基于社交網絡的Web緩存架構研究

程 雯，楊 陽，陳 峰

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430000；2.武漢虹信技術服務有限責任公司 湖北 武漢 430074）

基于社交網絡的Web緩存架構研究

程 雯1，楊 陽1，陳 峰2

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430000；2.武漢虹信技術服務有限責任公司 湖北 武漢 430074）

為了提升用戶在Web訪問過程的體驗，降低網絡帶寬成本和減輕服務端負載，文章從Web訪問過程中本地瀏覽器端、CDN緩存、服務器端等3個層面來設計緩存方案，闡述了Web緩存在網絡中的傳遞過程，深入描述Web緩存的不同策略。通過對Web訪問過程的緩存優化，大大降低了用戶訪問時延，提升服務端性能。

瀏覽器；CDN；緩存策略；服務器

隨著互聯網的高速發展，越來越多的用戶加入到社交網平臺中，用戶數量級別達到百萬級，如此龐大的用戶群使后臺服務器承載的數據量越來越多，用戶對Web服務器的訪問量過大，導致系統難以承受其壓力，用戶訪問時延增加，甚至不能請求到正確內容。

由于在現實應用場景中，多數的信息資源是被重復訪問的，面向應用服務器的緩存系統是必要的，通過詳細的分析架構以及相關組件對數據存取效率的影響，我們就可以選擇更合適、高效的方案建立工程，以期望達到所研發產品更實用，獲取數據更準確，得到信息更實時的目的[1-3]。

使用緩存機制除了可以有效地提高服務的性能之外，還可以降低互聯網連接減少帶寬占用，減少用戶等待時間提升體驗，降低服務器端負載等。

1 客戶端緩存

客戶端緩存依賴于瀏覽器的實現，目前的絕大多數瀏覽器都實現了基于HTTP協議的信息來緩存相應的文件?？蛻舳司彺嬗袃蓚€階段，本地緩存階段和協商緩存階段。

圖1 Web緩存基本結構

1.1 本地緩存階段

先在本地查找該資源，如果有發現該資源，而且該資源還沒有過期，就使用這一個資源，完全不會發送HTTP請求到服務器。在HTTP協議中，使用Expires頭可以在初次訪問之后將這些組件緩存起來，并控制緩存失效的時間，在緩存失效之前，瀏覽器都會使用該次緩存，避免了不必要的HTTP請求。但是Expires規定的是格里尼治時間，可能會導致服務端和客戶端的時間不一致問題，所以在HTTP1.1中使用Cache-Control來克服該問題[4-5]。Cache-Control中包含多個關鍵字，max-age：指定設置緩存最大的有效時間，定義的是時間長短，單位為s。當瀏覽器向服務器發送請求后，在max-age這段時間里瀏覽器就不會再向服務器發送請求；s-maxage：同max-age，只用于共享緩存 （例如CDN緩存），單位為s；nocache：指定不緩存響應，表明資源不進行緩存，但是設置了no-cache之后并不代表瀏覽器不緩存，而是在緩存前要向服務器確認資源是否被更改，實際中和private參數配合設置瀏覽器端的緩存；no-store：絕對禁止緩存，每次請求資源都要從服務器重新獲取；private：響應只作為私有的緩存，不能在用戶間共享；public：指定響應會被緩存，并且在多用戶間共享。

1.2 協商緩存階段

如果在本地緩存找到對應的資源，但是不知道該資源是否過期或者已經過期，則發一個HTTP請求到服務器，然后服務器判斷這個請求，如果請求的資源在服務器上沒有改動過，則返回304，讓瀏覽器使用本地找到的那個資源；具體過程：客戶端請求一個頁面，服務器返回頁面，并在給該頁面加上一個Last-Modified/ETag，客戶端展現該頁面，并將頁面連同Last-Modified/ETag一起緩存。客戶再次請求該頁面，并將上次請求時服務器返回的Last-Modified/ETag一起傳遞給服務器，服務器檢查該Last-Modified 或 ETag，并 通 過 If-Modified-Since，If-None-Match和ETag判斷資源是否修改，如果自上次客戶端請求之后還未被修改，直接返回響應304和一個空的響應體，否則直接請求服務器[6-8]。

2 CDN緩存

在不同地域的用戶訪問網站的響應速度存在差異，為了提高用戶訪問的響應速度、優化因特網中的信息的流動，在客戶端和服務器間加入了中間層CDN。使用戶能以最快的速度從最接近用戶的地方獲取所需要的信息，大大降低了網絡擁塞，提升用戶響應速度。常見的CDN緩存技術有Squid，Varnish Cache，NCache等，CDN技術主要是針對靜態文件的類型，比如圖片，CSS，JS，HTML 等靜態文件[9]。

圖2 客戶端請求過程

圖3 CDN工作機制

2.1 CDN緩存策略

CDN邊緣節點緩存策略因服務商不同而不同，但一般都會遵循HTTP標準協議，通過HTTP響應頭中的Cache-Control:max-age的字段來設置CDN邊緣節點數據緩存時間[10]。當客戶端向CDN節點請求數據時，CDN節點會判斷緩存數據是否過期，若緩存數據并沒有過期，則直接將緩存數據返回給客戶端；否則，CDN節點就會向源站發出回源請求，從源站拉取最新數據，更新本地緩存，并將最新數據返回給客戶端。CDN緩存時間會對“回源率”產生直接的影響。若CDN緩存時間較短，CDN邊緣節點上的數據會頻繁失效，導致回源率拉升，增加了源站的負載，同時也增大的訪問延時；若CDN緩存時間太長，會帶來數據更新時間慢的問題，導致用戶不能獲取最新的內容產生訪問異常。我們需要針對特定的業務，建立業務模型計算恰當的緩存時間，來做特定的數據緩存時間管理[11-12]。

