کاربرد و اهمیت کش (Cache) در HTTP

مقدمه:
کش (Cache) در پروتکل HTTP یکی از ابزارهای اصلی و کلیدی برای افزایش کارایی وب‌سایت‌ها و بهبود تجربه کاربری است. این مکانیزم با ذخیره‌سازی داده‌ها در مرورگر کاربر یا سرور، به کاهش زمان بارگذاری صفحات وب و کاهش مصرف پهنای باند کمک می‌کند. کش‌کردن به این معنی است که مرورگرها یا سرورها می‌توانند نسخه‌ای از داده‌های وب‌سایت را به صورت موقت ذخیره کنند و در دفعات بعدی به‌جای درخواست داده‌های جدید از سرور اصلی، از داده‌های ذخیره‌شده استفاده کنند. این فرآیند بهبود چشمگیری در سرعت دسترسی به صفحات وب، به خصوص در اتصالات کند و یا شبکه‌های با پهنای باند محدود، ایجاد می‌کند. در ادامه این مقاله، به بررسی عمیق کاربردها، انواع کش، و اهمیت آن در معماری‌های مدرن وب می‌پردازیم.

مفهوم کش (Cache) در HTTP چیست؟

در HTTP، کش یک مکانیسم ذخیره‌سازی موقت داده‌هاست که به منظور جلوگیری از بارگذاری مجدد منابع یکسان از سرور، مورد استفاده قرار می‌گیرد. کش‌کردن به کاهش تأخیر (latency) و افزایش سرعت بارگذاری صفحه کمک می‌کند. در این فرآیند، نسخه‌ای از داده‌ها یا صفحات وب در مرورگر کاربر یا در سرورهای میانی (مانند CDN) ذخیره می‌شود تا در درخواست‌های بعدی، نیازی به بارگذاری دوباره از سرور اصلی نباشد.

کش در HTTP از طریق سربرگ‌هایی (HTTP Headers) مدیریت می‌شود که این سربرگ‌ها به مرورگر و سرورها اطلاعاتی درباره نحوه ذخیره و بازخوانی داده‌ها می‌دهند. برخی از سربرگ‌های مهم کش شامل Cache-Control، ETag، Expires و Last-Modified هستند.

 چرا کش در HTTP اهمیت دارد

1. افزایش سرعت بارگذاری صفحات وب:

کش به‌طور قابل توجهی زمان بارگذاری صفحات وب را کاهش می‌دهد. با ذخیره موقت منابع تکراری مانند تصاویر، فایل‌های CSS و JavaScript، مرورگر نیازی به دریافت مجدد این منابع از سرور ندارد و آن‌ها را از حافظه کش مرورگر بازیابی می‌کند. این امر خصوصاً در مرورگرهای تلفن‌های همراه که معمولاً با پهنای باند محدودتری مواجه هستند، بسیار مفید است.

2. کاهش بار سرور:

وقتی داده‌ها از کش مرورگر یا سرور بازیابی می‌شوند، درخواست‌های کمتری به سرور اصلی ارسال می‌شود. این موضوع باعث کاهش بار سرور و در نتیجه افزایش توانایی آن برای پاسخ‌دهی به تعداد بیشتری از درخواست‌ها می‌شود.

3. کاهش مصرف پهنای باند:

در دنیایی که حجم داده‌ها هر روز در حال افزایش است، کاهش مصرف پهنای باند اهمیت بیشتری پیدا کرده است. کش با کاهش نیاز به بارگذاری مکرر منابع ثابت، مصرف پهنای باند را به طرز چشمگیری کاهش می‌دهد.

4. بهبود تجربه کاربری:

سرعت بارگذاری صفحات یکی از مهمترین عوامل در تجربه کاربری است. کاربران انتظار دارند که صفحات وب به سرعت بارگذاری شوند. با استفاده از کش، زمان بارگذاری کاهش یافته و کاربران تجربه‌ای بهتر از وب‌سایت‌ها خواهند داشت.

انواع کش در HTTP

1. کش مرورگر (Browser Cache):

مرورگرها فایل‌های استاتیک مانند تصاویر، CSS و JavaScript را در حافظه محلی ذخیره می‌کنند تا در بازدیدهای بعدی نیازی به بارگذاری مجدد این منابع نباش. این نوع کش به کاربر کمک می‌کند تا هنگام بازدید مجدد از وب‌سایت‌ها، زمان بارگذاری را کاهش دهد. مرورگرها از دستورالعمل‌هایی که در سربرگ HTTP وجود دارد، پیروی می‌کنند تا تصمیم بگیرند چه منابعی و برای چه مدتی کش شوند.

