Kiến trúc bộ đệm phân tầng CDN (Multi-tier Cache)

Tổng quan về CDN và cơ chế bộ đệm nhiều tầng

1. CDN là gì?

Trong bối cảnh web traffic tăng trưởng mạnh mẽ, việc giảm tải cho origin server và đảm bảo tốc độ phản hồi thấp (low latency) trở thành yêu cầu sống còn của các hệ thống web quy mô lớn. Dịch vụ CDN (Content Delivery Network) được thiết kế để giải quyết chính vấn đề đó bằng cách phân phối nội dung tĩnh (static content) qua mạng lưới máy chủ toàn cầu (edge servers), giúp người dùng truy cập dữ liệu từ node gần nhất về mặt địa lý.

Với developer, CDN không chỉ là “bộ tăng tốc tải trang” mà còn là một tầng trong kiến trúc hạ tầng giúp giảm chi phí băng thông, tăng độ sẵn sàng (availability), và cải thiện trải nghiệm người dùng toàn cầu.

2. Caching và khái niệm Multi-tier Cache

CDN hoạt động hiệu quả nhờ caching, cơ chế lưu trữ tạm thời các nội dung thường xuyên được truy cập (assets, scripts, media…). Thay vì mỗi request đều phải truy vấn đến origin server, CDN sẽ phục vụ lại nội dung đã được cache.

Tuy nhiên, khi lưu lượng tăng hoặc dữ liệu có kích thước lớn (ảnh, video, file JS/CSS), chỉ một tầng cache là không đủ.

Đó là lúc kiến trúc bộ đệm phân tầng (Multi-tier Cache) ra đời, cho phép cache được tổ chức theo nhiều tầng: từ tốc độ cực nhanh (RAM) đến dung lượng lớn (SSD/HDD), giúp cân bằng giữa hiệu năng, chi phí và khả năng mở rộng.

Các mô hình kiến trúc cache phổ biến

Kiến trúc một tầng (Single-tier Cache)

Ở mô hình cơ bản nhất, CDN lưu toàn bộ nội dung tạm thời trong RAM cache của từng edge server.

Ưu điểm:

• Tốc độ truy xuất cực nhanh (microsecond-level latency).
• Giảm thời gian phản hồi cho người dùng cuối.

Nhược điểm:

• RAM tốn kém và dung lượng hạn chế.
• Cache retention ngắn, nhanh đầy khi lượng file lớn.
• Cache hit ratio thấp trên các website media hoặc eCommerce.

Trong môi trường phân tán nhiều node edge, request không được đáp ứng tại tầng RAM sẽ phải truy vấn về origin, gây tắc nghẽn và phát sinh chi phí băng thông. Vì vậy, các nhà cung cấp CDN thường mở rộng mô hình này thành kiến trúc hai tầng.

Kiến trúc hai tầng (Two-tier Cache)

Mô hình này bổ sung thêm SSD cache như một tầng lưu trữ thứ hai, nằm giữa RAM cache và origin server.

• Tầng RAM Cache (L1 / Edge Cache): Xử lý request trực tiếp từ người dùng. Nếu file chưa có (cache MISS), request sẽ được đẩy xuống tầng SSD cache.
• Tầng SSD Cache (L2 / Regional Cache): Lưu các file được truy cập thường xuyên, dung lượng lớn hơn và tốc độ đọc ghi vẫn nhanh. Nếu file cũng không tồn tại tại đây, request mới được chuyển xuống origin.

Ưu điểm:

• Giảm tần suất truy vấn origin.
• Cải thiện đáng kể tỷ lệ cache HIT.
• Giữ được tốc độ phản hồi gần tương đương mô hình RAM cache đơn tầng.

Mô hình này đặc biệt phù hợp cho CDN có quy mô trung bình hoặc ứng dụng phân tán toàn cầu cần cân bằng giữa hiệu năng và chi phí.

Kiến trúc ba tầng (Three-tier Cache)

Với những hệ thống có lưu lượng cực lớn hoặc yêu cầu độ ổn định cao, mô hình ba tầng cache là lựa chọn tối ưu nhất. Tầng thứ ba (HDD Cache (Warm Cache)) được thêm vào dưới SSD để mở rộng dung lượng lưu trữ với chi phí thấp hơn.

Cấu trúc có thể hiểu như sau:

• L1: RAM Cache – phản hồi tức thì, TTL ngắn.
• L2: SSD Cache – lưu dữ liệu phổ biến, TTL trung bình.
• L3: HDD Cache – lưu nội dung ít thay đổi, TTL dài, có thể phục hồi khi origin gặp sự cố.

Ưu điểm nổi bật:

• Dung lượng lưu trữ khổng lồ với chi phí thấp.
• Cache file lâu hơn, đảm bảo tính sẵn sàng khi origin downtime.
• Tối ưu traffic cho các website có nội dung tĩnh dung lượng lớn (video, ảnh, game assets...).

Tại Bizfly Cloud, mô hình three-tier cache (RAM + SSD + HDD) đã được triển khai thực tế và đạt cache HIT ratio lên tới 99%, giảm tải đáng kể cho origin và tăng tốc độ phản hồi cho người dùng cuối.

Kết luận

CDN hiện đại không còn chỉ là một lớp phân phối nội dung, mà là một hệ thống caching thông minh nhiều tầng, tối ưu cả về hiệu năng – chi phí – độ tin cậy. Với developer, việc hiểu rõ cách vận hành của multi-tier cache giúp:

• Thiết kế hệ thống CDN hiệu quả hơn.
• Giảm độ trễ khi phục vụ người dùng quốc tế.
• Đưa ra quyết định đúng khi cân nhắc giữa chi phí RAM, SSD, HDD trong các tầng cache.

Nguồn tham khảo: https://bizflycloud.vn/tin-tuc/kien-truc-bo-dem-phan-tang-cdn-multi-tier-cache-20231003170723487.htm