Đã đăng vào thg 11 12, 4:06 SA 26 phút đọc

108

Caching và CDN: Sự khác biệt và cách tối ưu hóa hiệu suất website

Trong thế giới tối ưu hóa mạng, Mạng phân phối nội dung (CDN) và bộ nhớ đệm đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất trang web và trải nghiệm của người dùng.

Mặc dù cả hai đều hướng đến mục đích tăng tốc thời gian tải trang web nhưng chúng có mục đích và cơ chế riêng biệt. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ đi sâu vào chi tiết về CDN và bộ nhớ đệm để hiểu điểm giống và khác nhau của chúng cũng như cách chúng góp phần nâng cao trải nghiệm trực tuyến.

Caching là gì?

Hãy tưởng tượng bạn là một thủ thư quản lý một thư viện nổi tiếng. Mỗi ngày, độc giả đến hỏi xin cùng một bộ sách như “Think and Grow Rich” hoặc “The Intelligent Investor.”

Ban đầu, bạn lấy những cuốn sách này từ kệ chính, điều này tốn thời gian và công sức. Nhưng chẳng bao lâu sau, bạn nhận thấy một mô hình: Cùng một bộ sách được yêu cầu lặp đi lặp lại bởi những độc giả khác nhau.

Vậy bạn sẽ làm gì? Bạn quyết định tạo một khu vực đặc biệt gần lối vào, nơi bạn giữ các bản sao của những cuốn sách được yêu cầu thường xuyên này. Giờ đây, khi độc giả đến hỏi xin chúng, bạn không phải chạy đến kệ chính mỗi lần. Thay vào đó, bạn chỉ cần đưa cho họ các bản sao từ khu vực đặc biệt, tiết kiệm thời gian và làm cho quy trình hiệu quả hơn.

Khu vực đặc biệt này đại diện cho bộ nhớ đệm (cache), lưu trữ sách được truy cập thường xuyên để truy xuất nhanh.

Caching là một kỹ thuật được sử dụng để lưu trữ tạm thời các bản sao của dữ liệu được truy cập thường xuyên. Dữ liệu được lưu trong bộ nhớ đệm có thể là bất cứ thứ gì từ trang web và hình ảnh đến kết quả truy vấn cơ sở dữ liệu.

Khi người dùng yêu cầu nội dung được lưu trong bộ nhớ đệm, máy chủ sẽ truy xuất nội dung đó từ bộ nhớ đệm thay vì tạo lại nội dung đó, giúp giảm đáng kể thời gian phản hồi.

Khi một máy chủ web nhận được yêu cầu, nó có thể làm theo các chiến lược caching khác nhau để xử lý yêu cầu đó một cách hiệu quả. Một chiến lược phổ biến được gọi là read-through caching:

Máy chủ web nhận được yêu cầu từ máy khách.
Đầu tiên nó sẽ kiểm tra bộ nhớ đệm để xem phản hồi cho yêu cầu đã có ở đó chưa.
Nếu phản hồi có trong bộ nhớ đệm (cache hit), nó sẽ gửi dữ liệu trở lại máy khách ngay lập tức.
Nếu phản hồi không có trong bộ nhớ đệm (cache miss), máy chủ sẽ truy vấn cơ sở dữ liệu để tìm nạp dữ liệu cần thiết.
Sau khi nhận được dữ liệu từ cơ sở dữ liệu, nó sẽ lưu trữ phản hồi trong bộ nhớ đệm cho các yêu cầu trong tương lai.
Cuối cùng, máy chủ gửi dữ liệu trở lại máy khách.

Những điều cần cân nhắc khi triển khai hệ thống Cache

1. Quyết định khi nào sử dụng bộ nhớ đệm

Bộ nhớ đệm tốt nhất cho dữ liệu được đọc thường xuyên nhưng ít khi bị sửa đổi.
Máy chủ bộ nhớ đệm không phù hợp để lưu trữ dữ liệu quan trọng vì chúng sử dụng bộ nhớ khả biến.
Dữ liệu quan trọng nên được lưu trữ trong kho dữ liệu liên tục để tránh bị mất trong trường hợp máy chủ bộ nhớ đệm khởi động lại.

2. Thiết lập chính sách hết hạn

Thực hiện chính sách hết hạn để xóa dữ liệu hết hạn khỏi bộ nhớ đệm.
Tránh đặt ngày hết hạn quá ngắn (để tránh tải lại cơ sở dữ liệu thường xuyên) và quá dài (để tránh dữ liệu cũ).

