Caching is een cruciale techniek in moderne webservices, die helpt bij het verbeteren van de prestaties, het verminderen van latency en het minimaliseren van de belasting op servers en netwerken. Het principe is eenvoudig: het opslaan van kopieën van Gegevens op een snellere toegankelijke locatie om snellere toegang tot die gegevens mogelijk te maken. Maar, zoals met veel technologieën, zit de duivel in de details. Sterker nog, het creëren van een goede configuratie is verdraaid lastig en de kleinste fout kan erg nadelig zijn voor de prestaties van onze website.

Daarom biedt dit artikel biedt een diepgaande verkenning van caching, waarbij we verschillende cachingstrategieën, uitdagingen en optimalisatietechnieken zullen behandelen. We zullen de valkuilen van caching onthullen en praktische tips geven om problemen te voorkomen. Lees verder om te ontdekken hoe caching een sleutelrol kan spelen in het verbeteren van de prestaties en gebruikerservaring van webapplicaties en services.

Wat is caching?

Caching is een techniek waarbij we kopieën van data of content tijdelijk opslaan op een sneller toegankelijke locatie, meestal in het geheugen of op een snellere opslagschijf. Dit doen we om de toegang tot die data te versnellen. Het belangrijkste doel van caching is dan ook om de prestaties te verbeteren door de latency (vertraging) bij het ophalen van data te verminderen.

Bedenk dat beveiligingsmaatregelen net als caching direct ingrijpen op het verkeer naar je website. Caching en beveiliging hebben daarom direct met elkaar te maken en kunnen we niet los van elkaar zien.

Caching wordt veel gebruikt in computersystemen, software, webtoepassingen en netwerken. Hier zijn enkele toepassingsgebieden waar caching veel voorkomt:

Browsercaching

In webbrowsers en webproxy’s worden vaak webpagina’s, afbeeldingen en andere bronnen in een lokale Cache opgeslagen. Dit vermindert de laadtijd wanneer we dezelfde pagina opnieuw bezoeken, omdat de gegevens niet opnieuw van de oorspronkelijke server hoeven te worden opgevraagd.

Databasecaching

Apps slaan database-informatie soms op in het geheugen om de responstijden te verbeteren. Populaire zoekopdrachten of veelgebruikte gegevens worden gecachet, waardoor we de noodzaak om de database telkens opnieuw te raadplegen verminderen.

Content Delivery Network (CDN)

CDNs gebruiken caching om inhoud zoals afbeeldingen, video’s en stijlbladen dichter bij eindgebruikers te brengen. Dit vermindert de belasting op oorspronkelijke servers en verbetert de leveringssnelheid.

DNS-caching

DNS-servers houden een cache bij van IP-adresvertalingen om snel de juiste IP-adressen voor domeinnamen te kunnen leveren.

Applicatiecaching

In softwareontwikkeling kunnen toepassingen caching gebruiken om veelgebruikte data of rekenresultaten op te slaan, wat de algehele applicatieprestaties verbetert.

Schematische weergave ITpedia caching en security

In onderstaand schema is de samenhang van de caching en security elementen van het ITpedia platform weergegeven. ITpedia maakt niet gebruik van alle in dit artikel beschreven technieken.

Bekende caching strategieën of caching types

Er zijn verschillende caching strategieën die we kunnen toepassen. Dit is afhankelijk van specifieke vereisten en het type data die we cachen. De keuze voor een caching strategie hangt dus af van de specifieke gebruikssituatie, de vereisten voor dataconsistentie, prestatiedoelen en het type data dat we willen cachen. Vaak combineren we verschillende strategieën in een toepassing om optimaal aan de behoeften te voldoen.

Ook ITpedia gebruikt caching op verschillende niveaus met als doel om de site overal in de wereld veilig en snel te kunnen tonen. Hier zijn enkele bekende caching strategieën:

Write-Through Caching

Bij write-through caching werken we gegevens zowel in de cache als in de onderliggende gegevensopslag bij wanneer er een schrijfactie plaatsvindt. Dit zorgt ervoor dat de cache altijd up-to-date is, maar het kan leiden tot frequente schrijfoperaties naar de onderliggende opslag.

