Tổng quan về Caching: Giới thiệu

Cache đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống bằng cách lưu trữ tạm thời dữ liệu thường xuyên truy cập và giảm độ trễ. Hiểu được các loại cache khác nhau là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế hệ thống và sử dụng tài nguyên.

Đây là bài viết đầu tiên trong loạt bài giới thiệu về cache.

Cache là gì?

Cơ chế cache là một phương thức lưu trữ dữ liệu tốc độ cao, được sử dụng để tạm thời lưu trữ dữ liệu và các lệnh được truy cập thường xuyên hoặc vừa được sử dụng. Nó nằm giữa bộ nhớ chính (RAM) và bộ xử lý trung tâm (CPU) trong hệ thống máy tính. Bằng cách lưu trữ dữ liệu thường xuyên được truy cập gần với CPU, cache giúp truy cập nhanh hơn, giảm độ trễ liên quan đến việc lấy dữ liệu từ bộ nhớ chính chậm hơn.

Tầm quan trọng của Caching

Caching đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống và cải thiện hiệu quả tổng thể trong nhiều môi trường điện toán. Tầm quan trọng của nó thể hiện ở một số khía cạnh chính sau:

Truy cập dữ liệu nhanh hơn: Bằng cách lưu trữ dữ liệu thường xuyên được truy cập gần với bộ xử lý, caching giảm thời gian cần thiết để lấy dữ liệu từ các phương tiện lưu trữ chậm hơn, chẳng hạn như ổ đĩa hoặc máy chủ mạng. Điều này dẫn đến thời gian truy xuất dữ liệu nhanh hơn và cải thiện độ phản hồi của hệ thống.
Giảm độ trễ: Caching giúp giảm thiểu độ trễ liên quan đến việc truy cập dữ liệu từ các thiết bị lưu trữ xa hoặc chậm hơn. Bằng cách giữ dữ liệu thường xuyên được sử dụng trong bộ nhớ cache, hệ thống có thể giảm thiểu độ trễ mà người dùng gặp phải khi truy cập tài nguyên.
Tiết kiệm băng thông: Caching tiết kiệm băng thông mạng bằng cách phục vụ nội dung thường xuyên được yêu cầu từ bộ nhớ cục bộ thay vì phải lấy lại liên tục từ các máy chủ từ xa. Điều này làm giảm tải trên hạ tầng mạng và cải thiện hiệu suất mạng tổng thể.
Khả năng mở rộng: Caching cải thiện khả năng mở rộng của hệ thống bằng cách giảm tải xử lý và lưu trữ từ các hệ thống backend. Bằng cách lưu trữ dữ liệu được truy cập thường xuyên, hệ thống có thể xử lý hiệu quả tải người dùng tăng cao mà không làm suy giảm hiệu suất.
Cải thiện trải nghiệm người dùng: Truy cập dữ liệu nhanh hơn và giảm độ trễ góp phần mang lại trải nghiệm người dùng mượt mà và phản hồi nhanh. Dù là duyệt web, truy cập tệp hay chạy ứng dụng, caching giúp cung cấp nội dung và dịch vụ nhanh chóng, dẫn đến sự hài lòng cao hơn từ phía người dùng.
Nâng cao độ tin cậy: Caching có thể cải thiện độ tin cậy của hệ thống bằng cách giảm nguy cơ gián đoạn dịch vụ hoặc thời gian chết. Bằng cách cung cấp nội dung từ cache trong các giai đoạn nhu cầu cao hoặc khi mạng không ổn định, hệ thống có thể duy trì tính khả dụng của dịch vụ và giảm thiểu tác động của các sự cố tiềm ẩn.

Tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu các loại cache phổ biến nhất.

CPU Cache

CPU cache là một thành phần quan trọng của các bộ vi xử lý hiện đại, tác động mạnh đến hiệu suất hệ thống bằng cách giảm thời gian truy cập dữ liệu và lệnh thường xuyên được sử dụng.