3. Duy trì đồng bộ hóa giữa kho dữ liệu và bộ nhớ đệm

Sự không nhất quán có thể phát sinh do các hoạt động riêng biệt trên bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ đệm, đặc biệt là trong môi trường phân tán.

4. Giảm thiểu lỗi

Sử dụng nhiều máy chủ bộ nhớ đệm trên các trung tâm dữ liệu khác nhau để tránh các điểm lỗi duy nhất.
Cung cấp quá mức bộ nhớ để đáp ứng mức sử dụng tăng lên và ngăn ngừa các sự cố về hiệu suất.

5. Thực hiện chính sách loại bỏ

Khi bộ nhớ đệm đầy, các mục mới có thể khiến các mục hiện có bị xóa (cache eviction).
Một chính sách loại bỏ phổ biến là Least Recently Used (LRU), nhưng các chính sách khác như Least Frequently Used (LFU) hoặc First In, First Out (FIFO) có thể được chọn dựa trên các trường hợp sử dụng cụ thể.

Ứng dụng thực tế của Caching

1. Nền tảng mạng xã hội

Hãy tưởng tượng bạn đang cuộn qua nguồn cấp dữ liệu Facebook của mình. Nhờ bộ nhớ đệm, bạn sẽ thấy ảnh đại diện, bài đăng thịnh hành và nội dung được thích gần đây ngay lập tức, ngay cả khi hàng triệu người dùng đang truy cập nền tảng cùng lúc.

Việc lưu trữ những yếu tố được truy cập thường xuyên này trên máy chủ hoặc thiết bị của bạn sẽ giảm thiểu độ trễ và làm cho trải nghiệm mượt mà và hấp dẫn hơn.

2. Trang web thương mại điện tử

Khi duyệt Amazon để tìm một tiện ích mới, bạn mong đợi trải nghiệm mua sắm liền mạch. Bộ nhớ đệm đóng một vai trò quan trọng ở đây. Hình ảnh sản phẩm, mô tả và thông tin giá cả được lưu trong bộ nhớ đệm, cho phép trang web hiển thị kết quả tìm kiếm và trang sản phẩm nhanh chóng.

Điều này đặc biệt quan trọng trong các mùa cao điểm như Black Friday hoặc Cyber Monday, nơi bộ nhớ đệm giúp xử lý lượng truy cập tăng đột biến và đảm bảo khách hàng có thể hoàn tất việc mua hàng mà không gặp phải sự chậm trễ.

3. Hệ thống quản lý nội dung (CMS)

Hàng triệu trang web dựa vào các nền tảng CMS như WordPress. Để đảm bảo hiệu suất mượt mà cho tất cả những người dùng này, nhiều nền tảng CMS tích hợp các plugin bộ nhớ đệm.

Các plugin này lưu trữ các trang được truy cập thường xuyên, giảm tải cho máy chủ và cơ sở dữ liệu. Điều này giúp thời gian tải trang nhanh hơn, cải thiện thứ hạng SEO do công cụ tìm kiếm lập chỉ mục nhanh hơn và trang web phản hồi nhanh hơn tổng thể, mang lại trải nghiệm tốt hơn cho khách truy cập.

Mạng phân phối nội dung (CDN) là gì?

Bây giờ, hãy coi CDN như một mạng lưới toàn cầu gồm các xe tải giao sách. Thay vì lưu trữ tất cả sách trong một thư viện trung tâm, bạn có các chi nhánh địa phương trên toàn thế giới, mỗi chi nhánh đều có bản sao của những cuốn sách phổ biến nhất.

Khi độc giả yêu cầu một cuốn sách, bạn không phải vận chuyển nó từ thư viện chính. Thay vào đó, bạn hướng họ đến chi nhánh gần nhất, nơi họ có thể nhanh chóng lấy một bản sao. Điều này giúp giảm thời gian di chuyển (thời gian truyền dữ liệu) và giúp mọi người hài lòng với việc truy cập nhanh vào những cuốn sách yêu thích của họ.

Về mặt kỹ thuật, CDN là một mạng lưới các máy chủ được phân phối trên nhiều địa điểm khác nhau trên toàn cầu. Mục đích chính của nó là phân phối nội dung web, chẳng hạn như hình ảnh, video, tập lệnh và bảng định kiểu cho người dùng hiệu quả hơn bằng cách giảm khoảng cách vật lý giữa máy chủ và người dùng.