Write-Behind Caching

In dit geval voeren we schrijfacties eerst naar de cache uit en vervolgens naar de onderliggende gegevensopslag. Hierdoor kan de applicatie snel schrijfacties uitvoeren en voeren we de schrijfacties feitelijk asynchroon uit. Dit kan de prestaties verbeteren, maar er is een risico van gegevensverlies als de cache faalt voordat de schrijfacties naar de gegevensopslag zijn voltooid.

Read-Through Caching

Bij read-through caching sturen we leesverzoeken eerst naar de cache. Als de gevraagde gegevens niet in de cache staan, worden ze automatisch opgehaald uit de onderliggende gegevensopslag en in de cache geplaatst voordat ze aan de aanvrager worden geretourneerd.

Lazy Loading Caching

Lazy loading caching is vergelijkbaar met read-through caching, maar in plaats van gegevens onmiddellijk op te halen wanneer een cache-miss optreedt, worden de gegevens pas opgehaald wanneer ze daadwerkelijk nodig zijn. Dit minimaliseert het ophalen van ongebruikte gegevens.

Cache-Aside (Lazy Loading)

Bij cache-aside (ook bekend als lazy loading) is het de verantwoordelijkheid van de applicatie om gegevens naar de cache te schrijven en gegevens uit de cache te lezen. De cache wordt niet automatisch bijgewerkt door schrijfacties naar de gegevensopslag.

Cache Invalidation

Deze strategie houdt in dat we de cache updaten zodra er een schrijfactie plaatsvindt. Hierdoor blijft de cache up-to-date en consistent met de onderliggende gegevens.

Time-To-Live (TTL) Caching

Gegevens in de cache hebben een vooraf ingestelde levensduur (TTL), voordat ze automatisch worden verwijderd. Dit is handig voor gegevens die niet frequent veranderen.

Content-Based Caching

Hierbij wordt gekeken naar de inhoud van de gegevens om te bepalen of deze moeten worden opgeslagen in de cache. Als de inhoud niet overeenkomt met eerdere gegevens in de cache, wordt deze opnieuw opgehaald en opgeslagen.

Hierarchical Caching

Hierarchical caching houdt in dat er meerdere niveaus van caching zijn, waarbij gegevens eerst in een lokale cache worden opgeslagen en indien nodig naar een hoger niveau van caching worden gestuurd. Dit wordt vaak gebruikt in content delivery networks (CDN’s).

Wat is distributed caching

Distributed caching, ook wel bekend als distributed cache, is een cachingtechniek waarbij gegevens worden opgeslagen in een gedistribueerd systeem in plaats van op één enkele locatie. Het doel van distributed caching is om de prestaties van applicaties te verbeteren door vaak gebruikte gegevens snel toegankelijk te maken en de belasting op databases of andere gegevensopslagsystemen te verminderen. Dit is vooral nuttig in grootschalige, gedistribueerde en geavanceerde applicaties.

Hier zijn enkele belangrijke kenmerken en voordelen van distributed caching:

Schaalbaarheid

Distributed caching is ontworpen om te schalen met de behoeften van een applicatie. Als de applicatie groeit en meer verkeer en gegevens moet verwerken, kunnen nieuwe cache-instanties worden toegevoegd om de belasting te verdelen.

Hoge beschikbaarheid

Gedistribueerde caches zijn vaak ontworpen om hoge beschikbaarheid te bieden. Als een knooppunt uitvalt, kunnen andere knooppunten de cachegegevens leveren. Dit verhoogt de betrouwbaarheid van de applicatie.

Snelle toegang

Doordat de gegevens dichter bij de applicatieservers worden opgeslagen, kunnen deze gegevens veel sneller worden opgevraagd dan wanneer ze uit een externe database moeten worden gehaald. Dit vermindert de latency.

Mogelijkheid tot caching van verschillende soorten gegevens

Distributed caching kan verschillende soorten gegevens opslaan, zoals HTML-pagina’s, queryresultaten, sessiegegevens en meer, afhankelijk van de behoeften van de applicatie.

Efficiënt gebruik van systeembronnen

Door veelgebruikte gegevens in de cache op te slaan, wordt de belasting op backend-systemen verminderd, waardoor deze efficiënter kunnen worden gebruikt.

Ondersteuning voor cache-invalidering en verlooptijden

Distributed caching kan configuraties bieden om de cachegegevens automatisch te verwijderen wanneer deze verouderd zijn of wanneer ze zijn gewijzigd in de bron.

