Кешування API: масштабування продуктивності за допомогою стратегій Redis та CDN у глобальному масштабі

У сучасному взаємопов'язаному світі застосункам необхідно забезпечувати швидку та надійну роботу для користувачів незалежно від їхнього географічного розташування. API (інтерфейси прикладного програмування) є основою сучасної архітектури програмного забезпечення, що живлять усе, від мобільних додатків до складних корпоративних систем. Тому оптимізація продуктивності API є надзвичайно важливою, і кешування відіграє центральну роль у досягненні цієї мети.

Цей посібник розглядає ефективні стратегії кешування API з використанням двох потужних інструментів: Redis та мереж доставки контенту (CDN). Ми детально розглянемо переваги, техніки впровадження та найкращі практики використання цих технологій для створення високопродуктивних, масштабованих та глобально доступних API.

Чому кешування API є важливим?

Без кешування кожен запит до API ініціює звернення до вихідного сервера (наприклад, до бази даних вашого застосунку). Це може призвести до кількох проблем:

Збільшення затримки: Кожен запит спричиняє мережеву затримку, що впливає на час відповіді, особливо для користувачів, які знаходяться далеко від вихідного сервера.
Зниження пропускної здатності: Вихідний сервер стає вузьким місцем, обмежуючи кількість запитів, які він може обробляти одночасно.
Зростання витрат: Більше навантаження на сервер призводить до збільшення витрат на інфраструктуру.
Погіршення користувацького досвіду: Повільні відповіді API призводять до розчарування користувачів та відмови від використання застосунків.

Кешування вирішує ці проблеми, зберігаючи часто запитувані дані ближче до користувача, що зменшує навантаження на вихідний сервер та покращує час відповіді. Кешування може відбуватися на різних рівнях вашої інфраструктури, від браузера на стороні клієнта до застосунку на стороні сервера.

Розуміння ландшафту кешування

Перш ніж занурюватися в конкретні технології, давайте визначимо деякі ключові поняття кешування:

Влучання в кеш (Cache Hit): Коли запитані дані знаходяться в кеші, що призводить до швидкої відповіді.
Промах кешу (Cache Miss): Коли запитані дані не знаходяться в кеші, що вимагає запиту до вихідного сервера.
Інвалідація кешу (Cache Invalidation): Процес видалення застарілих даних з кешу для забезпечення узгодженості даних.
Час життя (Time-To-Live, TTL): Тривалість, протягом якої дані залишаються дійсними в кеші.
Заголовки Cache-Control: HTTP-заголовки, що використовуються для керування поведінкою кешування клієнтами та посередниками (наприклад, CDN).

Redis: сховище даних в оперативній пам'яті для кешування API

Redis — це сховище структур даних в оперативній пам'яті з відкритим вихідним кодом, що широко використовується для кешування, керування сесіями та аналітики в реальному часі. Його швидкість та універсальність роблять його чудовим вибором для кешування API. Redis зберігає дані у вигляді пар "ключ-значення", пропонуючи різноманітні структури даних, такі як рядки, списки, множини та хеші. Оскільки Redis працює в оперативній пам'яті, отримання даних відбувається надзвичайно швидко, що призводить до значно меншої затримки порівняно із запитами до бази даних.

Переваги використання Redis для кешування API

Висока продуктивність: Зберігання даних в оперативній пам'яті забезпечує надзвичайно низьку затримку.
Універсальні структури даних: Підтримує різноманітні структури даних для оптимізації кешування для різних типів даних.
Проста інтеграція: Легко інтегрується з популярними мовами програмування та фреймворками.
Масштабованість: Може масштабуватися горизонтально за допомогою Redis Cluster для обробки великих обсягів трафіку.
Pub/Sub: Підтримує обмін повідомленнями за моделлю "видавець/підписник" для інвалідації кешу в реальному часі.

