# Naudojimo pavyzdys
api_endpoint = "/data"
data = get_data_with_cache(api_endpoint)
print(data)

Paaiškinimas:

1. Kodas prisijungia prie „Redis“ egzemplioriaus.
2. `get_data_with_cache` funkcija bando gauti duomenis iš „Redis“ naudodama podėlio raktą.
3. Jei duomenys randami „Redis“ (podėlio pataikymas), jie grąžinami.
4. Jei duomenys nerandami (podėlio nepataikymas), jie gaunami iš API, įrašomi į „Redis“ podėlį su 60 sekundžių TTL, ir tada grąžinami.

„Redis“ podėliavimo strategijos

• Cache-Aside: Programa pirmiausia patikrina podėlį. Jei duomenų neranda, ji gauna juos iš pirminio serverio, įrašo į podėlį ir grąžina. Ši strategija parodyta aukščiau esančiame pavyzdyje.
• Write-Through: Duomenys įrašomi į podėlį ir pirminį serverį vienu metu. Tai užtikrina duomenų nuoseklumą, bet gali padidinti įrašymo delsą.
• Write-Back (Write-Behind): Duomenys pirmiausia įrašomi į podėlį, o vėliau asinchroniškai – į pirminį serverį. Tai pagerina įrašymo našumą, bet sukelia duomenų praradimo riziką, jei podėlis sugenda prieš įrašant duomenis į pirminį serverį.

Podėlio anuliavimo strategijos su „Redis“

Duomenų nuoseklumo palaikymas yra labai svarbus. Štai keletas įprastų podėlio anuliavimo strategijų su „Redis“:

• Galiojimas pagal laiką (TTL): Paprasčiausias metodas. Nustatykite TTL kiekvienam podėlyje esančiam elementui. „Redis“ automatiškai pašalina pasibaigusio galiojimo elementus.
• Įvykiais pagrįstas anuliavimas: Anuliuokite podėlį, kai duomenys pasikeičia pirminiame serveryje. Tai galima pasiekti naudojant pranešimų sistemas (pvz., „Redis Pub/Sub“, „RabbitMQ“), kurios praneša programai, kad reikia anuliuoti konkrečius podėlio įrašus.
• Rankinis anuliavimas: Aiškiai pašalinkite podėlio įrašus, kai to reikia. Tai naudinga sprendžiant specifinius scenarijus, kai TTL pagrįstas galiojimas yra nepakankamas.

Turinio pristatymo tinklai (CDN): globalus podėliavimas kraštinėje (edge)

Nors „Redis“ puikiai tinka duomenims podėliuoti jūsų programos infrastruktūroje, CDN išplečia podėliavimą iki globalaus lygio. CDN yra paskirstytas serverių tinklas, strategiškai išdėstytas visame pasaulyje. Kai vartotojas prašo turinio iš jūsų API, arčiausiai vartotojo esantis CDN serveris pateikia podėlyje esančius duomenis, taip sumažindamas delsą ir pagerindamas našumą. CDN ypač efektyvūs podėliuojant statinį turinį (pvz., paveikslėlius, vaizdo įrašus, CSS, „JavaScript“) ir dažnai naudojamus API atsakymus, kurie retai keičiasi.

CDN naudojimo API podėliavimui privalumai

• Sumažinta delsa: Turinys pristatomas iš arčiausiai vartotojo esančio serverio, taip sumažinant tinklo delsą.
• Pagerintas našumas: Greitesnis atsakymo laikas lemia geresnę vartotojo patirtį.
• Padidintas mastelis: CDN nukrauna srautą nuo pirminio serverio, gerindami mastelį ir mažindami infrastruktūros išlaidas.
• Globalus pasiekiamumas: CDN užtikrina globalų buvimą, garantuodami greitą turinio pristatymą vartotojams visame pasaulyje.
• Apsauga nuo DDoS: Daugelis CDN siūlo apsaugą nuo DDoS (paskirstytosios paslaugos trikdymo) atakų, apsaugodami jūsų API nuo kenkėjiškų atakų.

Kaip veikia CDN

1. Vartotojas prašo turinio iš jūsų API.
2. CDN patikrina, ar turinys jau yra podėlyje arčiausiai vartotojo esančiame kraštiniame serveryje.
3. Jei turinys yra podėlyje (podėlio pataikymas), jis pristatomas vartotojui.
4. Jei turinio podėlyje nėra (podėlio nepataikymas), kraštinis serveris gauna jį iš pirminio serverio, įrašo į podėlį ir pristato vartotojui.
5. Vėlesnės užklausos iš to paties geografinio regiono vartotojų aptarnaujamos iš podėlio.