Cách thức hoạt động của CDN

Đầu tiên, hãy tưởng tượng rằng Người dùng A muốn xem một hình ảnh trên một trang web. Họ nhấp vào một liên kết được cung cấp bởi CDN, như “https://mywebsite.cloudfront.net/image.jpg". Điều này yêu cầu hình ảnh.

Sau đó, nếu hình ảnh không có trong bộ nhớ lưu trữ (bộ nhớ đệm) của CDN, CDN sẽ tìm nạp hình ảnh từ nguồn gốc, như máy chủ web hoặc Amazon S3. Đáp lại, nguồn gốc sẽ gửi hình ảnh trở lại CDN. Nó có thể bao gồm tiêu đề Time-to-Live (TTL), cho biết hình ảnh sẽ được lưu trong bộ nhớ đệm trong bao lâu.

Tiếp theo, CDN lưu trữ hình ảnh và phục vụ nó cho Người dùng A. Nó sẽ được lưu trong bộ nhớ đệm cho đến khi TTL hết hạn. Sau đó, giả sử Người dùng B yêu cầu cùng một hình ảnh. Tại thời điểm đó, CDN kiểm tra xem nó có còn trong bộ nhớ đệm hay không. Nếu hình ảnh vẫn được lưu trong bộ nhớ đệm (TTL chưa hết hạn), CDN sẽ phục vụ nó từ đó (cache hit). Nếu không (cache miss), nó sẽ tìm nạp một bản sao mới từ nguồn gốc.

Những điều cần cân nhắc khi triển khai CDN

Quản lý chi phí: CDN tính phí cho việc truyền dữ liệu. Sẽ là khôn ngoan khi lưu trữ nội dung được truy cập thường xuyên, nhưng không phải tất cả mọi thứ.
Hết hạn bộ nhớ đệm: Đặt thời gian hết hạn bộ nhớ đệm thích hợp. Quá dài, và nội dung có thể bị cũ. Quá ngắn, và nó làm căng thẳng các máy chủ gốc.
Dự phòng CDN: Lập kế hoạch cho các lỗi CDN. Đảm bảo trang web của bạn có thể chuyển sang tìm nạp tài nguyên trực tiếp từ nguồn gốc nếu cần.
Vô hiệu hóa tệp: Bạn có thể xóa tệp khỏi CDN trước khi chúng hết hạn bằng cách sử dụng các phương pháp khác nhau do các nhà cung cấp CDN cung cấp.

Ứng dụng thực tế của CDN

1. Dịch vụ phát trực tuyến video

Hãy tưởng tượng bạn đang ở Sydney (Úc), khao khát xem mùa mới nhất của chương trình yêu thích của bạn trên Netflix. Nếu không có CDN, dữ liệu sẽ phải di chuyển từ máy chủ ở, chẳng hạn như California, dẫn đến việc buffering và độ trễ gây khó chịu.

Nhưng nhờ có CDN, Netflix lưu trữ nội dung phổ biến trên các máy chủ biên gần bạn hơn, ở Sydney hoặc khu vực lân cận. Điều này làm giảm đáng kể khoảng cách dữ liệu cần di chuyển, đảm bảo phát lại mượt mà và trải nghiệm xem không bị gián đoạn, bất kể vị trí của bạn.

Trên thực tế, các nghiên cứu cho thấy CDN có thể "giảm thời gian khởi động video lên đến 50%", tạo ra sự khác biệt đáng kể về sự hài lòng của người dùng.

2. Phân phối nội dung trò chơi

Game thủ biết nỗi đau khi chờ đợi các bản cập nhật trò chơi lớn hoặc tải xuống DLC. Nhưng các công ty như Steam và Epic Games tận dụng CDN để làm cho mọi thứ nhanh hơn. Các nền tảng này lưu trữ các tệp trò chơi, bản cập nhật và tài sản nhiều người chơi trên các máy chủ biên gần với cộng đồng game thủ.

Điều này có nghĩa là cho dù bạn đang tải xuống một trò chơi mới ở New York hay đang vá tựa game yêu thích của mình ở Tokyo, dữ liệu không phải di chuyển qua các lục địa. Việc sử dụng CDN có thể giảm đáng kể thời gian tải xuống, giúp bạn truy cập nhanh hơn vào các trò chơi mình yêu thích và trải nghiệm nhiều người chơi mượt mà hơn với độ trễ tối thiểu.

