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大型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)概述

 昵稱38017100 2019-04-30

1. 大型網(wǎng)站系統(tǒng)的特點(diǎn)

  • 高并發(fā)、大流量

  • 高可用

  • 海量數(shù)據(jù)

  • 用戶分布廣泛,網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜

  • 安全環(huán)境惡劣

  • 需求快速變更,迭代頻繁

  • 漸進(jìn)式發(fā)展

2. 大型網(wǎng)站架構(gòu)演化歷程

2.1. 初始階段架構(gòu)

問題:網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)初期,訪問用戶少,一臺(tái)服務(wù)器綽綽有余。

特征:應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件等所有的資源都在一臺(tái)服務(wù)器上。

描述:通常服務(wù)器操作系統(tǒng)使用 linux,應(yīng)用程序使用 PHP 開發(fā),然后部署在 Apache 上,數(shù)據(jù)庫(kù)使用 Mysql,通俗稱為 LAMP。匯集各種免費(fèi)開源軟件以及一臺(tái)廉價(jià)服務(wù)器就可以開始系統(tǒng)的發(fā)展之路了。

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2.2. 應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)分離

問題:越來(lái)越多的用戶訪問導(dǎo)致性能越來(lái)越差,越來(lái)越多的數(shù)據(jù)導(dǎo)致存儲(chǔ)空間不足,一臺(tái)服務(wù)器已不足以支撐。

特征:應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、文件服務(wù)器分別獨(dú)立部署。

描述:三臺(tái)服務(wù)器對(duì)性能要求各不相同:應(yīng)用服務(wù)器要處理大量業(yè)務(wù)邏輯,因此需要更快更強(qiáng)大的 CPU;數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器需要快速磁盤檢索和數(shù)據(jù)緩存,因此需要更快的硬盤和更大的內(nèi)存;文件服務(wù)器需要存儲(chǔ)大量文件,因此需要更大容量的硬盤。

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2.3. 使用緩存改善性能

問題:隨著用戶逐漸增多,數(shù)據(jù)庫(kù)壓力太大導(dǎo)致訪問延遲。

特征:由于網(wǎng)站訪問和財(cái)富分配一樣遵循二八定律:80% 的業(yè)務(wù)訪問集中在 20% 的數(shù)據(jù)上。將數(shù)據(jù)庫(kù)中訪問較集中的少部分?jǐn)?shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中,可以減少數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問次數(shù),降低數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問壓力。

描述:緩存分為兩種:應(yīng)用服務(wù)器上的本地緩存和分布式緩存服務(wù)器上的遠(yuǎn)程緩存,本地緩存訪問速度更快,但緩存數(shù)據(jù)量有限,同時(shí)存在與應(yīng)用程序爭(zhēng)用內(nèi)存的情況。分布式緩存可以采用集群方式,理論上可以做到不受內(nèi)存容量限制的緩存服務(wù)。

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2.4. 使用應(yīng)用服務(wù)器集群

問題:使用緩存后,數(shù)據(jù)庫(kù)訪問壓力得到有效緩解。但是單一應(yīng)用服務(wù)器能夠處理的請(qǐng)求連接有限,在訪問高峰期,成為瓶頸。

特征:多臺(tái)服務(wù)器通過負(fù)載均衡同時(shí)向外部提供服務(wù),解決單一服務(wù)器處理能力和存儲(chǔ)空間不足的問題。

描述:使用集群是系統(tǒng)解決高并發(fā)、海量數(shù)據(jù)問題的常用手段。通過向集群中追加資源,提升系統(tǒng)的并發(fā)處理能力,使得服務(wù)器的負(fù)載壓力不再成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。

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2.5. 數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離

問題:網(wǎng)站使用緩存后,使絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)讀操作訪問都可以不通過數(shù)據(jù)庫(kù)就能完成,但是仍有一部分讀操作和全部的寫操作需要訪問數(shù)據(jù)庫(kù),在網(wǎng)站的用戶達(dá)到一定規(guī)模后,數(shù)據(jù)庫(kù)因?yàn)樨?fù)載壓力過高而成為網(wǎng)站的瓶頸。

特征:目前大部分的主流數(shù)據(jù)庫(kù)都提供主從熱備功能,通過配置兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)主從關(guān)系,可以將一臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)更新同步到一臺(tái)服務(wù)器上。網(wǎng)站利用數(shù)據(jù)庫(kù)的主從熱備功能,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離,從而改善數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載壓力。

描述:應(yīng)用服務(wù)器在寫操作的時(shí)候,訪問主數(shù)據(jù)庫(kù),主數(shù)據(jù)庫(kù)通過主從復(fù)制機(jī)制將數(shù)據(jù)更新同步到從數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器在讀操作的時(shí)候,訪問從數(shù)據(jù)庫(kù)獲得數(shù)據(jù)。為了便于應(yīng)用程序訪問讀寫分離后的數(shù)據(jù)庫(kù),通常在應(yīng)用服務(wù)器端使用專門的數(shù)據(jù)訪問模塊,使數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離的對(duì)應(yīng)用透明。