Đặc điểm

Gần với CPU: CPU cache nằm trực tiếp trên chip của bộ xử lý, cung cấp khả năng truy cập cực nhanh so với việc lấy dữ liệu từ bộ nhớ chính (RAM).
Cấu trúc phân cấp: CPU cache được tổ chức thành nhiều cấp (L1, L2, L3), mỗi cấp có kích thước, tốc độ và vị trí gần với lõi CPU khác nhau. L1 cache là nhỏ nhất và nhanh nhất, nằm gần các lõi CPU nhất, tiếp theo là L2 và L3, lớn hơn nhưng chậm hơn.

Chức năng

Lưu trữ dữ liệu và lệnh: CPU cache lưu trữ cả dữ liệu và lệnh thường xuyên được truy cập. Khi CPU cần truy cập dữ liệu hoặc lệnh, nó sẽ kiểm tra cache trước. Nếu tìm thấy (cache hit), dữ liệu hoặc lệnh sẽ được truy xuất nhanh chóng. Nếu không (cache miss), CPU sẽ lấy dữ liệu từ bộ nhớ chính và lưu trữ vào cache để sử dụng sau này.
Độ nhất quán của Cache: Để đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu, các CPU hiện đại sử dụng các giao thức nhất quán của cache để đồng bộ hóa dữ liệu giữa các cấp cache khác nhau và các lõi CPU. Các giao thức này ngăn ngừa sự không đồng nhất khi nhiều lõi truy cập và sửa đổi cùng một dữ liệu.

Các loại CPU Cache

L1 Cache: L1 cache được chia thành bộ nhớ lệnh (L1i) và bộ nhớ dữ liệu (L1d). L1 cache cực nhanh nhưng giới hạn về kích thước, thường chỉ từ vài KB đến vài MB trên mỗi lõi.
L2 Cache: L2 cache là bộ nhớ phụ, lớn hơn L1 nhưng chậm hơn về tốc độ truy cập. Nó được chia sẻ giữa các lõi CPU trong một phức hợp lõi CPU hoặc chip.
L3 Cache: L3 cache là cấp cuối cùng trong hệ thống phân cấp cache, được chia sẻ giữa nhiều lõi CPU hoặc nhiều socket CPU. Nó lớn hơn L2 nhưng chậm hơn về tốc độ truy cập.

Ứng dụng và lợi ích

Cải thiện hiệu suất: CPU cache giảm đáng kể thời gian truy cập dữ liệu và lệnh thường xuyên, dẫn đến thực thi chương trình nhanh hơn và cải thiện khả năng phản hồi của hệ thống.
Giảm độ trễ bộ nhớ: Bằng cách lưu trữ dữ liệu và lệnh thường xuyên được truy cập gần với lõi CPU, cache giảm độ trễ khi lấy dữ liệu từ bộ nhớ chính.
Higher Throughput(Thông lượng cao hơn): Cache giúp các bộ xử lý thực thi lệnh hiệu quả hơn bằng cách giảm thiểu tình trạng đình trệ do chờ dữ liệu từ bộ nhớ chính.
Tối ưu hóa đa luồng: Trong các ứng dụng đa luồng, CPU cache giúp cải thiện hiệu suất luồng bằng cách giảm tranh chấp tài nguyên chia sẻ và giảm thiểu tình trạng cache thrashing.

Disk Cache

Disk cache, hay còn gọi là buffer cache, là một cơ chế được sử dụng để cải thiện hiệu suất I/O của đĩa bằng cách tạm thời lưu trữ dữ liệu vừa được truy cập trong bộ nhớ.

Đặc điểm

Lưu trữ dựa trên RAM: Disk cache sử dụng một phần bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) để tạm thời lưu trữ các khối dữ liệu vừa được đọc từ hoặc ghi vào đĩa.
Write-Back hoặc Write-Through: Disk cache có thể hoạt động theo chế độ write-back, nơi dữ liệu được ghi vào cache trước và sau đó được chuyển xuống đĩa, hoặc chế độ write-through, nơi dữ liệu được ghi đồng thời vào cả cache và đĩa.
Hoạt động trong suốt: Disk cache hoạt động trong suốt đối với hệ điều hành và ứng dụng, chặn các yêu cầu I/O của đĩa và lưu trữ các khối dữ liệu mà không yêu cầu sự can thiệp trực tiếp từ người dùng.

