Nginx 缓存策略与动静分离实践

CDN 前移与边缘缓存固然重要，源站 Nginx 的缓存与动静分离同样关键。本文给出缓存键、缓存层级与缓存失效策略。

1. CDN 的概念与原理

CDN（Content Delivery Network，内容分发网络）通过在全球各地部署边缘节点，将内容缓存并就近分发给用户，以缩短 RTT、降低回源压力和抖动。其核心机制包括：

路由调度：基于 Anycast、DNS 或 HTTP 重定向，将用户引导到就近/最优节点。
边缘缓存：边缘节点依据源站响应头（如 Cache-Control、Expires、ETag、Last-Modified、Vary、Surrogate-Control、s-maxage 等）决定存储与回源策略。
回源与验证：命中失败或过期后，边缘向源站回源；支持条件请求（If-None-Match/If-Modified-Since）。
失效与刷新：通过 API 触发 URL/PATH/Tag 维度的失效（Soft/Hard Purge），或自然到期。

实践上，合理设计缓存层级（浏览器 → CDN 边缘/中间层 → 源站 Nginx）与一致的缓存语义，是稳定与性能的关键。

2. 从 Nginx 反向代理角度：职责与作用

Nginx 作为源站或中间层反向代理，承担：

协议终止：TLS 终止、HTTP/2/HTTP/3（QUIC），HSTS、安全头治理。
流量治理：限流、熔断、重试、健康检查、连接复用（keepalive）、负载均衡（轮询/一致性哈希）。
路由与动静分离：路径/主机名路由，将静态交给文件系统/对象存储，动态交给应用上游。
缓存与加速：proxy_cache/fastcgi_cache/uwsgi_cache 微缓存，削峰填谷（use_stale/background_update）。
可观测性：接入/上游日志、$upstream_cache_status、自定义头（如 X-Cache-Status）。

3. Nginx 缓存原理与类型

Nginx 缓存本质是以“缓存键 → 缓存对象（响应头+体）”的 KV 存储，命中由“键一致 + 仍在有效期 + 可用状态”决定。

缓存类型：
- proxy_cache：反向代理上游（HTTP）
- fastcgi_cache：PHP/FPM 等 FastCGI 应用
- uwsgi_cache：uWSGI 协议上游
核心要素：
- 缓存键：常见构成为 scheme + method + host + uri + args + 关键头/变量，需谨慎纳入 Cookie/User-Agent/Accept-Language/Device 等差异维度，避免过度碎片化。
- 有效期：proxy_cache_valid（命中后 TTL），与上游头（Cache-Control/Expires）的关系可通过 proxy_ignore_headers、proxy_cache_revalidate on; 调整。
- 失效策略：自然过期、主动清理（ngx_cache_purge 或重新变更缓存键/版本位）。
- 抖动优化：proxy_cache_lock（合并并发 miss）、use_stale updating/error（错误/更新期间复用旧值）、proxy_cache_background_update（后台刷新）。

4. 缓存配置示例（微缓存 + 静态长缓存）

http {
  upstream api_upstream {
    server 127.0.0.1:8080;
    keepalive 64;
  }

  proxy_cache_path /var/cache/nginx levels=1:2 keys_zone=api_cache:256m inactive=1d max_size=20g use_temp_path=off;

  # 登录/写操作等绕过缓存
  map $http_cookie $bypass_cache_cookie { default 0; ~*(session|token|auth) 1; }
  map $request_method $bypass_cache_method { default 0; ~^(POST|PUT|PATCH|DELETE)$ 1; }
  map "$bypass_cache_cookie$bypass_cache_method" $bypass_cache { default 0; "10" 1; "01" 1; "11" 1; }

  # 可选：版本位，灰度/全量刷新时提升为新版本（与 CDN Tag/Key 搭配）
  # map $http_x_cache_version $cache_version { default "v1"; }

  server {
    listen 443 ssl http2;
    server_name www.example.com;

    # 与 CDN/前置代理配合的真实 IP 处理（将网段替换为实际 CDN 出口段）
    # set_real_ip_from 203.0.113.0/24; real_ip_header X-Forwarded-For; real_ip_recursive on;

    # API 微缓存：强削峰、弱一致（1s~3s 级别）
    location /api/ {
      proxy_pass http://api_upstream;
      proxy_set_header X-Forwarded-For $proxy_add_x_forwarded_for;
      proxy_set_header X-Forwarded-Proto $scheme;

      proxy_cache api_cache;
      proxy_cache_key "$scheme$request_method$host$request_uri"; # 可拼入 $cache_version 等变量
      proxy_cache_lock on;                 # 合并并发 miss，避免狗群效应
      proxy_cache_lock_timeout 5s;
      proxy_cache_background_update on;    # 后台刷新
      proxy_cache_use_stale error timeout invalid_header updating http_500 http_502 http_503 http_504;
      proxy_cache_valid 200 1s;            # 微缓存 TTL（示例）
      proxy_cache_valid 301 302 10m;
      proxy_cache_valid any 1m;            # 其他状态的保守缓存

      proxy_no_cache $bypass_cache;        # 条件下不写入缓存
      proxy_cache_bypass $bypass_cache;    # 条件下不读取缓存

      add_header X-Cache-Status $upstream_cache_status always;
    }

    # HTML：短 TTL + s-maxage 交给 CDN，浏览器不持久缓存
    location = /index.html {
      etag on; if_modified_since exact;
      expires -1;
      add_header Cache-Control "public, s-maxage=60, stale-while-revalidate=120, stale-if-error=86400" always;
      add_header Vary "Accept-Encoding, Accept-Language" always;
      try_files $uri /index.html;
    }
  }

