ممکشد (Memcached) چیست و چرا باید از آن استفاده کنیم؟

افزایش سرعت بارگذاری صفحات وب یکی از مهم‌ترین دغدغه‌های دارندگان وب‌سایت‌ها و کسب‌وکارهای آنلاین می‌باشد زیرا کندی وب‌سایت‌ها می‌تواند تأثیری منفی بر رضایت کاربران و مشتریان و در نتیجه میزان درآمد و اعتبار آن‌ها بگذارد. در این مقاله می‌خواهیم راجع به سیستم کشینگ محبوب و چند منظوره ممکشد (MemCached) صحبت کنیم. ممشکد نرم‌افزاری است که با ذخیره‌سازی موقت داده‌ها و اشیاء (آبجکت‌ها) در حافظه خود می‌تواند سرعت بارگذاری صفحات وب‌سایت شما را تا حد زیادی افزایش دهد.

ممکشد چیست؟

ممکشد سیستم کشینگ رایگان و متن‌بازوقتی می‌گویند برنامه‌ و یا سیستم‌عاملی متن‌باز است، این یعنی کاربران آن می‌توانند به دلخواه کدهای منبعش را تغییر داده و هر تعداد کپی‌ که می‌خواهند از آن تهیه کنند. است که در سال ۲۰۰۳ توسط Brad Fitzpatrick ایجاد شد و می‌تواند تقریبا هر نوعی داده‌ای را به صورت موقت در حافظه پنهان خود ذخیره کند. بنابراین وقتی کاربری برای بار اول از صفحه‌ وبی بازدید می‌کند، ممکشد فورا وارد عمل شده و داده‌های آن را در حافظه RAM نوعی حافظه کامپیوتری است که معمولا بر روی مادربرد قرار می‌گیرد و وظیفه آن ذخیره‌سازی موقت داده‌هایی است که پردازنده برای اجرای برنامه‌ها و سایر وظایف خود به آن نیاز دارد. ذخیره می‌کند و در نتیجه دیگر نیاز نیست مرورگر هر بار برای بارگذاری داده‌‌ها صفحه وب مذکور با پایگاه‌‌داده‌ ارتباط قرار کند که این امر باعث کاهش لتنسییا latency به مدت زمانی می‌گویند که یک بسته داده میان دو نقطه از یک شبکه ردوبدل می‌شود. و فشار وارده به سرورها و پایگاه‌های داده و در نهایت بهبود عملکرد وب‌سایت می‌شود. امروزه بسیاری از وب‌سایت‌ها و همچنین شرکت‌های معروفی مانند فیسبوک، یوتوب، وردپرس، گیت‌هابپلتفرم آنلاینی است که توسعه‌دهندگان از آن برای کنترل ورژن، ذخیره‌سازی و مدیریت کدها و مشارکت در پروژه‌های برنامه‌نویسی استفاده می‌کنند. از ممکشد استفاده می‌کنند و Memcached 1.6.21 نیز آخرین نسخه آن تا لحظه نگارش این مقاله است که در تاریخ ۱۶ ژوئن ۲۰۲۳ روانه بازار شد. البته ممکشد تنها ابزار کشینگ موجود در بازار نبوده و دارندگان وب‌سایت‌ها می‌توانند از نرم‌افزارهای قدرتمند دیگری مانند وارنیش نیز استفاده کنند.

توجه: ممکشد به طور خاص برای ذخیره‌ سازی داده‌ها و اشیاء طراحی شده است و نه فایل‌ها.