Chức năng

Read Caching: Disk cache lưu trữ các khối dữ liệu vừa đọc từ đĩa vào bộ nhớ. Khi có yêu cầu đọc, cache kiểm tra xem khối dữ liệu đó có sẵn trong bộ nhớ hay không (cache hit). Nếu tìm thấy, dữ liệu sẽ được truy xuất nhanh chóng từ cache. Nếu không tìm thấy (cache miss), khối dữ liệu sẽ được đọc từ đĩa và lưu vào cache cho lần sử dụng sau.
Write Caching: Disk cache có thể lưu trữ các thao tác ghi để cải thiện hiệu suất ghi của đĩa. Trong chế độ write-back, dữ liệu được ghi trước vào cache và ứng dụng sẽ được thông báo hoàn tất, giúp giảm độ trễ I/O của đĩa. Dữ liệu được lưu vào đĩa sau đó theo chế độ không đồng bộ. Write caching giúp cải thiện khả năng phản hồi của ứng dụng và giảm độ trễ khi ghi.
Prefetching: Disk cache có thể lấy trước các khối dữ liệu vào bộ nhớ dựa trên các mẫu truy cập hoặc thuật toán dự đoán. Bằng cách dự đoán các yêu cầu truy cập trong tương lai, prefetching giúp giảm độ trễ khi truy cập đĩa và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Các loại Disk Cache

Operating System Cache: Nhiều hệ điều hành duy trì một disk cache như một phần của hệ thống tệp. Cache này được quản lý bởi kernel của hệ điều hành và dùng để cache các thao tác I/O của đĩa.
Disk Controller Cache: Một số bộ điều khiển đĩa có bộ nhớ cache tích hợp để tăng tốc các thao tác đĩa. Những cache này hoạt động độc lập với cache của hệ điều hành và có thể có các tính năng bổ sung như pin dự phòng để bảo vệ dữ liệu trong trường hợp mất điện.
Disk Cache Software: Phần mềm disk cache của bên thứ ba có thể được cài đặt để tăng cường hoặc thay thế disk cache tích hợp do hệ điều hành cung cấp. Các giải pháp phần mềm này thường cung cấp các thuật toán cache nâng cao và các tùy chọn cấu hình để tối ưu hóa hiệu suất đĩa.

Ứng dụng và lợi ích

Cải thiện hiệu suất đĩa: Disk cache giảm độ trễ I/O của đĩa bằng cách lưu trữ các khối dữ liệu thường xuyên truy cập trong bộ nhớ, dẫn đến các thao tác đọc và ghi nhanh hơn.
Tăng cường khả năng phản hồi của hệ thống: Bằng cách giảm thời gian cần thiết để truy cập dữ liệu từ đĩa, disk cache cải thiện khả năng phản hồi của hệ thống và hiệu suất ứng dụng.
Giảm hao mòn đĩa: Disk cache giảm số lần truy cập đĩa, giúp giảm hao mòn trên các ổ đĩa vật lý và có thể kéo dài tuổi thọ của chúng.
Tối ưu hóa sử dụng tài nguyên: Disk cache giúp tối ưu hóa tài nguyên hệ thống bằng cách giảm nhu cầu truy cập đĩa thường xuyên, giải phóng băng thông CPU và đĩa cho các tác vụ khác.

WEB Cache

Web cache, còn gọi là web proxy cache, là cơ chế lưu trữ bản sao của nội dung web như các trang HTML, hình ảnh và tệp đa phương tiện trên các máy chủ hoặc thiết bị của người dùng.

Đặc điểm

Lưu trữ dựa trên proxy: Web cache hoạt động như một trung gian giữa các client (như trình duyệt web) và máy chủ web, chặn và lưu trữ nội dung web mà client yêu cầu.
Chính sách cache: Web cache sử dụng các chính sách cache để xác định nội dung web nào sẽ được lưu trữ và trong bao lâu. Các chính sách này có thể dựa trên các yếu tố như độ phổ biến của nội dung, độ mới của nội dung và giới hạn dung lượng cache.
Cache phân cấp: Trong các hệ thống lớn, web cache có thể được tổ chức theo phân cấp, với các cache cấp thấp phục vụ cho các client cá nhân và cache cấp cao hoạt động như các trung gian giữa cache cấp thấp và máy chủ web.