Distributed caching is vooral handig in situaties waarin hoge beschikbaarheid, lage latency en schaalbaarheid van groot belang zijn, zoals bij webtoepassingen, e-commerceplatforms en grote dataverwerkingssystemen.

Wat is database caching

Database caching verwijst naar het proces van het tijdelijk opslaan van vaak opgevraagde gegevens in een cachegeheugen om de prestaties van databasegebaseerde applicaties te verbeteren. Dit cachingmechanisme maakt gebruik van snel toegankelijk geheugen (RAM) om gegevens op te slaan die anders uit een trager opslagsysteem zoals een harde schijf of een database zouden moeten worden opgehaald.

Wat is CDN caching

Een Content Delivery Network (CDN) helpt om de prestaties van onze website te verbeteren.

Door het gebruik van CDN-caching kunnen websites en webtoepassingen aanzienlijk sneller reageren op verzoeken van eindgebruikers, omdat we de gegevens dichter bij hen opslaan. Dit is vooral belangrijk voor websites met een wereldwijd publiek, e-commerceplatforms en andere online diensten waarbij de gebruikerservaring en prestaties van essentieel belang zijn.

CDNs bieden cachingfunctionaliteit en bieden verschillende voordelen, waaronder:

Snellere laadtijden

CDNs hebben servers verspreid over de hele wereld. Wanneer een gebruiker toegang tot je website aanvraagt, levert het CDN de inhoud vanaf de dichtstbijzijnde CDN-server in plaats van de oorspronkelijke server waar we onze website hosten. Dit vermindert de afstand die gegevens moeten afleggen en verbetert de laadtijden voor gebruikers, vooral voor gebruikers op verschillende geografische locaties.

Loadvermindering op de oorspronkelijke server

Omdat CDNs statische inhoud zoals afbeeldingen, video’s en stijlbladen kunnen cachen, neemt de belasting op je oorspronkelijke server aanzienlijk af. Dit zorgt voor een betere schaalbaarheid en prestaties van onze server, vooral tijdens periodes van piekverkeer.

Distributed Denial of Service (DDoS)-bescherming

Veel CDNs bieden DDoS-bescherming om onze website te beschermen tegen aanvallen die proberen het offline te halen. Het CDN kan het verkeer filteren en schadelijke verzoeken blokkeren voordat ze de oorspronkelijke server bereiken.

Gegevenscompressie en optimalisatie

CDNs kunnen gegevens comprimeren en optimaliseren voordat ze naar de eindgebruiker worden gestuurd, wat de laadtijden verder verbetert.

SSL/TLS-terminatie

Sommige CDNs bieden SSL/TLS-terminatie, wat de verwerking van SSL/TLS-versleuteling van onze website overneemt en de belasting op onze server vermindert.

Cachingconfiguratie

We kunnen instellen welke delen van onze website of applicatie moeten worden gecachet en hoe lang gegevens in de cache moeten worden bewaard, afhankelijk van onze behoeften.

De CDN werking

CDN-caching (Content Delivery Network-caching) is dus een cachingmethode die we toepassen om de prestaties van websites en webtoepassingen te verbeteren door kopieën van webinhoud op meerdere servers te distribueren en dichter bij de eindgebruikers te plaatsen. Het belangrijkste doel van CDN-caching is het versnellen van de levering van webinhoud, zoals afbeeldingen, scripts, video’s en andere statische bestanden, aan gebruikers over de hele wereld.

Het implementeren van een CDN kan vooral gunstig zijn voor websites met veel media-inhoud, e-commerceplatforms en andere toepassingen waarbij laadtijd en prestaties van cruciaal belang zijn. Het helpt niet alleen de gebruikerservaring te verbeteren, maar kan ook bijdragen aan kostenbesparingen en betere beveiliging. Het is echter belangrijk om de juiste CDN te kiezen en deze goed te configureren om de maximale voordelen te behalen. Hier is hoe CDN-caching werkt:

Cachelaag in het CDN

Een CDN bestaat uit een wereldwijd netwerk van servers (ook wel “Edge servers” genoemd) die zich op verschillende geografische locaties bevinden. Elke server fungeert als een cache voor de inhoud van de oorspronkelijke webserver.