نرم‌افزار ممکشد را می‌توان مانند انباری پر از مواد غذایی مانند روغن، برنج و … (داده‌ها و اشیاء) در نظر گرفت که در آن فرد (کلاینت) برای مصرف آن‌ها دیگر نیازی نیست هر بار به سوپرمارکت (پایگاه‌داده) مراجعه کند زیرا از قبل همه چیز در انبار (ممکشد) موجود است و تنها در صورت اتمام اقلام مورد نیاز باید به فروشگاه مواد غذایی (به‌روزرسانی داده‌ها) برود. ممکشد به طور خاص برای افزایش سرعت تحویل محتوای دینامیکصفحاتی هستند که محتوای آنها به‌طور مدام تغییر می‌کند. مانند صفحات مرتبط با پیش‌بینی آب‌وهوا، قیمت رمزارزها و... ایجاد شده است و در نتیجه بیشتر مناسب وب‌سایت‌هایی است که محتوای آن‌ها دائما تغییر می‌کند. دارندگان وب‌سایت می‌توانند نرم‌افزار ممکشد را به آسانی بر روی سرویس‌های میزبانی مختلفی مانند سرورهای اختصاصی، هاست‌های اشتراکی و ابری، سرورهای مجازی، سرورهای مبتنی بر لینوکس‌ و ویندوز و … نصب کنند. البته کاربران هاست‌های اشتراکی به خاطر کنترل پائینی که بر روی هاست خود دارند ممکن است در نصب و پیکربندی ممکشد دچار مشکل شوند. علاوه‌براین ممکن است برخی از شرکت‌های ارائه‌دهنده خدمات میزبانی به‌کل از ممکشد پشتیبانی نکنند.

ممکشد چگونه کار می‌کند؟

دیتابیس‌ها، داده‌ها را بر روی هارد دیسک‌ها و یا SSDها ذخیره می‌کنند اما ممکشد بر خلاف دیتابیس‌ها داده‌ها را بر روی حافظه RAM خود نگه می‌دارد که این موضوع باعث می‌شود تا کاربران در مدت زمان بسیار کمتری به محتوای درخواستی خود دسترسی داشته پیدا کنند. ممکشد همچنین ماهیتی توزیعی (Distributed Cache) دارد و این یعنی می‌تواند داده‌های وب‌سایت‌ها را در سرورهای مختلفی ذخیره کند و در صورت نیاز نیز تعداد سرورها را کاهش و یا افزایش دهد. وقتی داده‌‌ها قدیمی می‌شوند، ممکشد فورا آن‌‌ها را حذف کرده و با هدف ارائه‌ محتوای جدید به کاربران، داده‌های جدیدی را جایگزین آن‌ها می‌کند. علاوه‌براین، ممکشد این امکان را به شما می‌دهد تا با دستورات مختلفی مانند GET،SET ،ADD و … با داده‌‌ها تعامل داشته باشید.

نرم‌افزار ممکشد را می‌توان بر روی یک سرور و یا به صورت توزیعی در خوشه‌ای از سرورها (Server Cluster) نصب کرد. به هر سرور همچنین فضایی اختصاص داده می‌شود که برای ذخیره‌سازی کلید‌هاشناسه‌های رشته‌ای هستند که سیستم‌های کشینگ از آن‌ها برای دریافت و ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده می‌کند. و مقادیردر برنامه‌نویسی، مقدار یا Value به داده و یا اطلاعاتی می‌گویند که به یک متغیر اختصاص داده می‌شود. مقادیر می‌توانند عدد، رشته و ... باشند. جفت مرتبط با داده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و هر جفت کلید-مقدار (Key-Value Pair) نیز دارای یک TTL مشخص است. هشینگ مبتنی بر کلاینتکلاینت، برنامه یا سیستمی است که برای دریافت خدمات موردنظر خود، درخواستی را به سمت سرور مربوطه ارسال می‌کند.، الگوریتم LRU و نرم‌افزار سرور و نرم‌افزار کلاینت ۴ مؤلفه اصلی ممکشد هستند. قابلیت هشینگهشینگ یا Hashing تکنیکی است که در آن با استفاده تابع هش می‌توان داده‌ها را به رشته‌هایی با طول مشخص تبدیل کرد. (Hashing) مشخص می‌کند که کلاینت‌ها باید با کدام یک از سرورها ارتباط برقرار کنند. الگوریتم LRU یا Least Recently Used (اخیرا کمتر استفاده شده)، نیز الگوریتمی است که در صورت پر بودن حافظه کش، داده‌هایی که برای مدت زمان طولانی استفاده نشده‌اند را حذف می‌کند.