Chức năng

Lưu trữ nội dung: Web cache lưu trữ các bản sao của nội dung web được client yêu cầu trên các máy chủ hoặc thiết bị của người dùng. Khi client yêu cầu một tài nguyên web, cache sẽ kiểm tra xem có bản sao đã lưu trữ hay không (cache hit). Nếu có, nội dung sẽ được phục vụ trực tiếp từ cache mà không cần truy xuất từ máy chủ gốc. Nếu không có (cache miss), cache sẽ lấy nội dung từ máy chủ web và lưu trữ cho các yêu cầu trong tương lai.
Xóa bỏ cache lỗi thời: Web cache thực hiện các cơ chế xóa bỏ các nội dung cache đã cũ hoặc lỗi thời để đảm bảo client nhận được phiên bản mới nhất của tài nguyên web. Điều này có thể bao gồm việc kiểm tra cập nhật bằng các HTTP headers như Last-Modified hoặc ETag và xác thực lại nội dung đã cache với máy chủ gốc.
Nén nội dung: Một số web cache hỗ trợ các kỹ thuật nén nội dung như gzip hoặc brotli để giảm kích thước của nội dung đã cache, tiết kiệm không gian lưu trữ và cải thiện hiệu quả cache.

Các loại Web Cache

Proxy Cache: Proxy caches được triển khai tại các rìa mạng hoặc trong cơ sở hạ tầng mạng của các tổ chức để chặn và lưu trữ nội dung web mà client yêu cầu. Chúng hoạt động như các trung gian giữa client và máy chủ web, giúp giảm độ trễ và tiết kiệm băng thông.
Browser Cache: Trình duyệt web duy trì cache cục bộ của riêng mình, lưu trữ các bản sao của các trang web, hình ảnh và tài nguyên đã truy cập trước đó. Browser cache giúp tăng tốc các lần truy cập sau vào cùng một trang web bằng cách cung cấp nội dung đã lưu từ bộ nhớ cục bộ.
Content Delivery Network (CDN) Cache: Các CDN vận hành các mạng phân phối gồm các máy chủ rìa được đặt ở các địa điểm khác nhau trên thế giới. Các máy chủ rìa này lưu trữ bản sao của nội dung web và cung cấp chúng cho người dùng dựa trên vị trí địa lý của họ, giúp giảm độ trễ và cải thiện tốc độ phân phối nội dung.

Ứng dụng và lợi ích

Duyệt web nhanh hơn: Web cache tăng tốc độ duyệt web bằng cách cung cấp nội dung đã cache trực tiếp cho người dùng, giảm thời gian cần thiết để lấy tài nguyên từ các máy chủ web từ xa.
Tiết kiệm băng thông: Bằng cách cung cấp nội dung đã cache cục bộ, web cache giảm nhu cầu tải lại nội dung từ các máy chủ từ xa, tiết kiệm băng thông mạng và giảm lưu lượng internet.
Cải thiện hiệu suất trang web: Web cache giảm tải cho máy chủ và cải thiện hiệu suất trang web bằng cách chuyển giao nhiệm vụ phân phối nội dung sang các máy chủ cache cục bộ, giúp tăng khả năng mở rộng và khả năng phản hồi.
Giảm độ trễ: Lưu trữ nội dung web thường xuyên được truy cập cục bộ giúp giảm thiểu độ trễ khi truy xuất tài nguyên từ các máy chủ web từ xa, dẫn đến thời gian tải trang nhanh hơn và cải thiện trải nghiệm người dùng.

DNS Cache

DNS cache là một loại bộ nhớ đệm được sử dụng trong Hệ thống Tên miền (DNS) để lưu trữ kết quả của các truy vấn DNS trong một khoảng thời gian. Khi người dùng yêu cầu truy cập một trang web, máy tính của họ sẽ gửi truy vấn DNS đến máy chủ DNS để phân giải tên miền của trang web thành địa chỉ IP. Máy chủ DNS phản hồi bằng địa chỉ IP, sau đó máy tính người dùng có thể truy cập trang web bằng địa chỉ IP đó.

