1 Einleitung. 1.1 Caching von Webanwendungen Clientseites Caching

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1 1.1 Caching von Webanwendungen In den vergangenen Jahren hat sich das Webumfeld sehr verändert. Nicht nur eine zunehmend größere Zahl an Benutzern sondern auch die Anforderungen in Bezug auf dynamischere Inhalte stellen die Betreiber und Entwickler von Webanwendungen vor immer neue und größere Herausforderungen. Es reicht zumeist nicht mehr aus Webauftritte in Form von statischen HTML-Dateien auf einem Webserver abzulegen und diese immer gleichen Inhalte an Benutzer auszuliefern. Benutzer erwarten immer mehr dynamische und aktuellere Inhalte, so ist des für Auftritte wie beispielsweise Nachrichtenportale erforderlich Inhalte ständig anzupassen und zu erweitern. Mit der zunehmenden Dynamisierung und dem gleichzeitigen Anstieg an verfügbaren Webauftritten erlangt auch die Thematik des Zwischenspeicherns (Caching) immer mehr Bedeutung. Dabei bringt ein Caching in erster Linie eine Steigerung der Performance mit sich, darüber hinaus ist aber auch die Ausfallsicherheit ein Aspekt. Das Caching im Webumfeld wird in zwei wesentlichen Bereichen unterschieden, dies ist zum einen das Caching auf der Seite des Clients und zum anderen das serverseitige Caching Clientseites Caching Das clientseitige Caching verfolgt den Ansatz, Inhalte einer Antwort auf der Seite des Anfragestellers (Client) zu speichern. Diese gespeicherten Inhalte werden bei einer erneuten Anfrage nicht durch den Client erneut durch die Webanwendung angefordert sondern aus dem Cache bezogen. Ein Beispiel für ein solches Caching ist der Browser-Cache, den jeder moderne Browser beinhaltet. Ein weiterer Ansatz für das Speichern von Inhalten auf der Seite des Anfragestellers ist der Einsatz eines Proxy-Servers. Dieser speichert ebenfalls Inhalte von Antworten und liefert diese aus, ohne den eigentlichen Adressaten (die Webanwendung) erneut nach einer Antwort zu befragen. Entwickler von Webanwendungen haben auf das clientseitige Caching nur wenig 1

2 Einflussmöglichkeiten 1. Oftmals werden auch die verfügbaren Einflussmöglichkeiten durch die jeweiligen Clients nicht komplett oder fehlerhaft implementiert Serverseitiges Caching Das serverseitige Caching ist für dynamische Webanwendungen von enormer Bedeutung. Das Standardverhalten einer Webanwendung sieht vor jede Anfrage individuell zu verarbeiten, die gewünschten Inhalte zu erzeugen bzw. aufzubereiten und an den Anfragesteller (Client) zu übermitteln. Viele dieser Inhalte sind aber nicht benutzerspezifisch, das bedeutet, dass die Webanwendung die immer gleichen Inhalte für verschiedene Benutzer zusammenstellt (siehe Abbildung 1.1). Abbildung 1.1: Anfragen an ein System ohne Cache Dieses Verhalten führt bei Systemen mit hoher Auslastung oder geringer Leistung des Servers schnell dazu, dass Anfragen nicht oder nur langsam bearbeitet werden können. Um dieses Problem zu lösen werden auch serverseitig Caches eingesetzt, diese werden entweder von der Anwendung (oder dem verwendeten Content Management System) implementiert oder es kommen so genannte Reverse-Proxy Server zum Einsatz. Im Gegensatz zu clientseitigen Caches haben die Entwickler und Betreiber von Webanwendungen hier sehr viele Einflussmöglichkeiten und gleichzeitig eine hohe Verantwortung. Durch den korrekten Einsatz einer passenden Caching-Strategie kann die Performance einer Anwendung massiv erhöht werden. 1 Cache-Control Elemente im HTML-Header (http://www.w3.org/protocols/rfc2616/rfc2616- sec14.html#sec14.9) 2