3. Trang web tin tức toàn cầu

Việc cập nhật thông tin về các sự kiện toàn cầu không nên bị cản trở bởi thời gian tải chậm. Các tổ chức tin tức lớn như BBC News và The New York Times sử dụng CDN để đảm bảo các bản tin cập nhật và nội dung đa phương tiện của họ tiếp cận khán giả trên toàn thế giới ngay lập tức.

Bằng cách lưu trữ thông tin quan trọng như bài báo, video và hình ảnh trên các máy chủ trên khắp các châu lục khác nhau, CDN cho phép các trang web tin tức phân phối các bản cập nhật theo thời gian thực một cách nhanh chóng, giúp người đọc cập nhật thông tin bất kể vị trí của họ.

Trong các sự kiện lớn hoặc trường hợp khẩn cấp, điều này có thể đặc biệt quan trọng, bằng chứng là một nghiên cứu điển hình, trong đó một tổ chức tin tức sử dụng CDN đã báo cáo "lượng truy cập trang web tăng 20% mà không gặp bất kỳ sự cố hiệu suất nào" trong một sự kiện tin tức nóng hổi.

Caching và CDN – Sự khác biệt là gì?

1. Điểm giống nhau giữa caching và CDN

Cải thiện hiệu suất: Cả CDN và caching đều nhằm mục đích nâng cao hiệu suất trang web bằng cách giảm độ trễ và tăng tốc độ phân phối nội dung.
Sử dụng tài nguyên hiệu quả: Bằng cách phục vụ nội dung được lưu trong bộ nhớ đệm hoặc được sao chép, cả hai phương pháp đều giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên và giảm tải cho máy chủ.
Nâng cao trải nghiệm người dùng: Thời gian tải nhanh hơn dẫn đến trải nghiệm người dùng tốt hơn, cho dù đạt được thông qua CDN hay caching.

2. Điểm khác biệt giữa caching và CDN

**- Phạm vi: **

CDN: CDN là một mạng lưới các máy chủ nằm ở các vị trí địa lý khác nhau trên khắp thế giới.
Caching: Caching là một phương pháp lưu trữ nội dung web trên thiết bị cục bộ hoặc máy chủ của người dùng.

**- Triển khai: **

CDN: CDN yêu cầu cơ sở hạ tầng và cấu hình riêng.
Caching: Caching có thể được triển khai trong ứng dụng web hoặc máy chủ bằng cách sử dụng các quy tắc và chỉ thị caching.

**- Phạm vi địa lý: **

CDN: Được thiết kế để phân phối nội dung web cho người dùng trên khắp thế giới.
Caching: Thường được sử dụng để cải thiện hiệu suất cho người dùng cá nhân hoặc trong mạng cục bộ.

**- Kiến trúc mạng: **

CDN: Sử dụng mạng lưới máy chủ phân tán để lưu trữ và phân phối nội dung.
Caching: Điều này có thể được triển khai bằng cách sử dụng các loại bộ nhớ khác nhau như đĩa cục bộ, bộ nhớ hoặc bộ nhớ đệm phía máy chủ.

- Lợi ích về hiệu suất:

CDN: Cung cấp khả năng phân phối nội dung nhanh hơn và đáng tin cậy hơn bằng cách lưu trữ nội dung ở nhiều vị trí.
Caching: Cải thiện hiệu suất bằng cách giảm số lượng yêu cầu đến máy chủ gốc và phân phối nội dung nhanh hơn từ bộ nhớ đệm cục bộ.

**- Chi phí: **

CDN: Có thể tốn kém hơn để triển khai và bảo trì do nhu cầu về cơ sở hạ tầng riêng và chi phí liên tục cho việc bảo trì mạng.
Caching: Có thể được triển khai bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng và tài nguyên máy chủ hiện có, có khả năng giảm chi phí.

Khi nào nên sử dụng Caching?

Caching lý tưởng cho nội dung được truy cập thường xuyên mà không thay đổi thường xuyên. Điều này bao gồm các tài sản tĩnh như hình ảnh, tệp CSS và thư viện JavaScript.

Nó đặc biệt hiệu quả đối với các trang web có lượng người dùng đáng kể truy cập nội dung tương tự, chẳng hạn như trang web tin tức, blog và nền tảng thương mại điện tử.

