Was ist Caching?

In Caches werden Kopien von Dateien gespeichert, um sie schneller dort bereitstellen zu können, wo sie benötigt werden.

Lernziele

Nach Lektüre dieses Artikels können Sie Folgendes:

  • Erklären, wie Caching funktioniert
  • Verstehen, wie und wann Inhalte im Cache gespeichert werden
  • Die verschiedenen Arten des Caching kennen
  • Erfahren, wie CDNs Inhalte im Cache speichern

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Was ist Caching?

Als Caching wird der Vorgang bezeichnet, Kopien von Dateien in einem Cache, also einem temporären Speicherort, zu speichern, damit man schneller darauf zugreifen kann. Technisch gesehen ist ein Cache ein beliebiger temporärer Speicherort für Kopien von Dateien oder Daten. Oft wird der Begriff jedoch in Bezug auf Internettechnologien verwendet. Webbrowser cachen HTML-Dateien, JavaScript und Bilder, um Websites schneller zu laden, während DNS-Server DNS-Einträge für schnellere Suchvorgänge cachen und CDN-Server Inhalte cachen, um die Latenz zu verringern.

Das englische Wort „Cache“ bedeutet Depot oder Versteck, und um zu verstehen, wie Caches funktionieren, kann man sich Lebensmitteldepots oder andere Materiallager aus dem richtigen Leben vorstellen. Als der Entdecker Roald Amundsen 1912 den Rückweg vom Südpol antrat, ernährten er und seine Männer sich von den Nahrungsmitteldepots, die sie unterwegs angelegt hatten. Dies war viel effizienter als unterwegs darauf zu warten, bis Vorräte aus ihrem Basislager nachgeliefert wurden. Caches im Internet dienen einem ähnlichen Zweck. In ihnen werden vorübergehend die „Verbrauchsmaterialien“ oder Inhalte gespeichert, die Benutzer für ihre Reise durch das Internet benötigen.

Wozu dient der Browser-Cache?

Jedes Mal, wenn ein Nutzer eine Webseite lädt, muss sein Browser eine ganze Menge Daten herunterladen, um die Webseite anzuzeigen. Um die Ladezeit der Seite zu verkürzen, speichern Browser den Großteil der Inhalte, die auf der Webseite angezeigt werden, in einem Cache – das ist eine Kopie des Webseiteninhalts auf der Festplatte des Geräts. Wenn der Nutzer die Seite das nächste Mal aufruft, ist der größte Teil des Inhalts bereits lokal gespeichert und die Seite wird viel schneller geladen.

Browser speichern diese Dateien, bis ihre Time to Live (TTL) abläuft oder der Festplattencache voll ist. (Die TTL gibt an, wie lange Inhalte im Cache gespeichert werden sollten.) Nutzer können ihren Browser-Cache auf Wunsch auch leeren.

Was bewirkt das Leeren des Browser-Caches?

Sobald der Cache eines Browsers geleert ist, wird jede Webseite so geladen, als ob der Nutzer die Seite zum ersten Mal besucht. Wenn eine Seite beim ersten Mal nicht korrekt geladen wurde und im Cache gespeichert war, kann sie durch das Löschen des Caches wieder korrekt geladen werden. Das Leeren des Browser-Caches kann jedoch auch die Ladezeit einer Seite vorübergehend verlangsamen.

Was ist CDN-Caching?

Bei einem CDN oder Content Delivery Network werden Inhalte (etwa Bilder, Videos oder Webseiten) im Cache von Proxyservern gespeichert, die den Endbenutzern näher sind als die Ursprungsserver. (Ein Proxyserver ist ein Server, der Anfragen von Clients entgegennimmt und an andere Server weiterleitet.) Da sich die Server näher an dem Benutzer befinden, der die Anfrage stellt, kann ein CDN Inhalte schneller bereitstellen.