Впровадження кешування з Redis

Ось спрощений приклад реалізації кешування Redis на Python з використанням бібліотеки `redis-py`:


import redis
import json

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


def get_data_from_api(api_endpoint):
 # Імітація отримання даних з API
 data = {"name": "Приклад даних", "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("Дані отримано з кешу")
 return json.loads(cached_data.decode('utf-8'))
 else:
 print("Дані отримано з API")
 data = get_data_from_api(api_endpoint)
 # Кешуємо дані на 60 секунд (TTL)
 redis_client.setex(cache_key, 60, json.dumps(data))
 return data

# Приклад використання
api_endpoint = "/data"
data = get_data_with_cache(api_endpoint)
print(data)

Пояснення:

Код підключається до екземпляра Redis.
Функція `get_data_with_cache` намагається отримати дані з Redis за допомогою ключа кешу.
Якщо дані знайдено в Redis (влучання в кеш), вони повертаються.
Якщо дані не знайдено (промах кешу), вони отримуються з API, кешуються в Redis з TTL 60 секунд, а потім повертаються.

Стратегії кешування Redis

Cache-Aside (кешування збоку): Застосунок спочатку перевіряє кеш. Якщо даних не знайдено, він отримує їх з вихідного сервера, кешує та повертає. Ця стратегія продемонстрована у прикладі вище.
Write-Through (наскрізний запис): Дані записуються в кеш і на вихідний сервер одночасно. Це забезпечує узгодженість даних, але може збільшити затримку запису.
Write-Back (Write-Behind, відкладений запис): Дані спочатку записуються в кеш, а потім асинхронно записуються на вихідний сервер. Це покращує продуктивність запису, але створює ризик втрати даних, якщо кеш вийде з ладу до того, як дані будуть записані на вихідний сервер.

Стратегії інвалідації кешу з Redis

Підтримка узгодженості даних є надзвичайно важливою. Ось деякі поширені стратегії інвалідації кешу для Redis:

Завершення терміну дії за часом (TTL): Найпростіший підхід. Встановіть TTL для кожного кешованого елемента. Redis автоматично видаляє елементи, термін дії яких закінчився.
Інвалідація на основі подій: Інвалідуйте кеш, коли дані змінюються на вихідному сервері. Цього можна досягти за допомогою систем обміну повідомленнями (наприклад, Redis Pub/Sub, RabbitMQ), щоб сповістити застосунок про необхідність інвалідувати конкретні записи в кеші.
Ручна інвалідація: Явне видалення записів з кешу за потреби. Це корисно для обробки конкретних сценаріїв, де завершення терміну дії на основі TTL є недостатнім.

Мережі доставки контенту (CDN): глобальне кешування на межі мережі

Хоча Redis чудово справляється з кешуванням даних у вашій інфраструктурі, CDN розширюють кешування до глобального масштабу. CDN — це розподілена мережа серверів, стратегічно розташованих по всьому світу. Коли користувач запитує контент з вашого API, сервер CDN, найближчий до користувача, доставляє кешовані дані, мінімізуючи затримку та покращуючи продуктивність. CDN особливо ефективні для кешування статичного контенту (наприклад, зображень, відео, CSS, JavaScript) та часто запитуваних відповідей API, які не змінюються часто.

Переваги використання CDN для кешування API

Зменшення затримки: Контент доставляється з сервера, найближчого до користувача, що мінімізує мережеву затримку.
Покращена продуктивність: Швидший час відповіді призводить до кращого користувацького досвіду.
Підвищена масштабованість: CDN знімають трафік з вихідного сервера, покращуючи масштабованість та зменшуючи витрати на інфраструктуру.
Глобальне охоплення: CDN забезпечують глобальну присутність, гарантуючи швидку доставку контенту користувачам у всьому світі.
Захист від DDoS: Багато CDN пропонують захист від DDoS (розподілених атак на відмову в обслуговуванні), захищаючи ваш API від зловмисних атак.

