API kešatmiņa: veiktspējas mērogošana globāli ar Redis un CDN stratēģijām

Mūsdienu savstarpēji saistītajā pasaulē lietojumprogrammām ir jānodrošina ātra un uzticama pieredze lietotājiem neatkarīgi no viņu ģeogrāfiskās atrašanās vietas. API (lietojumprogrammu saskarnes) ir mūsdienu programmatūras arhitektūras pamats, kas nodrošina visu, sākot no mobilajām lietotnēm līdz sarežģītām uzņēmumu sistēmām. Tāpēc API veiktspējas optimizēšana ir ļoti svarīga, un kešatmiņai ir galvenā loma šī mērķa sasniegšanā.

Šajā rokasgrāmatā aplūkotas efektīvas API kešatmiņas stratēģijas, izmantojot divus jaudīgus rīkus: Redis un satura piegādes tīklus (CDN). Mēs iedziļināsimies priekšrocībās, ieviešanas metodēs un labākajās praksēs, kā izmantot šīs tehnoloģijas, lai izveidotu augstas veiktspējas, mērogojamas un globāli pieejamas API.

Kāpēc API kešatmiņa ir svarīga?

Bez kešatmiņas katrs API pieprasījums izraisa ceļojumu uz izcelsmes serveri (piemēram, jūsu lietojumprogrammas datu bāzi). Tas var radīt vairākas problēmas:

• Palielināts latentums: Katrs pieprasījums rada tīkla latentumu, ietekmējot atbildes laiku, īpaši lietotājiem, kas atrodas tālu no izcelsmes servera.
• Samazināta caurlaidspēja: Izcelsmes serveris kļūst par vājo vietu, ierobežojot vienlaikus apstrādājamo pieprasījumu skaitu.
• Palielinātas izmaksas: Lielāka servera slodze nozīmē lielākas infrastruktūras izmaksas.
• Slikta lietotāja pieredze: Lēnas API atbildes rada neapmierinātus lietotājus un pamestas lietojumprogrammas.

Kešatmiņa risina šīs problēmas, glabājot bieži piekļūstamus datus tuvāk lietotājam, samazinot slodzi uz izcelsmes serveri un uzlabojot atbildes laiku. Kešatmiņa var notikt dažādos jūsu infrastruktūras līmeņos, sākot no klienta puses pārlūkprogrammas līdz servera puses lietojumprogrammai.

Izpratne par kešatmiņas ainavu

Pirms iedziļināties konkrētās tehnoloģijās, definēsim dažus galvenos kešatmiņas jēdzienus:

• Kešatmiņas trāpījums (Cache Hit): Kad pieprasītie dati tiek atrasti kešatmiņā, rezultātā tiek saņemta ātra atbilde.
• Kešatmiņas kļūda (Cache Miss): Kad pieprasītie dati netiek atrasti kešatmiņā, ir nepieciešams pieprasījums uz izcelsmes serveri.
• Kešatmiņas invalidācija: Process, kurā no kešatmiņas tiek noņemti novecojuši dati, lai nodrošinātu datu konsekvenci.
• Dzīvības laiks (Time-To-Live, TTL): Laika posms, kurā dati kešatmiņā paliek derīgi.
• Cache-Control galvenes: HTTP galvenes, ko izmanto, lai kontrolētu kešatmiņas darbību klientos un starpniekos (piemēram, CDN).

Redis: operatīvās atmiņas datu krātuve API kešatmiņai

Redis ir atvērtā koda, operatīvās atmiņas datu struktūru krātuve, ko plaši izmanto kešatmiņai, sesiju pārvaldībai un reāllaika analīzei. Tā ātrums un daudzpusība padara to par lielisku izvēli API kešatmiņai. Redis glabā datus atslēgas-vērtības pāros, piedāvājot dažādas datu struktūras, piemēram, virknes, sarakstus, kopas un jaucējtabulas. Tā kā Redis atrodas operatīvajā atmiņā, datu izgūšana ir ārkārtīgi ātra, kas nodrošina ievērojami mazāku latentumu salīdzinājumā ar datu bāzes vaicājumiem.

