کش وارنیش (Varnish Cache) چیست و چگونه کار می‌کند؟

مقدمه:

کش وارنیش (Varnish Cache) یکی از قوی‌ترین نرم‌افزارهای کشینگ وب است که با عملکردی مشابه یک پروکسی معکوس، سرعت بارگذاری صفحات وب‌سایت را به شکل قابل توجهی افزایش می‌دهد. وقتی شما آدرس اینترنتی را در مرورگر خود وارد می‌کنید و Enter می‌زنید، در پشت‌صحنه درخواست‌هایی به سمت DNS، وب‌سرور و دیگر سرویس‌ها ارسال می‌شود. در همین مسیر، فناوری‌هایی مانند کشینگ، CDN، لودبالانسینگ و پروکسی معکوس نیز ایفای نقش می‌کنند تا تجربه کاربری بهتری برای شما رقم بخورد. در این مقاله قصد داریم به زبان ساده شما را با Varnish Cache آشنا کنیم؛ ابزاری حرفه‌ای که با ذخیره‌سازی موقت محتوا، بار سرور را کاهش داده و سرعت دسترسی به صفحات وب را افزایش می‌دهد.

کش چیست؟

احتمالاً تاکنون نام کش را شنیده‌اید اما دقیقاً نمی‌دانید که چه کاری انجام می‌دهد. کش (Cache) یک سیستم نرم‌افزاری یا سخت‌افزاری است که با ذخیره‌سازی موقت داده‌ها مانند تصاویر، HTML یا اسکریپت‌ها، سرعت دسترسی مجدد کاربران به محتوا را افزایش می‌دهد. برای مثال، وقتی شما برای اولین‌بار وارد یک وب‌سایت می‌شوید، مرورگر شما نسخه‌ای از محتوای آن را در حافظه کش ذخیره می‌کند تا در دفعات بعدی، محتوای همان صفحه بدون نیاز به بارگیری مجدد از سرور و با سرعت بیشتر لود شود.

یکی از پیشرفته‌ترین ابزارهای کشینگ که در سطح حرفه‌ای استفاده می‌شود، کش وارنیش (Varnish Cache) است؛ ابزاری که فراتر از کش مرورگر یا کش ساده سرور عمل می‌کند و می‌تواند عملکرد وب‌سایت‌های پرترافیک را به طور چشمگیری بهبود ببخشد.

کش وارنیش (Varnish Cache) چیست؟

کش وارنیش (Varnish Cache) یک پروکسی معکوس HTTP و نرم‌افزار کشینگ متن‌باز و قدرتمند است که با هدف افزایش سرعت بارگذاری و ارائه محتوای صفحات وب طراحی شده است. برخلاف کش مرورگر یا برخی سیستم‌های ذخیره‌سازی موقت دیگر، وارنیش در سطح زیرساختی عمل می‌کند و مستقیماً در کنار وب‌سرور (مانند Nginx یا Apache) قرار می‌گیرد تا بار ترافیکی را کاهش دهد و پاسخ‌دهی به کاربران را تسریع کند.

یکی از ویژگی‌های اصلی Varnish Cache، کاهش نیاز به منابع سرور است؛ به طوری که می‌تواند تا ۴۰۰٪ در مصرف CPU و حافظه صرفه‌جویی ایجاد کند. همین امر موجب شده تا وارنیش به ابزاری ایده‌آل برای وب‌سایت‌های پرترافیک مانند فروشگاه‌های آنلاین، وب‌سایت‌های خبری، سرویس‌های استریم و فروم‌ها تبدیل شود.

همچنین، این نرم‌افزار قابلیت نصب روی انواع زیرساخت‌ها از جمله سرور اختصاصی، سرور مجازی (VPS) و هاست اشتراکی را دارد، هرچند که به دلیل محدودیت‌های پیکربندی، استفاده از آن در هاست اشتراکی چندان توصیه نمی‌شود. بسیاری از ارائه‌دهندگان خدمات هاستینگ، پشتیبانی رسمی از کش وارنیش ندارند، بنابراین بهتر است پیش از استفاده، سازگاری سرویس خود را بررسی کنید.

کش وارنیش (Varnish Cache) برای سیستم‌عامل‌های شبه‌یونیکس طراحی شده و بیشترین سازگاری را با توزیع‌هایی مانند Ubuntu، Debian، CentOS و Solaris دارد. نسخه پایدار فعلی آن نیز Varnish 7.3 است که در مارس ۲۰۲۳ منتشر شده و با بهبودهایی در عملکرد و امنیت همراه بوده است.