Cachen van webinhoud

Wanneer een gebruiker een verzoek indient om een bepaalde webpagina of een specifieke bron (bijv. een afbeelding) op te halen, controleert de dichtstbijzijnde CDN-server of de inhoud al in de cache staat.

Cache-hit

Als de gevraagde inhoud in de cache aanwezig is en nog geldig is volgens de ingestelde cache-tijd (TTL – Time to Live), wordt deze onmiddellijk naar de gebruiker gestuurd. Dit resulteert in snellere laadtijden omdat de gegevens niet van de oorspronkelijke server hoeven te worden gehaald.

Cache-miss

Als de gevraagde inhoud niet in de cache staat of als deze is verlopen, zal de CDN-server een cache-miss ervaren. In dit geval haalt de CDN-server de inhoud op bij de oorspronkelijke webserver, bewaart een kopie in de cache en levert deze vervolgens aan de gebruiker. De volgende aanvragen voor dezelfde inhoud zullen dan een cache-hit zijn.

Invalidering van de cache

CDNs ondersteunen cache-invalidering om ervoor te zorgen dat verouderde inhoud niet wordt geserveerd. Wanneer de oorspronkelijke webserver een update of wijziging doorvoert in de inhoud, kan de CDN worden geïnstrueerd om de cache te verwijderen of te vernieuwen voor die specifieke inhoud.

Wat is DNS caching

DNS-caching verwijst naar het tijdelijk opslaan van DNS (Domain Name System) -informatie in het geheugen van een computer of een netwerkapparaat, zoals een router of DNS-server. Het belangrijkste doel van DNS-caching is om de prestaties van het DNS-systeem te verbeteren door de tijd en inspanning die nodig zijn om DNS-query’s uit te voeren, te verminderen.

Dit is hoe DNS-caching werkt

Wanneer een computer een DNS-query uitvoert om het IP-adres van een domeinnaam op te lossen, stuurt het een verzoek naar een DNS-server (zoals die van de internetprovider of een openbare DNS-server zoals die van Google).

De DNS-server ontvangt het verzoek en zoekt in zijn eigen cachegeheugen om te zien of het de IP-informatie voor die specifieke domeinnaam al heeft opgeslagen. Dit wordt een “cache-hit” genoemd.

Als de DNS-server de IP-informatie in zijn cache heeft, kan hij deze onmiddellijk aan de aanvrager retourneren, wat de responstijd aanzienlijk verkort.

Als de DNS-server de IP-informatie niet in zijn cache heeft (een “cache-miss”), moet hij de informatie van andere DNS-servers op internet opvragen en deze in zijn cache opslaan voor toekomstig gebruik.

DNS-caching heeft verschillende voordelen

• Vermindert latency: Het vermijdt de noodzaak om voor elke DNS-query het hele DNS-hierarchieproces te doorlopen, wat de latency aanzienlijk vermindert en zorgt voor snellere responstijden.
• Vermindert belasting van DNS-servers: Door veelvoorkomende DNS-query’s in de cache op te slaan, worden DNS-servers minder belast, waardoor ze efficiënter kunnen werken en meer verzoeken kunnen verwerken.
• Verbetert de stabiliteit: In geval van netwerkproblemen of uitval van externe DNS-servers, kunnen cachegegevens nog steeds worden gebruikt om recent opgevraagde domeinnaamresoluties uit te voeren.
• Bespaart bandbreedte: Het vermindert het dataverkeer tussen DNS-servers, omdat niet elke DNS-query opnieuw naar externe DNS-servers hoeft te worden gestuurd.

DNS-caching kan zich voordoen op verschillende niveaus, waaronder individuele apparaten zoals computers en routers, lokale DNS-servers (bijvoorbeeld in een bedrijfsnetwerk) en internet-DNS-servers. Het beheer van de cachingtijd (TTL – Time to Live) voor DNS-records is belangrijk, omdat dit bepaalt hoelang DNS-gegevens in de cache worden bewaard voordat ze worden verwijderd of vernieuwd.

Moeten we caching voor of na de firewall zetten?