2.2 CDN緩存限制

首先，當源站內容更新時，如果CDN節點上數據未能及時更新，即使用戶在瀏覽器端進行強制刷新也不能得到最新的源站內容，導致用戶的訪問出現異常。CDN對于不斷變化的資源不適用，在實際的操作中，CDN節點一定要和源站內容保持同步更新。其次，CDN對于不經常訪問的資源是無效的。通常只有在CDN緩存過期前有至少兩次訪問的資源才算有效，所以對于訪問數量級很低的內容，并不適用于CDN緩存的策略。最后，對于不想公開的資源CDN緩存的策略可能是一個糟糕的選擇。

3 服務器緩存

3.1 服務器緩存技術原理

緩存技術的提出，是為了解決內存讀寫速度遠遠落后于CPU運算速度問題，將待讀取的數據預先放入高速緩存中，CPU讀取數據時無需從內存中讀取。應用層緩存是為了在業務層面更快的處理數據并返回給用戶要展示的內容，通過將更新不是很頻繁，請求頻次高的數據放入緩存服務器中，在用戶請求數據時可以實現服務器端的快速響應[13]。

3.2 服務器緩存替換策略

緩存的容量是有限的，當緩存的容量不足時，則要清除一些無效的數據對象，為了能存儲新的數據對象。清除已有的緩存數據對象所依照的規則就是緩存的替換策略。主要的替換策略有先進先出（FIFO）、 最近最少使用 （LRU）、 最少使用頻率（LFU）。先進先出的策略，認為緩存空間中存儲時間最長的數據對象，在未來該對象的被訪問的可能最小，越適合被替換[14]。根據這一原則，緩存服務器可以根據緩存可使用空間的大小，將存入時間間隔最大的數據對象替換，依照存入緩存服務器的時間長短依次進行數據的替換。最近最少使用的策略，認為近期沒有被使用的緩存數據對象在之后也不會被再次的使用，因此淘汰最近最少使用的緩存數據對象。最少使用頻率的策略，認為訪問頻率最少的緩存數據對象在未來被再次訪問的概率也很低，因此在時間段內統計緩存數據對象的使用情況，對頻率低的緩存數據對象進行淘汰[15]。

4 結束語

通過上述的4個方面來討論了Web的整個過程的優化，本地瀏覽器緩存充分利用本地存儲技術，降低了HTTP請求的頻度，極大的緩解了應用服務器的訪問壓力；DNS緩存利用各個服務商提供的邊緣網絡節點，極大的平滑了用戶的請求等待時間；服務端緩存提高了服務器的計算性能，更快響應請求并提供可用數據。通過Web訪問過程中各個方面配合調優，顯著的提高Web服務質量，進而提升產品的競爭力。

圖4 服務端數據對象緩存過程

[1]張開敏.移動Web瀏覽系統的若干關鍵技術研究[D].合肥：中國科學技術大學，2012.

[2]張旺俊.Web緩存替換策略與預取技術的研究[D].合肥：中國科學技術大學，2011.

[3]翁美珍.Web服務中緩存機制的研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2014.

[4]肖寧.Web緩存技術研究與應用 [J].計算機光盤軟件與應用，2012（18）:145，147.

[5]張琛.互聯網緩存加速系統的研究與應用 [D].濟南：山東大學，2015.

[6]張全明.HTTP緩存系統設計與實現[D].成都：西南交通大學，2013.

[7]鐘艷青.基于Web緩存和預取技術的性能優化研究[D].贛州：江西理工大學，2014.

[8]吳俊龍.基于對象替換與預取的Web緩存模型研究[D].長沙：湖南科技大學，2014.

[9]周揚發.Web代理服務器的緩存技術研究 [D].北京：北京郵電大學，2014.

[10]李林.賀州移動全業務競爭中緩存技術應用的策略研究[D].北京：北京郵電大學，2012.

[11]曹英斌.Web數據緩存與預取一體化的研究與應用[D].沈陽：東北大學，2011.

[12]張天一.一種CDNWeb緩存系統的設計與實現[D].北京：北京郵電大學，2013.

[13]王鑫.緩存技術在Web中的應用研究[J].濰坊學院學報，2011（4）:46-49.

[14]徐術力，席娜.基于P2P的Web代理緩存技術在煤炭網絡中的應用[J].煤炭技術，2012（8）:154-155.

[15]王艷萍.移動Web客戶端持久化緩存技術研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

Web cache architecture research based on the social networking

CHENG Wen1，YANG Yang1，CHEN Feng2
（1.Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430000，China； 2.Wuhan Hongxin Technology Services，LLC，Wuhan 430074，China）

In order to improve the user experience in Web access process，lowering the cost of network bandwidth and alleviate server load，this article from three aspects to design cache scheme，including the local browser Web access process，the CDN cache and the server.This paper expounds the Web caching in the network transmission process，in-depth description different strategy of Web cache.Through the process of Web access to cache optimization，greatly reduces the user access delay，improve server performance.

browser； CDN； caching strategy； server

TP393

A

1674－6236（2017）17-0191-03

2016-07-28稿件編號：201607203

程 雯（1983—），女，湖北黃岡人，碩士，講師。研究方向：軟件工程。