VCL چیست و چه نقشی در کش وارنیش (Varnish Cache) دارد؟

یکی از قابلیت‌های کلیدی کش وارنیش (Varnish Cache) وجود یک زبان پیکربندی اختصاصی به نام VCL یا Varnish Configuration Language است. این زبان به شما امکان می‌دهد تا کنترل دقیق‌تری بر نحوه پردازش درخواست‌ها و تعامل با سرورهای بک‌اند داشته باشید. با استفاده از VCL می‌توانید رفتار Varnish را در مواجهه با درخواست‌های ورودی و خروجی سفارشی‌سازی کنید.

VCL به مدیران سرور و توسعه‌دهندگان این امکان را می‌دهد تا بر اساس نیاز پروژه، منطق کشینگ را شخصی‌سازی کرده و عملکرد وارنیش کش را بهینه کنند. از جمله مهم‌ترین وظایف VCL در کش وارنیش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• تعریف سیاست‌های کشینگ برای تعیین اینکه چه محتوایی باید در حافظه کش ذخیره شود و چه زمانی منقضی گردد.

• بازنویسی URLها و اعمال تغییرات لازم روی مسیرها به منظور بهینه‌سازی تجربه کاربری.

• مدیریت هدرهای HTTP جهت تنظیم اطلاعات ارسالی یا دریافتی بین کلاینت و سرور.

• تعیین نحوه تعامل با سرورهای بک‌اند (Back-End) مانند زمان اتصال، هندلینگ خطا یا تعریف fallback برای زمان‌هایی که سرور پاسخ نمی‌دهد.

• پیاده‌سازی مکانیزم Cache Invalidation برای حذف داده‌های منقضی‌شده و به‌روزرسانی محتوا.

• فشرده‌سازی محتوای پاسخ‌ها به منظور کاهش حجم انتقال داده و افزایش سرعت.

• نمایش صفحات خطای سفارشی در صورت بروز مشکلات در پاسخ‌دهی.

• ادغام با فناوری ESI (Edge Side Includes) برای بارگذاری بلوک‌های خاصی از صفحات از سرورهای مختلف.

در واقع، اگر بخواهید از کش وارنیش (Varnish Cache) بیشترین بهره‌وری را داشته باشید، آشنایی با VCL یک ضرورت محسوب می‌شود. این زبان پیکربندی قدرتمند، ابزار اصلی برای تبدیل Varnish به یک سیستم کشینگ دقیق و سفارشی‌سازی‌شده است.

وارنیش چگونه کار می‌کند؟

کش وارنیش (Varnish Cache) یک پروکسی معکوس قدرتمند است که با هدف بهینه‌سازی عملکرد وب‌سایت‌ها، در نقش یک واسط بین مرورگر کاربر (کلاینت) و سرور اصلی ظاهر می‌شود. این ابزار کشینگ با ذخیره موقت فایل‌ها در حافظه RAM، زمان پاسخ‌دهی سرور را کاهش داده و باعث افزایش سرعت بارگذاری صفحات وب می‌شود.

وارنیش به عنوان یک پروکسی معکوس، تمامی درخواست‌های HTTP را قبل از آنکه به سرور اصلی برسند، رهگیری می‌کند. اگر محتوای مورد نظر کاربر قبلاً در حافظه کش وارنیش ذخیره شده باشد، آن را مستقیماً به مرورگر ارسال می‌کند؛ در غیر این صورت، درخواست به سمت سرور اصلی (مانند Apache یا Nginx) ارسال شده و پس از دریافت پاسخ، فایل‌ها را هم به کاربر تحویل می‌دهد و هم در حافظه خود ذخیره می‌کند تا برای درخواست‌های بعدی آماده باشد.

نحوه نصب و پیکربندی وارنیش

برای استفاده از وارنیش کش، ابتدا باید این نرم‌افزار را از طریق سایت رسمی یا با استفاده از ابزارهای مدیریت پکیج لینوکس مانند apt یا yum دانلود و روی سرور نصب کنید. پس از نصب نیز می‌توانید تنظیمات Varnish را با توجه به منابع سرور و نیازهای پروژه خود پیکربندی کرده و آن را برای کشینگ مؤثر آماده سازید.