Redis izmantošanas priekšrocības API kešatmiņai

• Augsta veiktspēja: Operatīvās atmiņas datu glabāšana nodrošina ārkārtīgi zemu latentumu.
• Daudzpusīgas datu struktūras: Atbalsta dažādas datu struktūras, lai optimizētu kešatmiņu dažādiem datu tipiem.
• Vienkārša integrācija: Nevainojami integrējas ar populārām programmēšanas valodām un ietvariem.
• Mērogojamība: Var tikt mērogots horizontāli, izmantojot Redis Cluster, lai apstrādātu lielu datplūsmas apjomu.
• Pub/Sub: Atbalsta publicēšanas/abonēšanas ziņojumapmaiņu reāllaika kešatmiņas invalidācijai.

Redis kešatmiņas ieviešana

Šeit ir vienkāršots piemērs Redis kešatmiņas ieviešanai Python valodā, izmantojot `redis-py` bibliotēku:

            
import redis
import json

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


def get_data_from_api(api_endpoint):
 # Simulate fetching data from an 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("Data retrieved from cache")
 return json.loads(cached_data.decode('utf-8'))
 else:
 print("Data retrieved from API")
 data = get_data_from_api(api_endpoint)
 # Cache the data for 60 seconds (TTL)
 redis_client.setex(cache_key, 60, json.dumps(data))
 return data

# Example usage
api_endpoint = "/data"
data = get_data_with_cache(api_endpoint)
print(data)

            

              
                Copy
              
            
          

Paskaidrojums:

1. Kods izveido savienojumu ar Redis instanci.
2. Funkcija `get_data_with_cache` mēģina izgūt datus no Redis, izmantojot kešatmiņas atslēgu.
3. Ja dati tiek atrasti Redis (kešatmiņas trāpījums), tie tiek atgriezti.
4. Ja dati netiek atrasti (kešatmiņas kļūda), tie tiek izgūti no API, saglabāti kešatmiņā Redis ar TTL 60 sekundes un pēc tam atgriezti.

Redis kešatmiņas stratēģijas

• Cache-Aside (kešatmiņa malā): Lietojumprogramma vispirms pārbauda kešatmiņu. Ja dati netiek atrasti, tā tos izgūst no izcelsmes servera, saglabā kešatmiņā un atgriež. Šī stratēģija ir parādīta iepriekšējā piemērā.
• Write-Through (caurrakstīšana): Dati tiek ierakstīti kešatmiņā un izcelsmes serverī vienlaicīgi. Tas nodrošina datu konsekvenci, bet var palielināt rakstīšanas latentumu.
• Write-Back (atliktā rakstīšana): Dati vispirms tiek ierakstīti kešatmiņā un pēc tam asinhroni ierakstīti izcelsmes serverī. Tas uzlabo rakstīšanas veiktspēju, bet rada datu zuduma risku, ja kešatmiņa sabojājas pirms datu ierakstīšanas izcelsmes serverī.

Kešatmiņas invalidācijas stratēģijas ar Redis

Datu konsekvences uzturēšana ir ļoti svarīga. Šeit ir dažas izplatītas kešatmiņas invalidācijas stratēģijas Redis:

• Derīguma termiņš (TTL): Vienkāršākā pieeja. Katram kešatmiņā saglabātajam vienumam iestatiet TTL. Redis automātiski noņem vienumus, kuriem beidzies derīguma termiņš.
• Uz notikumiem balstīta invalidācija: Invalidējiet kešatmiņu, kad dati mainās izcelsmes serverī. To var panākt, izmantojot ziņojumapmaiņas sistēmas (piem., Redis Pub/Sub, RabbitMQ), lai paziņotu lietojumprogrammai par konkrētu kešatmiņas ierakstu invalidāciju.
• Manuāla invalidācija: Nepieciešamības gadījumā skaidri noņemiet kešatmiņas ierakstus. Tas ir noderīgi, risinot īpašus scenārijus, kuros ar TTL balstīta derīguma termiņa beigām nepietiek.

