从通信原理角度看待缓存机制

分层视角：缓存如何在通信栈中运作

1. 应用层缓存

场景：HTTP 缓存 (浏览器/CDN/反向代理)

原理：浏览器根据 Cache-Control (如 max-age=3600) 将静态资源（JS/CSS/图片）存储在本地；CDN 节点缓存热资源，用户请求命中边缘节点而非源站。

通信优化：减少 80%+ 的重复 HTTP 请求（YSlow 数据）；降低 RTT（Round-Trip Time）延迟，从 200ms（跨省）→ 10ms（本地节点）

2. 传输层缓存

场景：TCP 快速重传/滑动窗口

原理：维护发送缓冲区，存储已发送未确认的数据包；存储乱序到达的数据包，等待重组（如 TCP Reassembly）。

通信优化：避免重复传输丢失包（通过 ACK + 冗余确认触发快速重传）；滑动窗口机制允许持续发送多包，无需等待单包确认。

3. 网络层缓存

场景：路由器转发缓存（FIB/RIB）

原理：存储频繁使用的路由条目（如最长前缀匹配表）；本地网络 IP-MAC 地址映射（如 192.168.1.1 → 00:11:22:33:44:55）。

通信优化：减少路由查找时间（硬件转发表 TCAM 加速）；避免重复 ARP 广播请求。

4. 数据链路层缓存

场景：交换机 MAC 地址表

原理：交换机学习源 MAC 地址与端口的映射，缓存到 CAM 表。

通信优化：目标 MAC 已知时无需广播（单播转发），降低冲突域压力。

缓存带来的通信挑战

1. 一致性问题

场景：用户 A 更新数据，用户 B 从缓存读取旧值。

解决方案：缓存键含数据版本号（如 data_v2）；Raft/Paxos 协调多节点缓存失效。

2. 缓存穿透/击穿/雪崩

穿透-查询不存在的数据（绕过缓存）-布隆过滤器拦截非法 Key

击穿-热点Key失效瞬间高并发击垮后端互斥锁重建缓存

雪崩-大量缓存同时过期-随机化 TTL + 熔断降级

3. 安全风险

侧信道攻击：通过缓存访问时间差推断敏感信息（如网站用户存在性检测）。

防御：常量时间访问设计 + 缓存分区隔离。

缓存设计的通信学原则

局部性原理：最近访问的数据很可能再次访问（LRU 算法）；相邻地址数据可能被连续访问（预取机制）；Belady's OPT（淘汰最远未来使用的数据）；LRU（最近最少使用）、LFU（最不常用）或其变种（如 ARC）。