مراحل عملکرد کش وارنیش (Varnish Cache)

۱. حالت Cache Hit (کش هیت)

در این حالت، فایل‌ها قبلاً در حافظه کش وارنیش ذخیره شده‌اند.

مرحله ۱: ارسال درخواست

کاربر URL وب‌سایت را در مرورگر وارد کرده و یک درخواست HTTP (معمولاً از نوع GET یا HEAD) ایجاد می‌شود.

مرحله ۲: پاسخ از کش

کش وارنیش (Varnish Cache) ابتدا حافظه کش خود را بررسی می‌کند. اگر فایل‌های مورد نظر موجود باشند، بدون مراجعه به سرور اصلی، پاسخ را به مرورگر ارسال می‌کند. این فرایند بسیار سریع‌تر از دریافت مستقیم از سرور است.

۲. حالت Cache Miss (کش میس)

در این حالت، محتوای مورد نظر هنوز در حافظه کش ذخیره نشده است.

مرحله ۱: ارسال درخواست

کاربر درخواستی به وب‌سایت ارسال می‌کند که هنوز در حافظه کش وجود ندارد.

مرحله ۲: ارسال درخواست به سرور اصلی

نرم‌افزار وارنیش متوجه می‌شود که محتوای مورد نیاز در کش موجود نیست، بنابراین درخواست را به سمت وب‌سرور ارسال می‌کند.

مرحله ۳: دریافت پاسخ از سرور

وب‌سرور پاسخ را تهیه کرده و به Varnish بازمی‌گرداند.

مرحله ۴: ذخیره در کش و ارسال به کلاینت

کش وارنیش فایل دریافتی را در حافظه ذخیره‌سازی خود (storage backend) ذخیره کرده و سپس آن را برای مرورگر کاربر ارسال می‌کند.

مهم‌ترین ماژول‌های کش وارنیش (Varnish Cache)

وارنیش کش به عنوان یکی از قدرتمندترین ابزارهای کشینگ، از ماژول‌های گوناگونی پشتیبانی می‌کند که به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند عملکرد سیستم کشینگ را به شکلی دقیق‌تر و منعطف‌تر کنترل کنند. این ماژول‌ها به شکل افزونه‌هایی طراحی شده‌اند که از طریق زبان VCL (Varnish Configuration Language) قابل استفاده هستند. در ادامه با مهم‌ترین ماژول‌های Varnish Cache آشنا می‌شویم:

1. geoip_vmod

این ماژول امکان اجرای وظایف مرتبط با کشینگ را براساس موقعیت مکانی کاربر فراهم می‌کند. برای مثال، می‌توانید محتوای خاصی را تنها به کاربران یک کشور خاص نمایش دهید.

2. header_vmod

اگر نیاز دارید هدرهای HTTP را پیش از ارسال به کلاینت‌ها دستکاری یا اصلاح کنید، این ماژول گزینه مناسبی است. از این ماژول می‌توان برای اعمال سیاست‌های امنیتی یا بهینه‌سازی هدرها استفاده کرد.

3. vmod_basicauth

با این ماژول می‌توانید در کش وارنیش مکانیزم احراز هویت پایه‌ای (Basic Authentication) را پیاده‌سازی کنید. کاربرد اصلی آن در حفاظت از محتواهای خاص با استفاده از نام کاربری و رمز عبور است.

4. vmod_var

این ماژول امکان تعریف و استفاده از متغیرهای سفارشی‌سازی‌شده را در زبان VCL فراهم می‌کند. پشتیبانی از انواع داده‌ای مانند رشته‌ها، آدرس‌های IP و اعداد از جمله مزایای آن است.

5. vmod_vsthrottle

برای جلوگیری از حملات با نرخ بالا (Rate Limiting) یا مدیریت ترافیک کاربران، می‌توانید از این ماژول استفاده کنید. این ابزار برای اعمال محدودیت دسترسی بر اساس آدرس IP بسیار مفید است.

6. vmod_dbrw

اگر نیاز دارید عملیات بازنویسی URLها را براساس داده‌های موجود در پایگاه‌داده انجام دهید، این ماژول می‌تواند به خوبی پاسخگوی نیاز شما باشد. این ویژگی در سایت‌هایی با URLهای داینامیک بسیار کاربردی است.