2. کش پروکسی (Proxy Cache):

کش پروکسی در سرورهای میانی بین کاربر و سرور اصلی قرار دارد. یکی از رایج‌ترین اشکال کش پروکسی، Content Delivery Network (CDN) است. CDNs محتوا را در نقاط مختلف جهان کپی و ذخیره می‌کنند تا کاربران بتوانند به نسخه‌های محلی‌تر و سریع‌تری از محتوا دسترسی داشته باشند. کش‌های پروکسی به کاهش بار سرورهای اصلی کمک کرده و زمان پاسخ‌دهی را بهبود می‌بخشند.

3. کش سرور (Server Cache):

در این نوع کش، داده‌ها بر روی سرور اصلی ذخیره می‌شود. این نوع کش معمولاً به منظور بهبود کارایی دیتابیس‌ها و کاهش زمان پردازش داده‌ها در سرورهای وب استفاده می‌شود. برای مثال، سرورها می‌توانند نتایج پردازش درخواست‌ها را به مدت کوتاهی ذخیره کنند و در درخواست‌های مشابه از آن استفاده کنند.

4. کش اپلیکیشن (Application Cache):

این نوع کش در سمت سرور یا کلاینت به‌منظور ذخیره داده‌های برنامه‌نویسی استفاده می‌شود. معمولاً در برنامه‌های وب پیچیده، اپلیکیشن‌ها از این کش برای نگهداری داده‌های محاسباتی یا نمایش نتایج از پیش‌محاسبه‌شده استفاده می‌کنند.

ذخیره اکتشافی (Heuristic Caching)

ذخیره اکتشافی یک روش است که زمانی به کار می‌رود که منبع مشخصی سربرگ‌هایی مانند Cache-Control یا Expires را ندارد. در این حالت، مرورگرها با استفاده از الگوریتم‌های اکتشافی تصمیم می‌گیرند که داده‌ها به چه مدتی در کش ذخیره شوند. به‌طور معمول، مرورگرها از اطلاعات موجود در سربرگ Last-Modified برای تعیین مدت زمان کش استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، اگر آخرین تغییرات یک منبع شش روز پیش رخ داده باشد، مرورگر ممکن است تصمیم بگیرد که آن منبع را برای چند روز در کش نگه دارد.

دسته بندی بر اساس سن  تازه و قدمی بودن (Fresh vs. Stale Based on Age)

کش‌ها می‌توانند تازه (fresh) یا کهنه (stale) باشند. منابع تازه آن‌هایی هستند که هنوز از نظر سرور یا مرورگر معتبر بوده و نیازی به بارگذاری مجدد ندارند. این منابع طبق سربرگ‌هایی مانند Cache-Control با محدودیت زمانی مشخصی در کش باقی می‌مانند. منابع کهنه آن‌هایی هستند که مدت‌زمان اعتبار آن‌ها گذشته و مرورگر باید آن‌ها را با سرور اصلی تطبیق دهد تا نسخه جدید را دریافت کند یا تأیید کند که منبع موجود هنوز معتبر است.

به عنوان مثال، پاسخ جریان را در نظر بگیرید. این پاسخ 1 سال پیش به روز نشده است.  

HTTP/1.1 200 OK
Content-Type: text/html
Content-Length: 1024
Date: Tue, 22 Feb 2022 22:22:22 GMT
Last-Modified: Tue, 22 Feb 2021 22:22:22 GMT

<!doctype html>
…

منقضی یا حداکثر سن (Expiration or Max-Age)

منابع کش معمولاً دارای تاریخ انقضا یا حداکثر سنی (Max-Age) هستند. این ویژگی به مرورگر یا سرور می‌گوید که منبع ذخیره‌شده برای چه مدتی معتبر است. این مدت زمان با استفاده از سربرگ‌های Expires یا Cache-Control مشخص می‌شود. برای مثال، می‌توان مشخص کرد که یک تصویر به مدت 24 ساعت در کش نگهداری شود. بعد از این مدت، مرورگر باید دوباره به سرور اصلی مراجعه کند و منبع به‌روز شده را درخواست کند.