Satura piegādes tīkli (CDN): globāla kešatmiņa tīkla malā

Kamēr Redis lieliski tiek galā ar datu kešatmiņu jūsu lietojumprogrammas infrastruktūrā, CDN paplašina kešatmiņu globālā mērogā. CDN ir izkliedēts serveru tīkls, kas stratēģiski izvietots visā pasaulē. Kad lietotājs pieprasa saturu no jūsu API, CDN serveris, kas atrodas vistuvāk lietotājam, piegādā kešatmiņā saglabātos datus, samazinot latentumu un uzlabojot veiktspēju. CDN ir īpaši efektīvi statiska satura (piemēram, attēlu, video, CSS, JavaScript) un bieži pieprasītu API atbilžu kešatmiņai, kas nemainās bieži.

CDN izmantošanas priekšrocības API kešatmiņai

• Samazināts latentums: Saturs tiek piegādāts no servera, kas atrodas vistuvāk lietotājam, samazinot tīkla latentumu.
• Uzlabota veiktspēja: Ātrāki atbildes laiki nodrošina labāku lietotāja pieredzi.
• Palielināta mērogojamība: CDN novirza datplūsmu no izcelsmes servera, uzlabojot mērogojamību un samazinot infrastruktūras izmaksas.
• Globāla sasniedzamība: CDN nodrošina globālu klātbūtni, garantējot ātru satura piegādi lietotājiem visā pasaulē.
• DDoS aizsardzība: Daudzi CDN piedāvā DDoS (izkliedētā pakalpojumatteices) aizsardzību, pasargājot jūsu API no ļaunprātīgiem uzbrukumiem.

Kā darbojas CDN

1. Lietotājs pieprasa saturu no jūsu API.
2. CDN pārbauda, vai saturs jau ir saglabāts kešatmiņā malas serverī, kas atrodas vistuvāk lietotājam.
3. Ja saturs ir kešatmiņā (kešatmiņas trāpījums), tas tiek piegādāts lietotājam.
4. Ja saturs nav kešatmiņā (kešatmiņas kļūda), malas serveris to izgūst no izcelsmes servera, saglabā kešatmiņā un piegādā lietotājam.
5. Turpmākie pieprasījumi no lietotājiem tajā pašā ģeogrāfiskajā reģionā tiek apkalpoti no kešatmiņas.

CDN konfigurācija un Cache-Control galvenes

CDN konfigurēšana parasti ietver jūsu domēna nosaukuma novirzīšanu uz CDN serveriem. Jums arī jākonfigurē cache-control galvenes jūsu API atbildēs, lai norādītu CDN, kā kešatmiņā saglabāt jūsu saturu. Izplatītākās cache-control galvenes ietver:

• `Cache-Control: public` - Norāda, ka atbildi var saglabāt jebkurā kešatmiņā (piem., CDN, pārlūkprogramma).
• `Cache-Control: private` - Norāda, ka atbildi var saglabāt tikai lietotāja pārlūkprogrammā.
• `Cache-Control: max-age=seconds` - Norāda maksimālo laiku (sekundēs), cik ilgi atbildi var saglabāt kešatmiņā.
• `Cache-Control: s-maxage=seconds` - Norāda maksimālo laiku (sekundēs), cik ilgi atbildi var saglabāt koplietojamā kešatmiņā (piem., CDN). Šī vērtība aizstāj `max-age` koplietojamām kešatmiņām.
• `Cache-Control: no-cache` - Norāda, ka atbildi nedrīkst saglabāt kešatmiņā. Kešatmiņai pirms tās izmantošanas ir atkārtoti jāvalidē atbilde ar izcelsmes serveri.
• `Cache-Control: no-store` - Norāda, ka atbildi vispār nedrīkst saglabāt kešatmiņā.
• `ETag` - Unikāls identifikators konkrētai resursa versijai. Izmanto kešatmiņas validācijai.
• `Last-Modified` - Datums un laiks, kad resurss pēdējo reizi tika modificēts. Izmanto kešatmiņas validācijai.

Cache-Control galvenes piemērs:

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

            

              
                Copy
              
            
          

Šī galvene norāda CDN saglabāt atbildi kešatmiņā 7200 sekundes (2 stundas), kamēr pārlūkprogrammas to var saglabāt 3600 sekundes (1 stundu).