در مجموع دو حالت در رابطه با کشینگ هر نوع داده‌ای وجود دارد:

کش هیت:

در حالت کش هیت، محتوای مورد نیاز کاربر در حافظه پنهان نرم‌افزار کشینگ موجود است و ممکشد پس از دریافت درخواست در مدت زمان بسیاری کمی آن را به سمت کلاینت کاربر ارسال می‌کند.

کش میس:

در حالت کش میس نیز محتوای درخواستی در حافظه پنهان موجود نبوده و در نتیجه نرم‌افزار کشینگ داده‌ها را از سرورهای سمت بک‌اندبک‌اند (Back-End) اشاره به قسمتی از کدهای یک برنامه، وب‌سایت یا اپلیکیشن دارد که در سمت سرور قرار داشته و کاربران نمی‌توانند محتوای آن را مشاهده کنند. بک‌اند همچنین جایی است که داده‌ها در آن ذخیره و پردازش می‌شوند. دریافت و آن‌ها را تحویل کاربر دهد. در حالت دیگر کلاینت به صورت مستقیم داده‌ها را از سرور دریافت کرده و برای استفاده در آینده در نرم‌افزار کشینگ ذخیره می‌کند.

دارندگان وب‌سایت برای استفاده از ممکشد باید در ابتدا از طریق وب‌سایت رسمی ممکشد و یا با استفاده از ابزارهای مدیریت پکیج لینوکس (aptapt (مخفف Advanced Package Tool) ابزار مدیریت پکیج در سیستم‌عامل‌های مبتنی بر دبیان (اوبونتو و ...) است.، yumyum (مخفف Yellowdog Updater Modified) نوعی ابزار مدیریت پکیج در سیستم‌عامل مبتنی بر رد‌هت (فدورا و ...) است.، Brew‌Brew‌ یا Homebrew نوعی مدیریت پکیج در سیستم‌عامل‌های مک‌اواس و لینوکس است. و …) آن را دانلود و بر روی سرور خود نصب کرده و سپس با توجه به نیازهای وب‌سایت خود ممکشد را پیکربندی و فعال کنند.

مراحل کار ممکشد

حالت ذخیره‌سازی داده‌ها

۱. ارسال درخواست به ممکشد

کلاینت به منظور ذخیره‌سازی داده‌های مورد نظر خود، آن‌ها را همراه با دستور Set به سمت سرور ممکشد ارسال می‌کند. هر دستور Set حاوی یک کلید، مقدار و در مواقعی یکسری پارامتر اضافی می‌باشد.

۲. ذخیره‌سازی داده‌ها

سرور ممکشد داده‌ها را به همراه کلید و سایر موارد ارائه شده در حافظه RAM خود ذخیره می‌کند.

حالت دریافت داده‌ها

کش هیت:

۱. ارسال درخواست به ممکشد

در این حالت کلاینت برای دریافت داده‌ها، دستور Get را به همراه کلید مربوطه به سمت سرور ممکشد می‌فرستد.

۲. دریافت داده‌ها

سرور ممکشد کلید دریافتی را با کلید موجود در حافظه خود انطباق داده و اگر داده‌ها (همان مقادیر) منقضی نشده باشند، آن‌ها را به سمت کلاینت می‌فرستد و دیگر نیازی نیست کلاینت با پایگاه‌داده ارتباط برقرار کند.

کش میس:

۱. ارسال درخواست به ممکشد

کلاینت به منظور دریافت داده‌های مورد نیاز خود، دستور Get را به همراه کلید مربوطه به سمت سرور ممکشد ارسال می‌کند.