وری (Vary)

سربرگ Vary به سرورها کمک می‌کند تا تصمیم بگیرند که چه نسخه‌ای از یک منبع را برای کش کردن استفاده کنند. این سربرگ مشخص می‌کند که کش چگونه باید بر اساس ویژگی‌های مختلف درخواست، مانند نوع محتوا (Accept-Encoding)، زبان (Accept-Language) یا نوع دستگاه (مانند موبایل یا دسکتاپ)، منابع مختلفی را ذخیره کند. برای مثال، ممکن است یک صفحه HTML فشرده برای کاربرانی که از فشرده‌سازی gzip استفاده می‌کنند ذخیره شود و نسخه‌ای غیر فشرده برای دیگر کاربران.

اعتبارسنجی (Validation)

اعتبارسنجی کش فرایندی است که مرورگر با استفاده از آن تعیین می‌کند که آیا یک منبع ذخیره‌شده در کش هنوز معتبر است یا خیر. این کار معمولاً با استفاده از دو سربرگ ETag و Last-Modified انجام می‌شود. مرورگر درخواست می‌کند که آیا نسخه جدیدتری از منبع وجود دارد یا اینکه می‌تواند از نسخه موجود در کش استفاده کند. اگر سرور پاسخ دهد که منبع تغییر نکرده است (معمولاً با کد پاسخ HTTP 304)، مرورگر می‌تواند از کش موجود استفاده کند و نیازی به بارگیری مجدد نیست.

کش نکنید (No-Cache)

سربرگ Cache-Control می‌تواند شامل دستورالعمل no-cache باشد که به مرورگر یا پروکسی می‌گوید که نباید منبع را بدون اعتبارسنجی با سرور اصلی نمایش دهد. این بدان معنی نیست که منبع کش نمی‌شود، بلکه مرورگر باید ابتدا با سرور مشورت کند تا ببیند منبع هنوز معتبر است یا خیر. این روش برای اطمینان از نمایش داده‌های تازه و به‌روز به کاربران استفاده می‌شود.

بارگذاری مجدد و بارگذاری مجدد اجباری (Reload and Forced Reload)

بارگذاری مجدد (Reload) و بارگذاری مجدد اجباری (Forced Reload) به دو روش برای تازه‌سازی محتوا در مرورگر اشاره دارد. در حالت بارگذاری مجدد عادی (معمولاً با زدن دکمه Reload یا F5)، مرورگر ممکن است از کش استفاده کند، اما در عین حال از سرور می‌پرسد که آیا منبع کش شده هنوز معتبر است یا نه. اما در بارگذاری مجدد اجباری (معمولاً با زدن دکمه Ctrl+F5)، مرورگر بدون توجه به کش، مستقیماً درخواست یک نسخه جدید از منبع از سرور می‌کند.

حذف پاسخ‌های ذخیره‌شده (Eviction of Stored Responses)

کش‌ها محدودیت‌هایی از نظر فضا دارند و مرورگر یا سرور نمی‌تواند همه منابع را برای همیشه در حافظه نگه دارد. وقتی حافظه کش پر می‌شود، سیستم به‌صورت خودکار برخی از منابع ذخیره‌شده قدیمی را حذف می‌کند. این فرآیند به‌عنوان "حذف" یا "eviction" شناخته می‌شود. منابعی که کمتر استفاده می‌شوند معمولاً در اولویت برای حذف قرار دارند. مرورگرها از الگوریتم‌های مختلفی مانند Least Recently Used (LRU) برای مدیریت این فرآیند استفاده می‌کنند.

درخواست کوچک کردن (Request Minimization)

درخواست کوچک کردن به تکنیک‌هایی اشاره دارد که هدف آن کاهش تعداد درخواست‌های HTTP به سرور است. یکی از این تکنیک‌ها، استفاده از کش به‌منظور جلوگیری از ارسال درخواست‌های اضافی است. به‌عنوان مثال، استفاده از منابع استاتیک کش شده (مانند CSS و JavaScript) می‌تواند تعداد درخواست‌های HTTP را به شدت کاهش دهد و زمان بارگذاری صفحات وب را سریع‌تر کند. تکنیک‌های دیگر شامل ترکیب فایل‌های CSS و JavaScript و بهینه‌سازی تصاویر است.