3 1.1.3 Implementierung durch die Anwendung oder das CMS Die Implementierung eines Caches für eine Anwendung ist keine triviale Aufgabe und erfordert sehr viele Anpassungen. Für moderne dynamische Webanwendungen werden häufig so genannte Content Management Systeme 2 (CMS) eingesetzt. Viele dieser Systeme beinhalten schon eine Möglichkeit zum Caching von Inhalten. Die Vorteile einer Cache Implementierung durch die Anwendung oder das CMS bestehen im Wesentlichen in der Intelligenz mit dem Inhalte zusammengestellt werden können. So hat die jeweilige Anwendung zumeist genaue Informationen über die Aktualität der angeforderten Elemente und kann diese jeweils genau dann neu berechnen, wenn dies auch erforderlich ist. Abbildung 1.2: Implementierung des Cache durch das CMS Dennoch werden für diese Implementierungen von Caches immer Anfragen direkt an die Webanwendung gestellt und damit einhergehend auch immer eine Last auf dem System erzeugt. So muss die Implementierung des Caches nicht nur feststellen welche Inhalte aktuell sind oder neu berechnet werden müssen sondern ist auch für die Verwaltung der gespeicherten Inhalte und deren Auslieferung verantwortlich. Die Abbildung 1.2 veranschaulicht die Implementierung eines Caches durch das CMS bzw. die Anwendung. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Komplexität der Anwendung wesentlich durch die Implementierung eines Caches erhöht wird Reverse-Proxy Ein Reverse-Proxy verfolgt einen im Vergleich zu der Implementierung eines Caches durch die Anwendung einen anderen Ansatz. Im Gegensatz zu der Implementierung durch durch die Anwendung ist ein Reverse-Proxy vorgelagert und speichert dynamisch erzeugte Inhalte zwischen. Diese zwischengespeicherten (gecachten) Inhalte verweilen einen bestimmten Zeitraum im Cache und werden an verschiedene Benutzer die die gleichen Inhalte anfordern ausgeliefert. Erst nach Ablauf der eingestellten 2 Content Management System (vgl. 3

4 Zeitspanne werden die Elemente im Cache invalide und der Reverse-Proxy fordert eine neue Version des Inhalts bei der Webanwendung an (siehe Abbildung 1.3). Abbildung 1.3: Cacheing durch Reverse-Proxy Der Cache in einem Reverse Proxy beinhaltet also keine genauen Informationen über die Aktualität von Inhalten und ist nicht direkt mit der Webanwendung gekoppelt. Es treten also zwangsläufig Diskrepanzen in der Aktualität von an den Benutzer ausgelieferten und den eigentlichen Inhalten auf. 4

5 2 Ziele der Diplomarbeit Das Ziel der Diplomarbeit war es, ein System zu entwickeln, das die Vorzüge eines Content Management Systems mit der Performance eines hoch optimierten Caches verbindet. Dabei wurden zunächst theoretische Prinzipien und Techniken untersucht, um aus diesen dann ein in der Praxis einsetzbares System zu konstruieren. Am Ende des Prozesses stand nicht die Entwicklung einer fertigen Endanwendung, vielmehr wurde eine technologische Basis geschaffen, um einem Anwendungsentwickler die nötigen Werkzeuge bereit zu stellen, die für die Entwicklung einer hoch frequentierten Webanwendung notwendig sind. Oberste Prämisse war dabei die Verwendung von erprobten Standardsystemen, um eine maximale Effizienz und Stabilität des Gesamtsystems zu gewähren. Die bei der Analyse der theoretischen Prinzipien gewonnenen Erkenntnisse fließen also in die Weiterentwicklung eines Content Management Systems ein und ergänzen dieses. Durch den Einsatz von Standardlösungen lag der Fokus primär darauf, Schnittstellen zwischen den Systemen zu Entwickeln um die Kommunikation dieser zu ermöglichen. Es ist aufgezeigt worden, dass die Kopplung zweier Standardsysteme wesentlich von deren Funktionsweise abhängig ist. Die Schaffung einer Schnittstelle zum Datenaustausch ist dementsprechend nur einer der Faktoren, die eine Kommunikation zweier Systeme auszeichnet. Vielmehr erfordert die Kommunikation von Systemen weiterreichende Funktionalität als den schlichten Austausch von Informationen. Es ist erforderlich, beide Systeme so auf einander abzustimmen, dass sie sich optimal ergänzen. Dabei wurden verschiedene -praxiserprobte- Verfahren angewendet und implementiert um ein performantes und zuverlässiges Gesamtsystem zu schaffen. Dazu gehören: Schnittstelle auf Basis von HTTP Data Update Propagation Caching auf Basis von Fragmenten Einsatz eines Reverse-Proxies Frameworks wie Spring und Hibernate Am Ende des Gesamtprozesses steht also eine einsetzbare technologische Basis, mit deren Hilfe ein Anwendungsentwickler die Möglichkeit erhält eine Anwendung zu entwickeln, die sowohl Inhalte auf Basis eines Content Management Systems verwaltet, als auch eine geeignete und effiziente Strategie zum Caching beinhaltet. 5

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