CDN konfigūracija ir „Cache-Control“ antraštės

CDN konfigūravimas paprastai apima jūsų domeno vardo nukreipimą į CDN serverius. Taip pat reikia sukonfigūruoti „cache-control“ antraštes jūsų API atsakymuose, kad nurodytumėte CDN, kaip podėliuoti jūsų turinį. Įprastos „cache-control“ antraštės yra:

• `Cache-Control: public` - Nurodo, kad atsakymą gali podėliuoti bet kuris podėlis (pvz., CDN, naršyklė).
• `Cache-Control: private` - Nurodo, kad atsakymą gali podėliuoti tik vartotojo naršyklė.
• `Cache-Control: max-age=seconds` - Nurodo maksimalų laiką (sekundėmis), kurį atsakymas gali būti podėliuojamas.
• `Cache-Control: s-maxage=seconds` - Nurodo maksimalų laiką (sekundėmis), kurį atsakymą gali podėliuoti bendras podėlis (pvz., CDN). Ši direktyva nugali `max-age` bendriems podėliams.
• `Cache-Control: no-cache` - Nurodo, kad atsakymas neturėtų būti naudojamas iš podėlio be pakartotinio patvirtinimo su pirminiu serveriu.
• `Cache-Control: no-store` - Nurodo, kad atsakymas apskritai neturėtų būti podėliuojamas.
• `ETag` - Unikalus konkrečios ištekliaus versijos identifikatorius. Naudojamas podėlio patvirtinimui.
• `Last-Modified` - Data ir laikas, kada išteklius buvo paskutinį kartą modifikuotas. Naudojamas podėlio patvirtinimui.

„Cache-Control“ antraštės pavyzdys:

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

Ši antraštė nurodo CDN podėliuoti atsakymą 7200 sekundžių (2 valandas), o naršyklės gali jį podėliuoti 3600 sekundžių (1 valandą).

Populiarūs CDN teikėjai

• Cloudflare: Populiarus CDN, siūlantis platų funkcijų spektrą, įskaitant apsaugą nuo DDoS, SSL šifravimą ir žiniatinklio programų ugniasienę (WAF).
• Akamai: Pirmaujantis CDN teikėjas, žinomas dėl didelio našumo ir patikimumo.
• AWS CloudFront: „Amazon“ CDN paslauga, integruota su kitomis AWS paslaugomis.
• Fastly: CDN teikėjas, žinomas dėl realaus laiko podėliavimo ir pažangių konfigūravimo parinkčių.
• Google Cloud CDN: „Google“ CDN paslauga, integruota su „Google Cloud Platform“.
• Azure CDN: „Microsoft“ CDN paslauga, integruota su „Azure“ paslaugomis.

CDN podėlio anuliavimo strategijos

Kaip ir „Redis“, CDN taip pat reikalauja podėlio anuliavimo mechanizmų, kad būtų užtikrintas duomenų nuoseklumas.

• TTL pagrįstas galiojimas: CDN automatiškai pašalina pasenusį podėlio turinį pagal `max-age` ir `s-maxage` „cache-control“ antraštes.
• Valymas (Purging): Rankinis podėlyje esančio turinio pašalinimas iš CDN. Tai galima padaryti per CDN valdymo konsolę arba API.
• Versijų URL: Įtraukite versijos numerį į ištekliaus URL (pvz., `image.jpg?v=1`). Kai turinys pasikeičia, atnaujinkite versijos numerį, priversdami CDN gauti naują versiją.
• Podėlį apeinantys užklausos parametrai: Pridėkite unikalų užklausos parametrą prie URL (pvz., `image.jpg?cb=12345`). Tai efektyviai sukuria naują URL kiekvienai užklausai, apeinant podėlį. Tai dažnai naudojama kūrimo procese, bet paprastai nerekomenduojama gamybinei aplinkai.

„Redis“ ir CDN derinimas: galinga partnerystė

„Redis“ ir CDN gali būti naudojami kartu, siekiant sukurti labai efektyvią API podėliavimo strategiją. „Redis“ veikia kaip pirmo lygio podėlis jūsų programos infrastruktūroje, o CDN suteikia globalų podėliavimą kraštinėje.

Architektūros pavyzdys

1. Vartotojas prašo duomenų iš jūsų API.
2. Programa patikrina „Redis“, ar yra duomenų.
3. Jei duomenys randami „Redis“ (podėlio pataikymas), jie grąžinami vartotojui.
4. Jei duomenys nerandami „Redis“ (podėlio nepataikymas), programa gauna juos iš pirminio serverio.
5. Programa įrašo duomenis į „Redis“ podėlį su TTL.
6. Programa grąžina duomenis vartotojui.
7. CDN podėliuoja API atsakymą pagal „cache-control“ antraštes.
8. Vėlesnės užklausos iš to paties geografinio regiono vartotojų aptarnaujamos iš CDN podėlio.

Šio kombinuoto požiūrio privalumai

• Sumažinta delsa: „Redis“ suteikia greitą prieigą prie dažnai naudojamų duomenų, o CDN užtikrina mažą delsą vartotojams visame pasaulyje.
• Pagerintas mastelis: „Redis“ ir CDN nukrauna srautą nuo pirminio serverio, gerindami mastelį ir mažindami infrastruktūros išlaidas.
• Padidintas pasiekiamumas: CDN veikia kaip buferis, apsaugantis pirminį serverį nuo srauto šuolių ir užtikrinantis aukštą pasiekiamumą.
• Geresnė vartotojo patirtis: Greitesnis atsakymo laikas ir didesnis patikimumas lemia geresnę vartotojo patirtį.