الگوهای رایج حافظه پنهان (Common Caching Patterns)

در طراحی سیستم‌های وب، چندین الگوی کش متداول وجود دارد که به بهبود عملکرد و کارایی کمک می‌کند:

Time-based Expiration (انقضا زمانی): منابع کش شده تا مدت زمان مشخصی معتبر باقی می‌مانند و پس از آن منقضی می‌شوند.
Validation-based Caching (کش مبتنی بر اعتبارسنجی): مرورگرها یا پروکسی‌ها از سرور تأیید می‌گیرند که آیا منبع موجود در کش هنوز معتبر است یا نیاز به بارگذاری نسخه جدید دارد.
Lazy Loading (بارگذاری تدریجی): منابع فقط در صورت نیاز بارگذاری می‌شوند تا مصرف منابع بهینه شود.
Pre-fetching (پیش‌بارگذاری): منابعی که به احتمال زیاد در آینده نزدیک مورد نیاز خواهند بود، پیش از زمان استفاده واقعی آن‌ها در کش ذخیره می‌شوند.
 

مدیریت کش در HTTP

کش در HTTP توسط سربرگ‌های خاصی مدیریت می‌شود که برخی از مهم‌ترین آن‌ها عبارتند از:

1. Cache-Control:

این سربرگ مهم‌ترین ابزار برای مدیریت کش است و به سرور اجازه می‌دهد که دستورالعمل‌های خاصی در مورد چگونگی کش‌کردن داده‌ها به مرورگر و دیگر سرورها بدهد. برای مثال، تنظیماتی مانند no-cache یا max-age=3600 می‌توانند مشخص کنند که داده‌ها باید به چه مدتی در کش نگهداری شوند.

2. Expires:

این سربرگ تاریخی را تعیین می‌کند که بعد از آن کش موجود منقضی شده و مرورگر باید برای دریافت نسخه جدیدی از داده‌ها درخواست بفرستد. با این حال، Cache-Control امروزه بیشتر استفاده می‌شود و Expires کمتر مورد توجه قرار می‌گیرد.

3. ETag:

این سربرگ یک شناسه منحصربه‌فرد برای هر نسخه از یک منبع است. اگر منبع تغییر کند، شناسه ETag نیز تغییر می‌کند، و مرورگر متوجه می‌شود که باید نسخه جدیدی از منبع را بارگیری کند.

4. Last-Modified:

این سربرگ به مرورگر نشان می‌دهد که آخرین بار چه زمانی یک منبع خاص به‌روزرسانی شده است. در درخواست‌های بعدی، مرورگر می‌تواند از سرور بپرسد که آیا منبع از آن زمان تغییر کرده است یا نه.

 چالش‌ها و مشکلات کش

1. کش منسوخ (Stale Cache):

یکی از چالش‌های اصلی در استفاده از کش این است که گاهی اوقات، مرورگر ممکن است نسخه قدیمی یا منسوخی از داده‌ها را نمایش دهد. این اتفاق می‌تواند زمانی رخ دهد که کش تنظیمات درستی برای مدت زمان نگهداری نداشته باشد.

2. هماهنگ‌سازی داده‌ها:

در برخی مواقع، اگر کش سرورها یا مرورگرها به درستی با سرور اصلی هماهنگ نشوند، ممکن است نسخه‌های متفاوتی از محتوا به کاربران نمایش داده شود.

3. حذف و به‌روزرسانی کش:

مدیریت صحیح حذف یا به‌روزرسانی کش‌ها به خصوص در برنامه‌های پیچیده وب از اهمیت بالایی برخوردار است. عدم مدیریت صحیح می‌تواند باعث نمایش اطلاعات قدیمی یا غیرمعتبر به کاربران شود.

نتیجه‌گیری:
کش در HTTP به عنوان یک ابزار بسیار قدرتمند برای بهبود کارایی و سرعت وب‌سایت‌ها شناخته می‌شود. با استفاده از کش، می‌توان زمان بارگذاری صفحات وب را کاهش داد، بار سرور را کم کرد و مصرف پهنای باند را به حداقل رساند. با این حال، مدیریت صحیح و بهینه‌سازی کش نیازمند دانش و استفاده از تکنیک‌های مناسب است تا مشکلات احتمالی مانند کش منسوخ یا عدم هماهنگی محتوا به وجود نیاید. در کل، اهمیت کش در HTTP غیرقابل انکار است و استفاده صحیح از آن می‌تواند تجربه کاربری را بهبود بخشیده و وب‌سایت‌ها را کارآمدتر کند.