Populāri CDN pakalpojumu sniedzēji

• Cloudflare: Populārs CDN, kas piedāvā plašu funkciju klāstu, ieskaitot DDoS aizsardzību, SSL šifrēšanu un tīmekļa lietojumprogrammu ugunsmūri (WAF).
• Akamai: Vadošais CDN nodrošinātājs, kas pazīstams ar savu augsto veiktspēju un uzticamību.
• AWS CloudFront: Amazon CDN pakalpojums, integrēts ar citiem AWS pakalpojumiem.
• Fastly: CDN nodrošinātājs, kas pazīstams ar savu reāllaika kešatmiņu un paplašinātajām konfigurācijas iespējām.
• Google Cloud CDN: Google CDN pakalpojums, integrēts ar Google Cloud Platform.
• Azure CDN: Microsoft CDN pakalpojums, integrēts ar Azure pakalpojumiem.

CDN kešatmiņas invalidācijas stratēģijas

Tāpat kā Redis, arī CDN nepieciešami kešatmiņas invalidācijas mehānismi, lai nodrošinātu datu konsekvenci.

• Derīguma termiņš: CDN automātiski noņem kešatmiņā saglabāto saturu, pamatojoties uz `max-age` un `s-maxage` cache-control galvenēm.
• Iztīrīšana (Purging): Manuāli noņemt kešatmiņā saglabāto saturu no CDN. To var izdarīt, izmantojot CDN pārvaldības konsoli vai API.
• URL ar versijām: Iekļaujiet versijas numuru resursa URL (piemēram, `image.jpg?v=1`). Kad saturs mainās, atjauniniet versijas numuru, piespiežot CDN izgūt jauno versiju.
• Kešatmiņu apejoši vaicājuma parametri: Pievienojiet URL unikālu vaicājuma parametru (piemēram, `image.jpg?cb=12345`). Tas katram pieprasījumam faktiski izveido jaunu URL, apejot kešatmiņu. To bieži izmanto izstrādes laikā, bet parasti neiesaka produkcijā.

Redis un CDN apvienošana: spēcīga partnerība

Redis un CDN var izmantot kopā, lai izveidotu ļoti efektīvu API kešatmiņas stratēģiju. Redis darbojas kā pirmā līmeņa kešatmiņa jūsu lietojumprogrammas infrastruktūrā, kamēr CDN nodrošina globālu kešatmiņu tīkla malā.

Arhitektūras piemērs

1. Lietotājs pieprasa datus no jūsu API.
2. Lietojumprogramma pārbauda Redis, vai dati ir pieejami.
3. Ja dati tiek atrasti Redis (kešatmiņas trāpījums), tie tiek atgriezti lietotājam.
4. Ja dati netiek atrasti Redis (kešatmiņas kļūda), lietojumprogramma tos izgūst no izcelsmes servera.
5. Lietojumprogramma saglabā datus Redis kešatmiņā ar TTL.
6. Lietojumprogramma atgriež datus lietotājam.
7. CDN saglabā API atbildi kešatmiņā, pamatojoties uz cache-control galvenēm.
8. Turpmākie pieprasījumi no lietotājiem tajā pašā ģeogrāfiskajā reģionā tiek apkalpoti no CDN kešatmiņas.

Šīs apvienotās pieejas priekšrocības

• Samazināts latentums: Redis nodrošina ātru piekļuvi bieži lietotiem datiem, savukārt CDN nodrošina zemu latentumu lietotājiem visā pasaulē.
• Uzlabota mērogojamība: Redis un CDN novirza datplūsmu no izcelsmes servera, uzlabojot mērogojamību un samazinot infrastruktūras izmaksas.
• Paaugstināta pieejamība: CDN darbojas kā buferis, aizsargājot izcelsmes serveri no datplūsmas lēcieniem un nodrošinot augstu pieejamību.
• Labāka lietotāja pieredze: Ātrāki atbildes laiki un uzlabota uzticamība nodrošina labāku lietotāja pieredzi.

Pareizās kešatmiņas stratēģijas izvēle

Optimālā kešatmiņas stratēģija ir atkarīga no vairākiem faktoriem, tostarp:

• Datu nepastāvība: Cik bieži dati mainās? Bieži mainīgiem datiem ir piemēroti īsāki TTL. Relatīvi statiskiem datiem var izmantot garākus TTL.
• Satiksmes modeļi: Kādi ir jūsu API pieprasījumu modeļi? Satiksmes modeļu izpratne var palīdzēt optimizēt kešatmiņas lielumu un TTL.
• Datu jutīgums: Vai dati ir sensitīvi? Ja tā, nodrošiniet, ka izmantojat atbilstošus kešatmiņas mehānismus un drošības pasākumus.
• Izmaksas: Apsveriet Redis, CDN pakalpojumu un citu infrastruktūras komponentu izmantošanas izmaksas.

