分層視角：緩存如何在通信棧中運作

1. 應用層緩存

場景：HTTP 緩存 (瀏覽器/CDN/反向代理)

原理：瀏覽器根據(jù) Cache-Control (如 max-age=3600) 將靜態(tài)資源（JS/CSS/圖片）存儲在本地；CDN 節(jié)點緩存熱資源，用戶請求命中邊緣節(jié)點而非源站。

通信優(yōu)化：減少 80%+ 的重復 HTTP 請求（YSlow 數(shù)據(jù)）；降低 RTT（Round-Trip Time）延遲，從 200ms（跨省）→ 10ms（本地節(jié)點）

2. 傳輸層緩存

場景：TCP 快速重傳/滑動窗口

原理：維護發(fā)送緩沖區(qū)，存儲已發(fā)送未確認的數(shù)據(jù)包；存儲亂序到達的數(shù)據(jù)包，等待重組（如 TCP Reassembly）。

通信優(yōu)化：避免重復傳輸丟失包（通過 ACK + 冗余確認觸發(fā)快速重傳）；滑動窗口機制允許持續(xù)發(fā)送多包，無需等待單包確認。

3. 網絡層緩存

場景：路由器轉發(fā)緩存（FIB/RIB）

原理：存儲頻繁使用的路由條目（如最長前綴匹配表）；本地網絡 IP-MAC 地址映射（如 192.168.1.1 → 00:11:22:33:44:55）。

通信優(yōu)化：減少路由查找時間（硬件轉發(fā)表 TCAM 加速）；避免重復 ARP 廣播請求。

4. 數(shù)據(jù)鏈路層緩存

場景：交換機 MAC 地址表

原理：交換機學習源 MAC 地址與端口的映射，緩存到 CAM 表。

通信優(yōu)化：目標 MAC 已知時無需廣播（單播轉發(fā)），降低沖突域壓力。

緩存帶來的通信挑戰(zhàn)

1. 一致性問題

場景：用戶 A 更新數(shù)據(jù)，用戶 B 從緩存讀取舊值。

解決方案：緩存鍵含數(shù)據(jù)版本號（如 data_v2）；Raft/Paxos 協(xié)調多節(jié)點緩存失效。

2. 緩存穿透/擊穿/雪崩

穿透-查詢不存在的數(shù)據(jù)（繞過緩存）-布隆過濾器攔截非法 Key

擊穿-熱點Key失效瞬間高并發(fā)擊垮后端互斥鎖重建緩存

雪崩-大量緩存同時過期-隨機化 TTL + 熔斷降級

3. 安全風險

側信道攻擊：通過緩存訪問時間差推斷敏感信息（如網站用戶存在性檢測）。

防御：常量時間訪問設計 + 緩存分區(qū)隔離。

緩存設計的通信學原則

局部性原理：最近訪問的數(shù)據(jù)很可能再次訪問（LRU 算法）；相鄰地址數(shù)據(jù)可能被連續(xù)訪問（預取機制）；Belady's OPT（淘汰最遠未來使用的數(shù)據(jù)）；LRU（最近最少使用）、LFU（最不常用）或其變種（如 ARC）。