Caching cũng có thể làm giảm đáng kể tải máy chủ và cải thiện thời gian phản hồi cho người dùng, đặc biệt là trong các trường hợp mà độ trễ phân phối nội dung là một mối quan tâm.

Khi nào thì sử dụng CDN?

CDN rất hữu ích để phân phối nội dung cho khán giả toàn cầu, đặc biệt là khi khoảng cách địa lý giữa người dùng và máy chủ gốc dẫn đến các vấn đề về độ trễ.

Chúng rất phù hợp để phục vụ nội dung động, phương tiện truyền phát trực tuyến và xử lý các đợt tăng đột biến về lưu lượng truy cập.

CDN cũng vượt trội trong các trường hợp cần phân phối nội dung một cách đáng tin cậy và nhất quán trên các khu vực địa lý đa dạng, đảm bảo trải nghiệm người dùng tối ưu bất kể vị trí.

Kết hợp Caching và CDN: Tối ưu hóa hiệu suất website

Trong nhiều trường hợp, việc sử dụng cả caching và CDN cùng nhau mang lại kết quả tối ưu, đặc biệt là đối với các trang web và ứng dụng động, nơi cần kết hợp phân phối nội dung tĩnh và động.

Hãy xem xét một trang web tin tức phổ biến làm ví dụ. Hãy tưởng tượng một trang web tin tức nhộn nhịp thường xuyên xuất bản các bài báo tin tức nóng hổi, kèm theo hình ảnh và video. Trong khi nội dung tin tức cốt lõi là động và được cập nhật thường xuyên, thì hình ảnh và video liên quan đến các bài báo cũ vẫn tương đối tĩnh và được người dùng truy cập lặp đi lặp lại.

Để giải quyết vấn đề này, trang web có thể triển khai một chiến lược kết hợp:

Caching trên máy chủ gốc: Các yếu tố được truy cập thường xuyên như mẫu trang web, menu điều hướng và nội dung tĩnh được lưu trữ trực tiếp trên máy chủ gốc. Việc caching này làm giảm tải máy chủ và nâng cao hiệu suất cho lần tải trang ban đầu.
Caching CDN: Trang web tận dụng CDN để lưu trữ hình ảnh và video được truy cập thường xuyên liên quan đến các bài báo trên các máy chủ biên nằm trên toàn thế giới. Điều này đảm bảo rằng người dùng, bất kể vị trí địa lý của họ, có thể truy cập nhanh chóng các yếu tố này với độ trễ tối thiểu.

Có nhiều lợi ích của phương pháp kết hợp này, chẳng hạn như:

Thời gian tải nhanh hơn: Bằng cách phục vụ nội dung được lưu trong bộ nhớ đệm từ cả máy chủ gốc và máy chủ biên CDN, người dùng trải nghiệm thời gian tải nhanh hơn đáng kể, dẫn đến trải nghiệm duyệt web hấp dẫn hơn.
Giảm tải máy chủ: Caching giảm áp lực lên máy chủ gốc, cho phép nó xử lý hiệu quả các cập nhật nội dung động trong khi phục vụ các yếu tố tĩnh từ bộ nhớ đệm.
Cải thiện phạm vi toàn cầu: CDN đảm bảo rằng người dùng trên toàn thế giới có thể truy cập trang web và nội dung của nó với độ trễ tối thiểu, bất kể khoảng cách của họ với máy chủ gốc.

Nhưng cũng có một số yếu tố cần cân nhắc:

Vô hiệu hóa bộ nhớ đệm: Thường xuyên cập nhật nội dung được lưu trong bộ nhớ đệm đảm bảo người dùng truy cập thông tin mới nhất. Hầu hết các CDN đều cung cấp các cơ chế vô hiệu hóa bộ nhớ đệm hiệu quả để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình này.
Tối ưu hóa chi phí: Mặc dù việc kết hợp caching và CDN giúp nâng cao hiệu suất, nhưng điều quan trọng là phải đánh giá hiệu quả chi phí của việc lưu trữ nội dung cụ thể. Phân tích mô hình truy cập của người dùng giúp xác định chiến lược caching tối ưu.

Bằng cách kết hợp một cách chiến lược caching và CDN, bạn và nhóm của bạn có thể tạo ra một cơ sở hạ tầng phân phối nội dung mạnh mẽ mang lại trải nghiệm người dùng vượt trội trên toàn thế giới.

Cảm ơn các bạn đã theo dõi.

cdn