Content Delivery Network (CDN)

Stellen Sie sich ein CDN wie eine Kette von Lebensmittelläden vor: Man geht zum Einkauf nicht den ganzen Weg zum Bauernhof, auf dem Nahrungsmittel angebaut werden und der Hunderte von Kilometern entfernt sein könnte, sondern zum nächstgelegenen Lebensmittelgeschäft. Auch dafür muss man eine gewisse Strecke zurücklegen, es liegt aber viel näher. Lebensmittelläden haben Nahrungsmittel im Depot, die von weit entfernten Bauernhöfen stammen. So braucht man nur wenige Minuten für den Lebensmitteleinkauf und nicht Tage. Ganz ähnlich speichert ein CDN die Inhalte, die im Internet angezeigt werden, in einem Cache, sodass Webseiten viel schneller geladen werden.

Wenn ein Benutzer über ein CDN Inhalte von einer Website anfordert, ruft das CDN diese Inhalte von einem Ursprungsserver ab und speichert dann eine Kopie des Inhalts für zukünftige Anfragen. Der im CDN-Cache gespeicherte Inhalt verbleibt dort, solange er weiterhin von Benutzern angefordert wird.

Was ist ein CDN-Cache-Treffer? Was ist ein Cache-Miss?

Ein Cache-Treffer liegt vor, wenn ein Client-Gerät eine Anfrage nach Inhalten an den Cache stellt und der Cache diese Inhalte gespeichert hat. Ein Cache-Miss liegt vor, wenn der Cache nicht über den angeforderten Inhalt verfügt.

Ein Cache-Treffer bedeutet, dass der Inhalt viel schneller geladen werden kann, da das CDN ihn sofort an den Endnutzer ausliefern kann. Im Falle eines Cache-Misses leitet ein CDN-Server die Anfrage an den Ursprungsserver weiter und speichert den Inhalt im Cache, sobald der Ursprungsserver antwortet, sodass nachfolgende Anfragen zu einem Cache-Treffer führen.

Wo befinden sich die Caching-Server eines CDN?

CDN-Caching-Server befinden sich in Rechenzentren auf der ganzen Welt. Cloudflare verfügt über CDN-Server in 320  Städten weltweit, um den Endnutzern, die auf die Inhalte zugreifen, so nahe wie möglich zu sein. Ein Standort mit CDN-Servern wird auch als Rechenzentrum bezeichnet.

Wie lange verbleiben die Daten im Cache eines CDN-Servers?

Wenn Websites den CDN-Servern die angeforderten Inhalte übermitteln, fügen sie auch die TTL des Inhalts hinzu, damit die Server wissen, wie lange sie ihn speichern müssen. Die TTL wird im sogenannten HTTP-Header der Antwort abgelegt. Sie gibt an, für wie viele Sekunden, Minuten oder Stunden Inhalte im Cache gespeichert werden sollen. Nach Ablauf der TTL werden die Inhalte aus dem Cache entfernt. Einige CDNs löschen Dateien auch früher aus dem Cache, wenn die Inhalte eine Zeitlang nicht angefordert werden oder wenn ein CDN-Kunde bestimmte Inhalte manuell bereinigt.

Wie funktionieren weitere Caching-Methoden?

DNS-Caching findet auf DNS-Servern statt. Die Server speichern die letzten DNS-Abfragen in ihrem Cache, sodass sie keine Nameserver abfragen müssen und sofort mit der IP-Adresse einer Domain antworten können.

Suchmaschinen speichern gegebenenfalls Webseiten im Cache, wenn bestimmte Webseiten häufig in Suchergebnissen erscheinen. So können sie Benutzeranfragen beantworten, selbst wenn die gewünschte Website vorübergehend nicht verfügbar ist oder nicht reagieren kann.

Wie wird Caching bei Cloudflare eingesetzt?

Cloudflare bietet ein CDN mit 320 PoPs an, die international verteilt sind. Cloudflare stellt kostenlose CDN-Caching-Dienste zur Verfügung, zahlende CDN-Kunden können das Caching ihrer Inhalte darüber hinaus individuell anpassen. Es handelt sich um ein Anycast-Netzwerk, das bedeutet, dass dieselben Inhalte von jedem dieser Rechenzentren bereitgestellt werden können. Ein Benutzer in London und ein Benutzer in Sydney können dieselben Inhalte aufrufen, wobei diese Inhalte von CDN-Servern geladen werden, die jeweils nur wenige Kilometer vom Benutzer entfernt sind.