DNS cache cải thiện hiệu suất của hệ thống DNS bằng cách giảm số lượng truy vấn được gửi đến các máy chủ DNS. Khi máy chủ DNS nhận được yêu cầu về một tên miền, nó sẽ kiểm tra cache cục bộ để xem liệu địa chỉ IP của tên miền đó đã được lưu trữ hay chưa. Nếu địa chỉ IP có sẵn trong cache, máy chủ DNS có thể ngay lập tức phản hồi mà không cần truy vấn các máy chủ khác. Điều này có thể giảm đáng kể thời gian phản hồi cho các truy vấn DNS và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Đặc điểm:

Lưu trữ cục bộ: DNS cache được lưu trữ cục bộ trên các thiết bị của người dùng hoặc máy chủ DNS, lưu lại các ánh xạ tên miền đã phân giải thành địa chỉ IP trong một khoảng thời gian có thể cấu hình.
Thời gian tồn tại (TTL): Mỗi bản ghi DNS được lưu trữ sẽ có giá trị TTL (Time-to-Live), chỉ định thời gian mà bản ghi nên được lưu trữ trước khi hết hạn. Sau khi TTL hết hạn, bản ghi sẽ bị loại bỏ và trình phân giải DNS phải truy vấn lại các máy chủ DNS có thẩm quyền để lấy thông tin mới nhất.
Cache phân cấp: DNS cache có thể được tổ chức theo phân cấp, với các cache cục bộ phục vụ cho từng thiết bị của người dùng và các máy chủ DNS trung gian lưu trữ các bản ghi DNS đã phân giải cho nhiều client.

Chức năng:

Lưu trữ kết quả phân giải DNS: DNS cache lưu trữ các ánh xạ tên miền đã phân giải thành địa chỉ IP cục bộ trên thiết bị của người dùng hoặc máy chủ DNS. Khi client yêu cầu địa chỉ IP tương ứng với tên miền, trình phân giải DNS trước tiên sẽ kiểm tra cache cục bộ để tìm ánh xạ đã lưu (cache hit). Nếu có, trình phân giải sẽ trả về địa chỉ IP đã lưu cho client mà không cần phải truy vấn các máy chủ DNS bên ngoài. Nếu không có (cache miss), trình phân giải sẽ truy vấn máy chủ DNS có thẩm quyền và lưu trữ ánh xạ đã phân giải cho các yêu cầu trong tương lai.
Lưu trữ kết quả phủ định: DNS cache cũng lưu trữ các phản hồi phủ định, như các lỗi phân giải DNS (ví dụ: tên miền không tồn tại). Điều này giúp giảm tải cho các máy chủ DNS có thẩm quyền và cải thiện hiệu suất phân giải DNS.

Các loại DNS Cache:

DNS Cache phía client: Các thiết bị của người dùng như máy tính, điện thoại thông minh và router duy trì cache DNS cục bộ. Cache này lưu trữ các bản ghi DNS đã phân giải cho các tên miền mà người dùng đã truy cập gần đây, giúp tăng tốc các tra cứu DNS tiếp theo và cải thiện hiệu suất duyệt web.
DNS Cache của máy chủ: Các máy chủ DNS, bao gồm các máy chủ DNS đệ quy do các nhà cung cấp dịch vụ internet (ISP) và các trình phân giải DNS công cộng như Google Public DNS và OpenDNS vận hành, duy trì cache DNS của riêng họ. Các cache này lưu trữ các bản ghi DNS đã phân giải cho nhiều client, giảm độ trễ khi phân giải DNS và cải thiện hiệu suất mạng tổng thể.