Як працюють CDN

Користувач запитує контент з вашого API.
CDN перевіряє, чи контент вже кешований на крайовому сервері, найближчому до користувача.
Якщо контент кешований (влучання в кеш), він доставляється користувачеві.
Якщо контент не кешований (промах кешу), крайовий сервер отримує його з вихідного сервера, кешує та доставляє користувачеві.
Наступні запити від користувачів у тому ж географічному регіоні обслуговуються з кешу.

Конфігурація CDN та заголовки Cache-Control

Налаштування CDN зазвичай передбачає спрямування вашого доменного імені на сервери CDN. Вам також потрібно налаштувати заголовки cache-control у відповідях вашого API, щоб вказати CDN, як кешувати ваш контент. Поширені заголовки cache-control включають:

`Cache-Control: public` - Вказує, що відповідь може бути кешована будь-яким кешем (наприклад, CDN, браузером).
`Cache-Control: private` - Вказує, що відповідь може бути кешована лише браузером користувача.
`Cache-Control: max-age=секунди` - Вказує максимальний час (у секундах), протягом якого відповідь може бути кешована.
`Cache-Control: s-maxage=секунди` - Вказує максимальний час (у секундах), протягом якого відповідь може бути кешована спільним кешем (наприклад, CDN). Цей параметр перевизначає `max-age` для спільних кешів.
`Cache-Control: no-cache` - Вказує, що відповідь не повинна кешуватися. Кеш повинен перевірити відповідь на вихідному сервері перед її використанням.
`Cache-Control: no-store` - Вказує, що відповідь не повинна кешуватися взагалі.
`ETag` - Унікальний ідентифікатор для конкретної версії ресурсу. Використовується для валідації кешу.
`Last-Modified` - Дата та час останньої зміни ресурсу. Використовується для валідації кешу.

Приклад заголовка Cache-Control:


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

Цей заголовок повідомляє CDN кешувати відповідь протягом 7200 секунд (2 години), тоді як браузери можуть кешувати її протягом 3600 секунд (1 година).

Стратегії інвалідації кешу CDN

Як і Redis, CDN також потребують механізмів інвалідації кешу для забезпечення узгодженості даних.

Завершення терміну дії на основі TTL: CDN автоматично видаляють кешований контент на основі заголовків `max-age` та `s-maxage` cache-control.
Очищення (Purging): Ручне видалення кешованого контенту з CDN. Це можна зробити через консоль керування CDN або API.
Версійні URL-адреси: Включення номера версії в URL-адресу ресурсу (наприклад, `image.jpg?v=1`). Коли контент змінюється, оновіть номер версії, змушуючи CDN завантажити нову версію.
Параметри запиту для обходу кешу (Cache-Busting): Додавання унікального параметра запиту до URL-адреси (наприклад, `image.jpg?cb=12345`). Це ефективно створює нову URL-адресу для кожного запиту, минаючи кеш. Це часто використовується для розробки, але зазвичай не рекомендується для виробничого середовища.

Поєднання Redis та CDN: потужне партнерство

Redis та CDN можна використовувати разом для створення високоефективної стратегії кешування API. Redis діє як кеш першого рівня у вашій інфраструктурі, тоді як CDN забезпечує глобальне кешування на межі мережі.

Приклад архітектури

Користувач запитує дані з вашого API.
Застосунок перевіряє наявність даних у Redis.
Якщо дані знайдено в Redis (влучання в кеш), вони повертаються користувачеві.
Якщо дані не знайдено в Redis (промах кешу), застосунок отримує їх з вихідного сервера.
Застосунок кешує дані в Redis з певним TTL.
Застосунок повертає дані користувачеві.
CDN кешує відповідь API на основі заголовків cache-control.
Наступні запити від користувачів у тому ж географічному регіоні обслуговуються з кешу CDN.

Переваги такого комбінованого підходу

Зменшення затримки: Redis забезпечує швидкий доступ до часто запитуваних даних, тоді як CDN гарантує низьку затримку для користувачів у всьому світі.
Покращена масштабованість: Redis та CDN знімають трафік з вихідного сервера, покращуючи масштабованість та зменшуючи витрати на інфраструктуру.
Підвищена доступність: CDN діє як буфер, захищаючи вихідний сервер від сплесків трафіку та забезпечуючи високу доступність.
Кращий користувацький досвід: Швидший час відповіді та покращена надійність призводять до кращого користувацького досвіду.