Caching kunnen we zowel voor als na de firewall instellen, afhankelijk van onze specifieke doelen en vereisten. Beide aanpakken hebben hun voordelen en nadelen. Hier is een overzicht van wanneer we caching het beste voor of na de firewall kunnen plaatsen:

Caching voor de firewall

• Verbeterde prestaties: Door caching vóór de firewall te plaatsen, kunnen veel verzoeken worden afgehandeld voordat ze zelfs de firewall bereiken. Dit kan de prestaties verbeteren door het verminderen van de belasting van de firewall en het versnellen van de responstijden voor gebruikers.
• Bescherming tegen DDoS-aanvallen: Caching kan fungeren als een buffer tegen bepaalde vormen van Distributed Denial of Service (DDoS) -aanvallen, omdat het verkeer kan verwerken voordat het de firewall bereikt.

Caching na de firewall

• Meer controle: Door caching na de firewall te plaatsen, behoud je meer controle over welke inhoud wordt gecachet. Dit kan handig zijn als je specifieke beveiligingsregels of filtering wilt toepassen voordat inhoud wordt gecachet.
• Beveiligingsvoordelen: Sommige beveiligingsfuncties, zoals het blokkeren van kwaadaardige inhoud, kunnen effectiever worden geïmplementeerd na de firewall, omdat de firewall de eerste verdedigingslinie is tegen bedreigingen.

Het uiteindelijke besluit hangt af van onze specifieke vereisten en beveiligingsbeleid. In sommige gevallen kunnen we een combinatie van caching vóór en na de firewall gebruiken, waarbij we statische inhoud cachen vóór de firewall en dynamische inhoud na de firewall. Dit biedt zowel prestatievoordelen als beveiligingscontrole.

Uitdagingen bij de implementatie van caching

Bij de implementatie van caching kunnen verschillende uitdagingen en overwegingen naar voren komen. Hier zijn enkele veelvoorkomende uitdagingen bij caching:

Inconsistentie en veroudering

Een van de belangrijkste uitdagingen is het omgaan met gegevensinconsistentie en veroudering. Wanneer gegevens in de cache verouderd raken, kan dit leiden tot het serveren van verouderde of onjuiste informatie aan gebruikers. Het beheer van cache-invalidering en het definiëren van geschikte time-to-live (TTL) waarden zijn belangrijke overwegingen.

Cache-hit ratio

Het is essentieel om de cache-hit ratio te optimaliseren, wat betekent dat de meeste verzoeken uit de cache worden gehaald. Een lage cache-hit ratio kan leiden tot inefficiënt gebruik van cachegeheugen en onvoldoende prestatieverbeteringen.

Cache-uitval

Het kan gebeuren dat de cache om verschillende redenen faalt, zoals geheugentekort, hardwareproblemen of softwarefouten. Het implementeren van failovermechanismen en het hebben van een plan voor het omgaan met cache-uitval is belangrijk.

Opslag en geheugenbeheer

Het opslaan van gegevens in de cache vereist voldoende opslagruimte en geheugen. Het schalen van de cache-infrastructuur kan uitdagend zijn, vooral bij grootschalige implementaties.

Cache-coherentie

In gedistribueerde systemen is het handhaven van cache-coherentie tussen meerdere caches een complexe taak. Het zorgt ervoor dat gegevensconsistentie wordt gehandhaafd over alle cache-instanties.

Bescherming tegen cache-uitbuiting

Cache-uitbuiting treedt op wanneer een groot aantal cache-verzoeken tegelijkertijd wordt gedaan, wat de cache kan overbelasten. Het implementeren van cache-limieten en mechanismen om te voorkomen dat de cache wordt overbelast, is belangrijk.

Beveiliging

Caching kan risico’s met betrekking tot beveiliging introduceren, zoals het mogelijk cachen van gevoelige gegevens. Het is belangrijk om beveiligingsmechanismen te implementeren om ervoor te zorgen dat alleen geschikte gegevens in de cache worden opgeslagen en dat deze veilig worden behandeld.

Evictiebeleid

Bij beperkte cache-omvang is het belangrijk om een geschikt evictiebeleid te hebben om te bepalen welke gegevens uit de cache moeten worden verwijderd als deze vol is. Foutieve beslissingen kunnen leiden tot een hoger aantal cache-missen.

Monitoring en debugging

Het monitoren van de cacheprestaties en het debuggen van cache-gerelateerde problemen kan ingewikkeld zijn. Het is belangrijk om de juiste hulpmiddelen en processen te hebben om cache-gerelateerde problemen op te lossen.