۲. دریافت داده‌ها از منبع اصلی

در حالت کش‌میس داده‌ها موجود نیستند و کلاینت باید آن‌ها را به صورت مستقیم از منبع اصلی (سرور، پایگاه‌داده و …) دریافت و برای استفاده در آینده در حافظه ممکشد ذخیره کند.

ممکشد چه کاربردهایی دارد؟

• ذخیره‌سازی داده‌های سشن‌ها و وب‌سایت‌ها
• کشینگ داده‌های مرتبط با بازی‌های آنلاین
• کشینگ پاسخ‌های APIAPI مخفف عبارت Application Programming Interface (رابط برنامه‌نویسی اپلیکیشن) است و به مجموعه‌ای از قوانین و پروتکل‌هایی گفته‌ می‌شود که برای ایجاد و یکپارچه‌سازی اپلکیشن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. اپلکیشن‌ها همچنین با کمک APIها می‌توانند باهم ارتباط برقرار کنند.
• کشینک تمام‌ صفحهکشینگ تمام صفحه (Full Page caching) تکنیک کشینگی است که در آن تمام خروجی HTML یک صفحه وب در حافظه کش ذخیره می‌شود.

چرا باید از ممکشد استفاده کنیم؟

وب‌سایت‌ها و اپلیکیشن‌های زیادی از سیستم کشینگ Memcached استفاده می‌کنند. مهمترین دلایل استفاده از ممکشد عبارتند از:

• پشتیبانی از فریم‌ورک‌ها و زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف
• سازگاری با CMSهای مختلف مانند وردپرس و دروپال
• رایگان و متن‌باز بودن
• افزایش سرعت بارگذاری صفحات وب
• دارای معماری چند رشته‌ای
• سازگاری بالا با محتواهای دینامیک
• افزایش سرعت ارسال کوئری‌هاکوئری‌ها درخواست‌هایی هستند که کاربران برای دریافت داده‌ها یا اطلاعات خاصی به پایگاه‌‌های داده ارسال می‌کنند.
• کاهش فشار وارده بر سرورها و دیتابیس‌ها
• دارای جوامع کاربری فعال
• داشتن معماری توزیعی
• نصب و استفاده آسان
• افزایش توان عملیاتیتوان عملیاتی یا Throughput به مقدار داده‌ای می‌گویند که می‌تواند به شکلی موفقیت‌آمیز در یک بازه زمانی مشخص منتقل شود. اگر پهنای‌باند شبکه‌ای ۱۰ مگابیت‌برثانیه و توان عملیاتی آن ۵ مگابیت‌برثانیه باشد، این یعنی توان عملیاتی شبکه ۵۰٪ است.
• API ساده

معایب ممکشد کدامند؟

• پاک شدن داده‌ها در صورت راه‌اندازی مجدد ممکشد
• عدم پشتیبانی از الگوریتم‌های هشینگ مختلف
• نبود قابلیت Cache Invalidation پیشرفته
• فاقد قابلیت‌های رمزنگاری و احراز هویتبه فرآیند تائید هویت کاربران قبل از ورود آن‌ها به یک سیستم یا شبکه محافظت شده می‌گویند. احراز هویت دو عاملی و چندعاملی از مهم‌ترین تکنیک‌های احراز هویت هستند.
• فاقد قابلیت تکثیر داده‌‌های تکثیر داده‌ها یا Replication به معنای ایجاد و تکثیر داده‌ها میان سرورهای مختلف می‌باشد که این امر باعث بهبود دسترسی کاربران به داده‌ها می‌شود. خودکار
• عدم نگهداری طولانی مدت داده‌ها
• نا مناسب برای ذخیره‌سازی داده‌های بزرگ
• فاقد قابلیت‌های پیشرفته

