【缓存与加速技术实践】Web缓存代理与CDN内容分发网络

Web缓存代理

作用：

• 缓存之前访问过的静态网页资源，以便在再次访问时能够直接从缓存代理服务器获取，减少源服务器的负载压力。
• 加快用户的访问速度。
• 可以作为正向代理服务器，隐藏客户端的真实地址。
  常见的Web缓存代理应用：
• 本地部署：Nginx、Squid、Varnish
• 云环境使用：CDN

Nginx配置缓存代理

http {
    ......
    # 配置缓存路径和相关参数
    proxy_cache_path /data/nginx/cache levels=1 keys_zone=my_cache:10m max_size=10g inactive=60m use_temp_path=off;
                      # 缓存目录         目录层级   缓存共享内存区域的名称和大小   缓存数据上限    缓存失效时间    不存放临时文件

    upstream XXXX {        # 上游服务器数量 >= 2 时
        server IP:PORT;
        ......
    }

    server {
        listen   IP:PORT;
        server_name  主机名;

        location 匹配静态网页路径 {
            proxy_cache my_cache;                                      # 指定使用的缓存共享内存区域的名称
            proxy_cache_valid 200 60m;                                 # 指定有效缓存的响应状态码和缓存时间
            proxy_cache_key $request_uri;                              # 指定缓存数据的key为请求的URL路径
            add_header Nginx_Cache_Status $upstream_cache_status;      # 添加响应头显示缓存状态，HIT命中缓存  MISS未命中
            proxy_pass http://XXXX;                                    # 设置未命中缓存时的代理转发
        }
    }
}

详细说明

1. proxy_cache_path:

   • /data/nginx/cache: 指定缓存文件的存储目录。
   • levels=1:2: 缓存目录的层级结构。这里表示使用一级目录和二级子目录来组织缓存文件，有助于提高文件系统性能。
   • keys_zone=my_cache:10m: 定义一个缓存共享内存区域my_cache，大小为10MB，用于存储缓存键和元数据。
   • max_size=10g: 设置缓存的最大容量为10GB。
   • inactive=60m: 如果缓存文件在60分钟内未被访问，则被认为是无效的，并可以被删除。
   • use_temp_path=off: 禁用临时路径的使用，直接写入缓存目录。

2. upstream XXXX:

   • 定义一个上游服务器组XXXX，包含多个上游服务器。Nginx会根据负载均衡策略（默认是轮询）将请求分发到这些服务器。

3. server:

   • listen IP:PORT: 指定Nginx监听的IP地址和端口。
   • server_name 主机名: 指定服务器的主机名或域名。

4. location:

   • 匹配特定的请求路径。
   • proxy_cache my_cache: 使用前面定义的my_cache缓存共享内存区域。
   • proxy_cache_valid 200 60m: 对HTTP状态码为200的响应设置60分钟的缓存有效期。
   • proxy_cache_key $request_uri: 设置缓存数据的键为请求的URL路径。
   • add_header Nginx_Cache_Status $upstream_cache_status: 添加一个响应头，显示缓存状态。
   • proxy_pass http://XXXX: 如果请求未命中缓存，则转发到上游服务器组XXXX进行处理。

CDN内容分发网络

CDN（Content Delivery Network）即内容分发网络，是一种利用分布式节点技术，在全球范围内部署服务器，将源站点服务器的内容发布并缓存到这些服务器上。当用户请求访问这些内容时，可以从最近的CDN节点获取，从而提高用户访问网站的响应速度和体验。

CDN的作用

1. 缓存Web网站内容：CDN将源站点服务器的静态网页资源（如HTML、CSS、JavaScript、图片等）缓存到全球各地的节点上。
2. 降低用户网络延迟：用户可以从最近的CDN节点获取所需内容，减少了传输延迟和网络拥塞。

CDN的工作原理

1. 资源缓存：源站点服务器的静态网页资源首先被缓存到CDN的各个节点上。
2. 用户请求：当用户请求访问某个资源时，其请求首先到达本地DNS服务器。
3. DNS解析：本地DNS服务器将请求转发给CDN专用的DNS服务器，后者根据用户的IP地址和请求的URL，选择最靠近用户的CDN节点，并返回该节点的IP地址给用户。
4. 资源分发：用户向所选的CDN节点发起请求，该节点检查自身缓存中是否有用户所需的资源。如果命中缓存，则直接将资源返回给用户；如果未命中缓存，则节点会向源站点服务器请求资源，获取后同步到自身缓存中，并返回给用户。

CDN内容的获取方式

1. 用户访问触发：当用户直接访问资源时，CDN节点会检查缓存。如果命中缓存，则直接返回资源；如果未命中，则向源站点服务器请求资源并缓存。
2. 缓存预热：对于热点资源，可以在其上线前或上线时立即进行缓存预热。这通常是通过预设的脚本或工具来实现的，将热点资源主动推送到CDN的各个节点上，以确保用户访问时能够命中缓存。

解决缓存集中过期的问题

缓存集中过期是指大量缓存内容在同一时间过期，导致CDN节点需要频繁地向源站点服务器请求资源并重新缓存。这会增加源站点服务器的负载压力，并可能导致用户访问延迟。

为了解决这个问题，可以采用二级缓存策略：

1. 一级缓存：CDN节点上的缓存，通常具有较短的过期时间。
2. 二级缓存：在CDN节点之后（如运营商网络或用户本地网络）增设一层缓存，具有较长的过期时间。当用户请求资源时，如果一级缓存未命中，则尝试从二级缓存中获取。如果二级缓存也未命中，则向源站点服务器请求资源并同步到一级和二级缓存中。

通过这种方式，可以分散缓存过期的压力，减少源站点服务器的负载，并提高用户访问资源的速度和体验。