Tinkamos podėliavimo strategijos pasirinkimas

Optimali podėliavimo strategija priklauso nuo kelių veiksnių, įskaitant:

• Duomenų kintamumas: Kaip dažnai keičiasi duomenys? Dažnai kintantiems duomenims tinka trumpesni TTL. Santykinai statiškiems duomenims galima naudoti ilgesnius TTL.
• Srauto modeliai: Kokie yra jūsų API užklausų modeliai? Srauto modelių supratimas gali padėti optimizuoti podėlio dydžius ir TTL.
• Duomenų jautrumas: Ar duomenys yra jautrūs? Jei taip, įsitikinkite, kad naudojate tinkamus podėliavimo mechanizmus ir saugumo priemones.
• Kaina: Apsvarstykite „Redis“, CDN paslaugų ir kitų infrastruktūros komponentų kainą.

Geriausios API podėliavimo praktikos

• Naudokite tinkamas „Cache-Control“ antraštes: Teisingai sukonfigūruokite „cache-control“ antraštes, kad užtikrintumėte, jog jūsų turinys būtų efektyviai podėliuojamas CDN ir naršyklių.
• Įgyvendinkite efektyvias podėlio anuliavimo strategijas: Naudokite TTL pagrįsto galiojimo ir įvykiais pagrįsto anuliavimo derinį, kad palaikytumėte duomenų nuoseklumą.
• Stebėkite podėlio našumą: Stebėkite podėlio pataikymų rodiklius ir atsakymo laikus, kad nustatytumėte tobulinimo sritis.
• Naudokite nuoseklų maišos algoritmą: Naudodami kelis „Redis“ egzempliorius, naudokite nuoseklų maišos algoritmą, kad duomenys būtų tolygiai paskirstyti klasteryje.
• Apsaugokite savo podėlį: Apsaugokite savo podėlį nuo neteisėtos prieigos naudodami autentifikavimą ir šifravimą.
• Apsvarstykite `stale-while-revalidate`: Tam tikrais atvejais `stale-while-revalidate` „cache-control“ direktyva gali pagerinti našumą, pateikdama pasenusį turinį, kol podėlis atnaujinamas fone.
• Kruopščiai išbandykite savo podėliavimo strategiją: Prieš diegdami podėliavimo strategiją į gamybinę aplinką, kruopščiai ją išbandykite, kad įsitikintumėte, jog ji veikia teisingai.

Globalūs aspektai

Įgyvendindami API podėliavimą globaliai auditorijai, atsižvelkite į šiuos dalykus:

• CDN buvimas: Pasirinkite CDN su stipriu globaliu buvimu, kad užtikrintumėte greitą turinio pristatymą vartotojams visuose regionuose.
• Regioninės podėliavimo politikos: Apsvarstykite galimybę įgyvendinti skirtingas podėliavimo politikas skirtingiems regionams, atsižvelgiant į srauto modelius ir duomenų kintamumą.
• Atitiktis reikalavimams: Žinokite duomenų privatumo reglamentus (pvz., GDPR, CCPA) ir užtikrinkite, kad jūsų podėliavimo strategija atitiktų šiuos reglamentus.
• Laiko juostos: Nustatydami TTL, atsižvelkite į skirtingas savo vartotojų laiko juostas.

Išvados

API podėliavimas yra būtinas kuriant našias, keičiamo mastelio ir globaliai prieinamas programas. Efektyviai pasitelkdami „Redis“ ir CDN, galite žymiai sumažinti delsą, pagerinti pralaidumą ir pagerinti vartotojo patirtį. Nepamirškite pasirinkti tinkamos podėliavimo strategijos, atsižvelgiant į jūsų specifinius poreikius, ir įgyvendinti tinkamus podėlio anuliavimo mechanizmus, kad palaikytumėte duomenų nuoseklumą. Vadovaudamiesi šiame vadove pateiktomis geriausiomis praktikomis, galite sukurti patikimas ir efektyvias API, atitinkančias globalios auditorijos poreikius.

Nesvarbu, ar kuriate mikropaslaugų architektūrą Europoje, diegiate mobiliąją programėlę Azijoje, ar teikiate turinį vartotojams Šiaurės Amerikoje, efektyvių API podėliavimo strategijų supratimas ir įgyvendinimas yra labai svarbus sėkmei šiandieniniame tarpusavyje susijusiame pasaulyje. Eksperimentuokite su skirtingomis konfigūracijomis, stebėkite savo našumo metrikas ir nuolat optimizuokite podėliavimo strategiją, kad pasiektumėte geriausių įmanomų rezultatų.