Trường hợp sử dụng và lợi ích:

Phân giải DNS nhanh hơn: DNS cache tăng tốc quá trình phân giải DNS bằng cách lưu trữ các ánh xạ tên miền đã phân giải thành địa chỉ IP cục bộ, giảm thời gian cần thiết để lấy ánh xạ từ các máy chủ DNS bên ngoài.
Cải thiện hiệu suất mạng: Bằng cách lưu trữ các bản ghi DNS cục bộ, DNS cache giảm độ trễ khi phân giải DNS và cải thiện hiệu suất mạng tổng thể, đặc biệt đối với các trang web và tên miền được truy cập thường xuyên.
Giảm lưu lượng truy vấn DNS: DNS cache giảm số lượng truy vấn DNS gửi đến các máy chủ DNS có thẩm quyền bằng cách cung cấp các bản ghi DNS đã lưu trữ cục bộ. Điều này giúp giảm tải cho cơ sở hạ tầng DNS và nâng cao hiệu suất phân giải DNS.
Tăng độ tin cậy: DNS cache cải thiện độ tin cậy của phân giải DNS bằng cách cung cấp các ánh xạ đã lưu ngay cả khi các máy chủ DNS có thẩm quyền không thể truy cập hoặc gặp sự cố. Điều này cải thiện tính khả dụng của hệ thống và đảm bảo truy cập liên tục vào các dịch vụ web và tài nguyên.

Các phương pháp tối ưu để quản lý Cache

Quản lý cache hiệu quả là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, đảm bảo tính nhất quán dữ liệu và giảm thiểu việc sử dụng tài nguyên. Dưới đây là một số phương pháp tốt nhất trong quản lý cache:

Xác định các điểm nóng về hiệu suất: Phân tích hiệu suất ứng dụng của bạn để xác định các khu vực mà cache có thể cải thiện hiệu suất đáng kể nhất. Tập trung vào các dữ liệu được truy cập thường xuyên hoặc các tác vụ tính toán đòi hỏi nhiều tài nguyên có thể hưởng lợi từ việc sử dụng cache.
Chiến lược sử dụng cache: Thực hiện cache một cách có chọn lọc cho những dữ liệu hoặc tác vụ được truy cập thường xuyên nhưng ít thay đổi. Tránh cache những dữ liệu biến động hoặc được cập nhật thường xuyên vì điều này có thể dẫn đến các mục cache lỗi thời và dữ liệu không nhất quán.
Xóa cache: Triển khai các cơ chế xóa cache để đảm bảo rằng dữ liệu được cache luôn cập nhật. Sử dụng các kỹ thuật như hết hạn dựa trên thời gian, phiên bản hoặc xóa dựa trên sự kiện để làm mới các mục cache khi dữ liệu nền thay đổi.
Chính sách loại bỏ: Chọn các chính sách loại bỏ phù hợp để quản lý kích thước cache và đảm bảo việc sử dụng cache hiệu quả. Các chính sách loại bỏ phổ biến bao gồm Least Recently Used (LRU), Least Frequently Used (LFU) và hết hạn theo Time-to-Live (TTL). Lựa chọn chính sách loại bỏ phù hợp với mô hình truy cập và yêu cầu giữ dữ liệu của ứng dụng.
Kích thước cache: Cài đặt kích thước cache phù hợp dựa trên các tài nguyên bộ nhớ có sẵn và các đặc điểm của khối lượng công việc. Cache quá lớn có thể dẫn đến áp lực bộ nhớ và tăng chi phí xử lý bộ nhớ rác, trong khi cache quá nhỏ có thể dẫn đến nhiều cache miss và giảm hiệu suất.
Cơ chế dự phòng: Triển khai các cơ chế dự phòng để xử lý trường hợp cache miss một cách mềm mại. Khi cache miss xảy ra, quay lại nguồn dữ liệu nền (ví dụ như cơ sở dữ liệu, hệ thống tệp) để truy xuất dữ liệu cần thiết. Sử dụng cache như một phương pháp tối ưu hóa hiệu suất, nhưng đảm bảo rằng ứng dụng của bạn vẫn hoạt động bình thường ngay cả khi không có dữ liệu cache.
Cân nhắc về bảo mật: Xem xét các yếu tố bảo mật khi cache các dữ liệu nhạy cảm hoặc bảo mật. Triển khai các biện pháp kiểm soát truy cập phù hợp, mã hóa và kỹ thuật che giấu dữ liệu để bảo vệ dữ liệu cache khỏi truy cập trái phép hoặc lộ thông tin.

Đây là bài viết đầu tiên giới thiệu về cache, hi vọng mọi người sẽ thích.Chúc mọi người làm việc vui vẻ.

Eminel Insights