Вибір правильної стратегії кешування

Оптимальна стратегія кешування залежить від кількох факторів, зокрема:

Мінливість даних: Як часто змінюються дані? Для даних, що часто змінюються, доцільно використовувати коротші TTL. Для відносно статичних даних можна використовувати довші TTL.
Патерни трафіку: Які патерни запитів до вашого API? Розуміння патернів трафіку може допомогти вам оптимізувати розміри кешу та TTL.
Чутливість даних: Чи є дані чутливими? Якщо так, переконайтеся, що ви використовуєте відповідні механізми кешування та заходи безпеки.
Вартість: Враховуйте вартість використання Redis, сервісів CDN та інших компонентів інфраструктури.

Найкращі практики кешування API

Використовуйте відповідні заголовки Cache-Control: Правильно налаштовуйте заголовки cache-control, щоб забезпечити ефективне кешування вашого контенту CDN та браузерами.
Впроваджуйте ефективні стратегії інвалідації кешу: Використовуйте комбінацію завершення терміну дії на основі TTL та інвалідації на основі подій для підтримки узгодженості даних.
Моніторте продуктивність кешу: Відстежуйте коефіцієнти влучань у кеш та час відповіді, щоб виявити можливості для покращення.
Використовуйте алгоритм консистентного хешування: При використанні кількох екземплярів Redis використовуйте алгоритм консистентного хешування для рівномірного розподілу даних по кластеру.
Захищайте свій кеш: Захищайте свій кеш від несанкціонованого доступу за допомогою автентифікації та шифрування.
Розгляньте можливість використання Stale-While-Revalidate: Для певних випадків використання директива cache-control `stale-while-revalidate` може покращити продуктивність, подаючи застарілий контент, поки кеш оновлюється у фоновому режимі.
Ретельно тестуйте свою стратегію кешування: Перед розгортанням вашої стратегії кешування у виробничому середовищі ретельно протестуйте її, щоб переконатися, що вона працює правильно.

Глобальні аспекти

При впровадженні кешування API для глобальної аудиторії враховуйте наступне:

Присутність CDN: Вибирайте CDN з потужною глобальною присутністю, щоб забезпечити швидку доставку контенту користувачам у всіх регіонах.
Регіональні політики кешування: Розгляньте можливість впровадження різних політик кешування для різних регіонів залежно від патернів трафіку та мінливості даних.
Відповідність нормам: Будьте обізнані з правилами захисту даних (наприклад, GDPR, CCPA) та переконайтеся, що ваша стратегія кешування відповідає цим нормам.
Часові пояси: При встановленні TTL враховуйте різні часові пояси ваших користувачів.

Висновок

Кешування API є необхідним для створення високопродуктивних, масштабованих та глобально доступних застосунків. Ефективно використовуючи Redis та CDN, ви можете значно зменшити затримку, покращити пропускну здатність та підвищити якість користувацького досвіду. Не забувайте вибирати правильну стратегію кешування відповідно до ваших конкретних потреб та впроваджувати відповідні механізми інвалідації кешу для підтримки узгодженості даних. Дотримуючись найкращих практик, викладених у цьому посібнику, ви зможете створювати надійні та ефективні API, що відповідають вимогам глобальної аудиторії.

Незалежно від того, чи створюєте ви мікросервісну архітектуру в Європі, розгортаєте мобільний додаток в Азії чи надаєте контент користувачам у Північній Америці, розуміння та впровадження ефективних стратегій кешування API є вирішальним для успіху в сучасному взаємопов'язаному світі. Експериментуйте з різними конфігураціями, відстежуйте показники продуктивності та постійно оптимізуйте свою стратегію кешування для досягнення найкращих можливих результатів.

MLOG