ویژگی‌ها و امکانات کلیدی ممکشد کدامند؟

• ذخیره‌سازی جفت‌های کلید-مقدار
• تکنیک هشینگ Consistentنوعی الگوریتم هشینگ در سیستم‌های توزیعی می‌باشد که در آن داده‌ها و کلیدها به صورت یکنواخت میان مجموعه‌ای از دستگاه‌ها توزیع می‌شوند.
• ویژگی Cache Invalidation
• الگوریتم LRU
• کشینگ In-Memoryنوعی روش کشینگ است که در آن داده‌ها و فایل‌ها به صورت مستقیم در حافظه RAM ذخیره می‌شوند که این عمل باعث افزایش سرعت انتقال محتوای اینترنتی می‌شود.
• فشرده‌سازی داده‌ها
• معماری توزیعی

نکاتی که باید در هنگام استفاده از ممکشد رعایت کنید

• به منظور بهبود سرعت وب‌سایت خود به صورت منظم عملکرد ممکشد را مورد بررسی قرار دهید.
• مشخص کنید که ممکشد را می‌خواهید بر روی یک سرور و یا خوشه‌ای از سرورها اجرا کنید.
• از کش کردن داده‌ها و اشیای حجیمی که به ندرت استفاده می‌شوند، خودداری کنید.
• به منظور جلوگیری از منقضی شدن فوری داده‌ها، یک TTLبه مدت زمانی گفته می‌شود که یک فایل می‌تواند در حافظه کش باقی بماند. پس از آن یا حذف شده و یا فایلی جدید جایگزین آن می‌شود. منطقی مشخص کنید.
• در صورت داشتن داده‌های حساس از ابزارها و پروتکل‌های امنیتی استفاده کنید.
• تنها در صورت داشتن نیاز از ممکشد یا هر ابزار کشینگ دیگری استفاده کنید.
• ممکشد از داده‌های شما نسخه پشتیبان تهیه نمی‌کند.
• ممکشد بیشتر مناسب ذخیره‌سازی داده‌ها می‌باشد.
• از ایجاد کلیدهای طولانی و پیچیده خودداری کنید.
• یک پلن Cache Invalidation مناسب تهیه کنید.

ممکشد مناسب چه نوع وب‌سایت‌هایی است؟

• وب‌سایت‌های با تعداد محتوای دینامیک بالا
• وب‌سایت‌های خبری و فروشگاهی
• سرویس‌های پخش ویدئویی
• وب‌سایت‌های پرترافیک
• فروم‌هافروم‌ها (Forums) پلتفرم‌‌هایی آنلاینی هستند که کاربران از آن‌ها برای بحث‌ و گفتگو، به اشتراک‌گذاری ایده‌ها و نظرات و مطرح کردن سؤالات خود استفاده می‌کنند. و جوامع کاربری
• وب‌سایت‌های بازی

چه نوع وب‌سایت‌هایی نباید از ممکشد استفاده کنند؟

وب‌سایت‌های با حافظه RAM محدود، داده‌های حساس، حجم ترافیک کم و محتوای استاتیکمحتوایی است که بدون نیاز به تغییر و یا پردازش به مرورگرها ارسال می‌شوند. مانند عکس، لوگو، متون ثابت، فایل‌های PDF قابل دانلود و غیره. بالا نباید از Memcached استفاده کنند.

ممکشد چه نوع داده‌هایی را ذخیره می‌کند؟

ممکشد می‌تواند متون‌ رمزنگاری‌نشده، اشیاء (Objects)، داده‌های مرتبط با سشن‌ها، پاسخ‌های API، کوئری‌های پایگاه‌های داده، مقادیر عددی، فرگمنت‌های HTML، داده‌های مرتبط با پیکربندی و … را در حافظه خود ذخیره کند.

بهترین جایگزین‌های ممکشد کدامند؟

ردیس، وارنیش، ElastiCache، Nginx و Ehcache از مهم‌ترین جایگزین‌های ممکشد هستند. البته توجه داشته باشید که هر ابزار کشینگی با هدف خاصی طراحی شده است و بنابراین قبل از انتخاب باید با دقت تمام ویژگی‌های آن‌ را مورد بررسی قرار دهید.

سؤالات متداول

منابع: Dragonflydb ،Educba و Wp-rocket