7. vmod_modsecurity

با استفاده از این ماژول می‌توان فایروال وب‌اپلیکیشن ModSecurity را با کش وارنیش ادغام کرد. این ترکیب می‌تواند حفاظت مضاعفی در برابر حملاتی مانند XSS و DDoS فراهم کند.

8. vmod_redis

اگر بخواهید از قابلیت‌های Redis در کنار Varnish بهره ببرید، این ماژول پل ارتباطی بین این دو سیستم کشینگ را ایجاد می‌کند. ادغام Redis با Varnish می‌تواند کارایی سیستم‌های پیچیده را افزایش دهد.

مزایای کش وارنیش (Varnish Cache)

نرم‌افزار Varnish Cache یکی از محبوب‌ترین ابزارهای کشینگ در دنیای وب است که مزایای متعددی برای مدیران سرور و توسعه‌دهندگان وب به همراه دارد. مهم‌ترین مزایای استفاده از کش وارنیش عبارتند از:

• کاهش مصرف منابع سرور مانند پهنای‌باند، پردازنده و حافظه، از طریق پاسخ‌گویی مستقیم به درخواست‌های پرتکرار از حافظه کش.

• کاهش هزینه‌های زیرساختی و بهینه‌سازی عملکرد سرورها، به‌ویژه در زمان ترافیک‌های سنگین.

• پشتیبانی از زبان پیکربندی VCL و ماژول‌های متنوع که امکان شخصی‌سازی بسیار بالا را فراهم می‌کند.

• بهبود سرعت بارگذاری صفحات وب و کاهش چشم‌گیر تأخیر (Latency) در نمایش محتوا برای کاربران نهایی.

• مقیاس‌پذیری بالا و امکان تنظیمات دقیق برای انواع وب‌سایت‌ها و اپلیکیشن‌ها.

• پشتیبانی از HTTP/2، فشرده‌سازی محتوا، و قابلیت‌های پیشرفته‌ای مانند ESI (Edge Side Includes) برای کش کردن مؤلفه‌های مجزا.

• پشتیبانی از لود بالانسینگ (Load Balancing) به منظور توزیع ترافیک بین چندین سرور.

• متن‌باز و رایگان بودن، که باعث دسترسی گسترده‌تر و جامعه توسعه‌دهندگان فعال می‌شود.

• مانیتورینگ سلامت سرورها و گزارش‌گیری دقیق از عملکرد کش.

• بهبود رتبه وب‌سایت در نتایج موتورهای جستجو (SERPs) به دلیل افزایش سرعت بارگذاری صفحات.

معایب کش وارنیش (Varnish Cache)

با وجود مزایای فراوان، کش وارنیش نیز مانند هر فناوری دیگری، محدودیت‌ها و چالش‌هایی دارد که آگاهی از آن‌ها می‌تواند در انتخاب صحیح این ابزار مؤثر باشد:

• عملکرد محدود در کشینگ محتوای دینامیک که به‌طور مداوم در حال تغییر هستند.

• عدم پشتیبانی از پروتکل HTTP/3 و درخواست‌های POST به‌صورت پیش‌فرض.

• نبود قابلیت به‌روزرسانی در لحظه (Real-time) برای داده‌های تغییر یافته.

• عدم پشتیبانی بومی از SSL/TLS، به این معنا که باید در کنار Nginx یا HAProxy استفاده شود.

• پیچیدگی در پیکربندی VCL، که ممکن است برای افراد تازه‌کار دشوار باشد.

• سازگاری ضعیف با ویندوز، چرا که وارنیش عمدتاً برای سرورهای مبتنی بر لینوکس و یونیکس توسعه یافته است.

کش وارنیش برای چه نوع وب‌سایت‌هایی مناسب است؟

Varnish Cache بهترین عملکرد خود را در وب‌سایت‌هایی ارائه می‌دهد که ترافیک بالا و محتوای نسبتاً ثابتی دارند. نمونه‌هایی از این وب‌سایت‌ها عبارتند از:

• سرویس‌های پخش ویدئویی مانند نتفلیکس یا پلتفرم‌های مشابه.

• وب‌سایت‌هایی با حجم بالایی از محتوای استاتیک (تصاویر، فایل‌های CSS و JS، PDF و …).

• وب‌سایت‌های پرترافیک مانند فروشگاه‌های اینترنتی بزرگ، سایت‌های خبری، پلتفرم‌های آموزشی و اپلیکیشن‌های سازمانی.

سؤالات متداول

منابع: Varnish-software ، Makeuseof و Section