Cost-efficiëntie

Het implementeren van cachingoplossingen kan kosten met zich meebrengen, zoals de aanschaf van hardware of cloudresources. Het is belangrijk om de kosten en baten zorgvuldig af te wegen.

Wanneer moeten we het cache legen?

Het legen van de cache, ook wel cache-invalidering genoemd, is een belangrijk aspect van het beheer van caching in een applicatie of systeem. Het is essentieel om de cache op de juiste momenten te legen om ervoor te zorgen dat de cache-gegevens actueel en nauwkeurig blijven. Hier zijn enkele situaties waarin je de cache moet legen:

Bij gegevenswijzigingen

Wanneer we data in de onderliggende gegevensopslag wijzigen, zoals een database of een bestandssysteem, moeten we de overeenkomstige data in de cache invalideren. Dit voorkomt het serveren van verouderde gegevens aan gebruikers.

Bij gegevensverwijdering

Als gegevens worden verwijderd uit de bron, moeten deze ook uit de cache worden verwijderd om te voorkomen dat niet-bestaande gegevens worden geserveerd.

Bij updates in configuratie

Als we cachingregels, TTL-instellingen of andere cache-gerelateerde configuratieparameters wijzigen, moeten we de cache legen om de nieuwe configuratie toe te passen.

Bij periodieke of geplande taken

Sommige applicaties hebben gegevens die periodiek worden ververst, bijvoorbeeld dagelijkse nieuwsberichten. In deze gevallen kunnen we de cache periodiek legen, bijvoorbeeld dagelijks of op een ander vast tijdstip, om de nieuwste gegevens weer te geven.

Bij overschrijding van cache-limieten

Als de cache de ingestelde limiet voor opslagruimte of geheugen overschrijdt, moet het systeem een deel van de gegevens verwijderen om ruimte te maken voor nieuwe gegevens.

Bij ongeldige of verlopen gegevens

Gegevens met een verlopen time-to-live (TTL) moeten worden verwijderd uit de cache om te voorkomen dat verouderde gegevens worden geserveerd. Dit is vooral belangrijk voor dynamische gegevens.

Bij herstart van de caching-infrastructuur

Als men de caching-infrastructuur, zoals een CDN of een caching-proxy, herstart of opnieuw configureert, kan het nodig zijn om de cache te legen om te zorgen voor data consistentie.

Bij problemen met cache-gegevens

Als er problemen optreden met cache-gegevens, zoals ongeldige of beschadigde gegevens, kan het noodzakelijk zijn de cache te legen en deze opnieuw op te bouwen.

Het juiste moment om de cache te legen hangt af van de specifieke behoeften van de applicatie en het type gegevens dat we cachen. Het kan nodig zijn om cache-invalidering op een geautomatiseerde manier te beheren of om handmatig in te grijpen, afhankelijk van de situatie. Het is belangrijk om een goed cache-invalideringsbeleid te ontwikkelen en te volgen om ervoor te zorgen dat je cache altijd betrouwbare en actuele gegevens levert.

Caching impact

Het succesvol implementeren van caching vereist een diepgaand inzicht in de behoeften van de applicatie, het type gegevens dat we moeten cachen en de optimale cachingstrategieën. Daarnaast is regelmatige monitoring en onderhoud van de cache belangrijk om ervoor te zorgen dat deze effectief blijft werken en blijft voldoen aan de prestatievereisten.

Caching kunnen we zowel in hardware als in software implementeren. Het blijft echter belangrijk om de cache regelmatig te schonen, omdat verouderde data in de cache problemen kan veroorzaken. Cachevervanging, verlopen en ongeldig maken zijn belangrijke overwegingen bij het effectief implementeren van caching.

Voor ITpedia ben ik zeker 10 maanden bezig geweest om alles uit te balanceren en te testen. Het is een langdurig leerproces met uiteindelijk dit resultaat:

Daarom is het belangrijk om de cache-strategie te plannen op basis van specifieke behoeften en om ervoor te zorgen dat de caching-infrastructuur goed is geconfigureerd en het systeem regelmatig het bijgewerkt om te voldoen aan veranderende beveiligings- en prestatievereisten.

Hopelijk heeft dit uitgebreide artikel je daarbij geholpen.

Discussieer mee op ITpedia LinkedIn of op Financial Executives LinkedIn.