  # 静态域（动静分离）：长缓存 + 指纹命名 + immutable
  server {
    listen 443 ssl http2;
    server_name static.example.com;
    root /var/www/static;

    location / { try_files $uri =404; }

    location ~* \.(?:css|js|woff2?|ttf|otf|eot|svg|png|jpg|jpeg|gif|ico)$ {
      access_log off;
      expires 1y;
      add_header Cache-Control "public, max-age=31536000, immutable" always;
    }
  }
}

5. 缓存删除与灰度刷新

源站侧：
- ngx_cache_purge：对指定 URL/key 做强制清理（需相应模块/规则）。
- 版本位切换：将 $cache_version/路径前缀/资源指纹切换到新版本，实现“旧缓存自然淘汰，新缓存即时生效”。
- use_stale updating + background_update：对热点内容采用平滑刷新。
CDN 侧：
- Tag/Key/路径维度的 API 失效（尽量 Soft Purge + stale-while-revalidate，避免缓存雪崩）。
- 对 HTML/聚合页先 Soft 后 Hard，控制潮汐效应。

6. CDN 与 Nginx 的协同（通信与对齐）

缓存语义：
- 浏览器用 max-age/immutable，CDN 用 s-maxage/Surrogate-Control，两者各司其职。
- 条件请求：启用 ETag/Last-Modified，允许 CDN 及 Nginx 复用 304 验证，减少字节回源。
- Vary 对齐：与实际差异维度一致，避免误合并或碎片化；慎用 Vary: Cookie（更推荐在 CDN 端剥离无关 Cookie）。
连接/身份：
- 透传链路：X-Forwarded-For、X-Forwarded-Proto，并在源站恢复真实 IP（set_real_ip_from）。
- 观测头：统一 X-Cache（CDN）、X-Origin-Cache（Nginx）等便于排障。
回源与削峰：
- CDN 打开 Collapsed Forwarding/Origin Shield；Nginx 打开 proxy_cache_lock/use_stale，双层合并并发 miss。

7. 动静分离最佳实践

域名分离：www.example.com（动态/HTML 短缓存）与 static.example.com（静态资源长缓存）分域，便于策略与权限隔离。
指纹命名：静态资产使用内容哈希（如 app.<hash>.js），配合 Cache-Control: immutable 与 1 年 TTL。
HTML/接口：
- HTML 由 CDN 短 TTL + stale-while-revalidate，源站可微缓存 1s~3s 抗尖峰。
- API GET 可微缓存；写操作/登录态通过 Cookie/Method 映射绕过缓存。
资源下沉：将图片/视频等大文件迁移至对象存储 + CDN 边缘，Nginx 只做签名鉴权与 302 跳转（或代理带范围请求）。
压缩与协议：开启 brotli/gzip（二选一优先 brotli），启用 HTTP/2/3，合理的 TLS 会话复用与 OCSP Stapling。

8. 注意事项（坑点清单）

语义不一致：源站与 CDN 的 Cache-Control 冲突，导致双层缓存不可控；确保 s-maxage 与 max-age 区分清晰。
过度 Vary：将 Cookie、User-Agent 直接纳入键导致碎片化；优先在 CDN 端规整头部/剥离无关 Cookie。
个性化内容被缓存：涉及用户态/地域/AB 实验的页面需加 private, no-store 或显式绕过。
重复压缩：CDN 与源站同开 gzip/brotli 可能叠加问题；只保留一处压缩（通常边缘）。
清缓存风暴：大规模 Hard Purge 触发回源雪崩；优先 Soft + stale-while-revalidate，并打开合并回源。
Range 与视频：确认 CDN 与源站均支持 Range；Nginx 需 aio on; directio 等以优化大文件。
真 IP 获取：补全 CDN 出口网段至 set_real_ip_from，否则访问日志皆为边缘 IP。

9. 排错清单（最小化工具）

响应头核对：curl -I https://www.example.com/ | sed -n '1,200p'，检查 Cache-Control、Age、ETag、Vary、X-Cache、X-Cache-Status。
分层命中：分别查看 CDN 命中（X-Cache: HIT）与 Nginx 命中（X-Cache-Status: HIT）。
条件请求：If-None-Match/If-Modified-Since 是否 304；如无 ETag，考虑在 HTML/静态启用 etag on;。
键确认：临时把 proxy_cache_key 响应回显到头部以核对（调试时用，勿在生产保留）。

10. 小结

合理的“浏览器 → CDN → 源站 Nginx”三层缓存设计，配合动静分离与微缓存，可同时获得低时延、高吞吐与稳定性。关键在于：一致的缓存语义、谨慎的缓存键设计、可控的失效策略，以及双层削峰机制的配合。