API kešatmiņas labākās prakses

• Izmantojiet atbilstošas Cache-Control galvenes: Pareizi konfigurējiet cache-control galvenes, lai nodrošinātu, ka jūsu saturs tiek efektīvi saglabāts kešatmiņā CDN un pārlūkprogrammās.
• Ieviesiet efektīvas kešatmiņas invalidācijas stratēģijas: Izmantojiet TTL balstītas derīguma termiņa beigu un uz notikumiem balstītas invalidācijas kombināciju, lai uzturētu datu konsekvenci.
• Pārraugiet kešatmiņas veiktspēju: Pārraugiet kešatmiņas trāpījumu biežumu un atbildes laikus, lai identificētu jomas, kurās nepieciešami uzlabojumi.
• Izmantojiet konsekventu jaukšanas algoritmu: Izmantojot vairākas Redis instances, izmantojiet konsekventu jaukšanas algoritmu, lai vienmērīgi sadalītu datus pa klasteri.
• Nodrošiniet savu kešatmiņu: Aizsargājiet savu kešatmiņu no nesankcionētas piekļuves, izmantojot autentifikāciju un šifrēšanu.
• Apsveriet `stale-while-revalidate`: Noteiktos lietošanas gadījumos `stale-while-revalidate` cache-control direktīva var uzlabot veiktspēju, apkalpojot novecojušu saturu, kamēr kešatmiņa tiek atjaunināta fonā.
• Rūpīgi pārbaudiet savu kešatmiņas stratēģiju: Pirms kešatmiņas stratēģijas ieviešanas produkcijā, rūpīgi to pārbaudiet, lai nodrošinātu, ka tā darbojas pareizi.

Globāli apsvērumi

Ieviešot API kešatmiņu globālai auditorijai, paturiet prātā sekojošo:

• CDN klātbūtne: Izvēlieties CDN ar spēcīgu globālo klātbūtni, lai nodrošinātu ātru satura piegādi lietotājiem visos reģionos.
• Reģionālās kešatmiņas politikas: Apsveriet iespēju ieviest dažādas kešatmiņas politikas dažādiem reģioniem, pamatojoties uz satiksmes modeļiem un datu nepastāvību.
• Atbilstība: Ievērojiet datu privātuma regulas (piemēram, GDPR, CCPA) un nodrošiniet, ka jūsu kešatmiņas stratēģija atbilst šīm regulām.
• Laika joslas: Iestatot TTL, ņemiet vērā savu lietotāju dažādās laika joslas.

Noslēgums

API kešatmiņa ir būtiska, lai veidotu augstas veiktspējas, mērogojamas un globāli pieejamas lietojumprogrammas. Efektīvi izmantojot Redis un CDN, jūs varat ievērojami samazināt latentumu, uzlabot caurlaidspēju un uzlabot lietotāja pieredzi. Atcerieties izvēlēties pareizo kešatmiņas stratēģiju, pamatojoties uz jūsu īpašajām vajadzībām, un ieviest atbilstošus kešatmiņas invalidācijas mehānismus, lai uzturētu datu konsekvenci. Ievērojot šajā rokasgrāmatā izklāstītās labākās prakses, jūs varat izveidot robustas un efektīvas API, kas atbilst globālās auditorijas prasībām.

Neatkarīgi no tā, vai jūs veidojat mikropakalpojumu arhitektūru Eiropā, izvietojat mobilo lietotni Āzijā vai apkalpojat saturu lietotājiem Ziemeļamerikā, efektīvu API kešatmiņas stratēģiju izpratne un ieviešana ir būtiska panākumiem mūsdienu savstarpēji saistītajā pasaulē. Eksperimentējiet ar dažādām konfigurācijām, pārraugiet savus veiktspējas rādītājus un nepārtraukti optimizējiet savu kešatmiņas stratēģiju, lai sasniegtu vislabākos iespējamos rezultātus.