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2.6. 反向代理和 CDN 加速

問題:中國(guó)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜,不同地區(qū)的用戶訪問網(wǎng)站時(shí),速度差別也極大。

特征:采用 CDN 和反向代理加快系統(tǒng)的靜態(tài)資源訪問速度。

描述:CDN 和反向代理的基本原理都是緩存,區(qū)別在于 CDN 部署在網(wǎng)絡(luò)提供商的機(jī)房,使用戶在請(qǐng)求網(wǎng)站服務(wù)時(shí),可以從距離自己最近的網(wǎng)絡(luò)提供商機(jī)房獲取數(shù)據(jù);而反向代理則部署在網(wǎng)站的中心機(jī)房,當(dāng)用戶請(qǐng)求到達(dá)中心機(jī)房后,首先訪問的服務(wù)器時(shí)反向代理服務(wù)器,如果反向代理服務(wù)器中緩存著用戶請(qǐng)求的資源,就將其直接返回給用戶。

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2.7. 分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)

問題:隨著大型網(wǎng)站業(yè)務(wù)持續(xù)增長(zhǎng),數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)過讀寫分離,從一臺(tái)服務(wù)器拆分為兩臺(tái)服務(wù)器,依然不能滿足需求。

特征:數(shù)據(jù)庫(kù)采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù),文件系統(tǒng)采用分布式文件系統(tǒng)。

描述:分布式數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)據(jù)庫(kù)拆分的最后方法,只有在單表數(shù)據(jù)規(guī)模非常龐大的時(shí)候才使用。不到不得已時(shí),更常用的數(shù)據(jù)庫(kù)拆分手段是業(yè)務(wù)分庫(kù),將不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)部署在不同的物理服務(wù)器上。

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2.8. 使用 NoSQL 和搜索引擎

問題:隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)越來(lái)越復(fù)雜,對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索的需求也越來(lái)越復(fù)雜。

特征:系統(tǒng)引入 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)及搜索引擎。

描述:NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)及搜索引擎對(duì)可伸縮的分布式特性具有更好的支持。應(yīng)用服務(wù)器通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問模塊訪問各種數(shù)據(jù),減輕應(yīng)用程序管理諸多數(shù)據(jù)源的麻煩。

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2.9. 業(yè)務(wù)拆分

問題:大型網(wǎng)站的業(yè)務(wù)場(chǎng)景日益復(fù)雜,分為多個(gè)產(chǎn)品線。

特征:采用分而治之的手段將整個(gè)網(wǎng)站業(yè)務(wù)分成不同的產(chǎn)品線。系統(tǒng)上按照業(yè)務(wù)進(jìn)行拆分改造,應(yīng)用服務(wù)器按照業(yè)務(wù)區(qū)分進(jìn)行分別部署。

描述:應(yīng)用之間可以通過超鏈接建立關(guān)系,也可以通過消息隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā),當(dāng)然更多的還是通過訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成一個(gè)關(guān)聯(lián)的完整系統(tǒng)。

縱向拆分:將一個(gè)大應(yīng)用拆分為多個(gè)小應(yīng)用,如果新業(yè)務(wù)較為獨(dú)立,那么就直接將其設(shè)計(jì)部署為一個(gè)獨(dú)立的 Web 應(yīng)用系統(tǒng)。縱向拆分相對(duì)較為簡(jiǎn)單,通過梳理業(yè)務(wù),將較少相關(guān)的業(yè)務(wù)剝離即可。

橫向拆分:將復(fù)用的業(yè)務(wù)拆分出來(lái),獨(dú)立部署為分布式服務(wù),新增業(yè)務(wù)只需要調(diào)用這些分布式服務(wù)橫向拆分需要識(shí)別可復(fù)用的業(yè)務(wù),設(shè)計(jì)服務(wù)接口,規(guī)范服務(wù)依賴關(guān)系。

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2.10. 分布式服務(wù)

問題:隨著業(yè)務(wù)越拆越小,存儲(chǔ)系統(tǒng)越來(lái)越龐大,應(yīng)用系統(tǒng)整體復(fù)雜程度呈指數(shù)級(jí)上升,部署維護(hù)越來(lái)越困難。由于所有應(yīng)用要和所有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)連接,最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)連接資源不足,拒絕服務(wù)。

特征:公共業(yè)務(wù)提取出來(lái),獨(dú)立部署。由這些可復(fù)用的業(yè)務(wù)連接數(shù)據(jù)庫(kù),通過分布式服務(wù)提供共用業(yè)務(wù)服務(wù)。

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3. 大型網(wǎng)站架構(gòu)模式

3.1. 分層

大型網(wǎng)站架構(gòu)中常采用分層結(jié)構(gòu),將軟件系統(tǒng)分為應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層:

  • 應(yīng)用層 - 負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)和視圖展示。如網(wǎng)站首頁(yè)及搜索輸入和結(jié)果展示。

  • 服務(wù)層 - 為應(yīng)用層提供服務(wù)支持。如用戶管理服務(wù)、購(gòu)物車服務(wù)等。

  • 應(yīng)用層 - 提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問服務(wù)。如數(shù)據(jù)庫(kù)、緩存、文件、搜索引擎等。

分層架構(gòu)的約束:禁止跨層次的調(diào)用(應(yīng)用層直接調(diào)用數(shù)據(jù)層)及逆向調(diào)用(數(shù)據(jù)層調(diào)用服務(wù)層,或者服務(wù)層調(diào)用應(yīng)用層)。

分層結(jié)構(gòu)內(nèi)部還可以繼續(xù)分層,如應(yīng)用可以再細(xì)分為視圖層和業(yè)務(wù)邏輯層;服務(wù)層也可以細(xì)分為數(shù)據(jù)接口層和邏輯處理層。

3.2. 分割

將不同的功能和服務(wù)分割開來(lái),包裝成高內(nèi)聚低耦合的模塊單元。這有助于軟件的開發(fā)和維護(hù),便于不同模塊的分布式部署,提高網(wǎng)站的并發(fā)處理能力和功能擴(kuò)展能力。

3.3. 分布式

大于大型網(wǎng)站,分層和分割的一個(gè)主要目的是為了切分后的模塊便于分布式部署,即將不同模塊部署在不同的服務(wù)器上,通過遠(yuǎn)程調(diào)用協(xié)同工作。

分布式意味可以用更多的機(jī)器工作,那么 CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)資源也就更豐富,能夠處理的并發(fā)訪問和數(shù)據(jù)量就越大,進(jìn)而能夠?yàn)楦嗟挠脩籼峁┓?wù)。

分布式也引入了一些問題:

  • 服務(wù)調(diào)用必須通過網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)延遲會(huì)影響性能

  • 服務(wù)器越多,宕機(jī)概率也越大,是可用性降低

  • 數(shù)據(jù)一致性非常困難,分布式事務(wù)也難以保證

  • 網(wǎng)站依賴錯(cuò)綜復(fù)雜,開發(fā)管理維護(hù)困難

常用的分布式方案:

  • 分布式應(yīng)用和服務(wù)

  • 分布式靜態(tài)資源

  • 分布式數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)

  • 分布式計(jì)算

3.4. 集群

集群即多臺(tái)服務(wù)器部署相同應(yīng)用構(gòu)成一個(gè)集群,通過負(fù)載均衡設(shè)備共同對(duì)外提供服務(wù)。

集群需要具備伸縮性和故障轉(zhuǎn)移機(jī)制:伸縮性是指可以根據(jù)用戶訪問量向集群添加或減少機(jī)器;故障轉(zhuǎn)移是指,當(dāng)某臺(tái)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí),負(fù)載均衡設(shè)備或失效轉(zhuǎn)移機(jī)制將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到集群中的其他機(jī)器上,從而不影響用戶使用。

3.5. 緩存

緩存就是將數(shù)據(jù)存放在距離最近的位置以加快處理速度。緩存是改善軟件性能的第一手段。

網(wǎng)站應(yīng)用中,緩存除了可以加快數(shù)據(jù)訪問速度以外,還可以減輕后端應(yīng)用和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的負(fù)載壓力。

常見緩存手段:

  • CDN

  • 反向代理

  • 本地緩存

  • 分布式緩存

使用緩存有兩個(gè)前提:

  • 數(shù)據(jù)訪問熱點(diǎn)不均勻,頻繁訪問的數(shù)據(jù)應(yīng)該放在緩存中

  • 數(shù)據(jù)在某個(gè)時(shí)間段有效,不過很快過期,否則緩存數(shù)據(jù)會(huì)因已經(jīng)失效而產(chǎn)生臟讀

3.6. 異步

軟件發(fā)展的一個(gè)重要目標(biāo)和驅(qū)動(dòng)力是降低軟件耦合性。事物之間直接關(guān)系越少,彼此影響就越小,也就更容易獨(dú)立發(fā)展。

大型網(wǎng)站架構(gòu)中,系統(tǒng)解耦的手段除了分層、分割、分布式等,還有一個(gè)重要手段——異步。

業(yè)務(wù)間的消息傳遞不是同步調(diào)用,而是將一個(gè)業(yè)務(wù)操作拆分成多階段,每個(gè)階段間通過共享數(shù)據(jù)的方式異步執(zhí)行進(jìn)行協(xié)作。

  • 在單一服務(wù)器內(nèi)部可通過多線程共享內(nèi)存隊(duì)列的方式實(shí)現(xiàn)異步,處在業(yè)務(wù)操作前面的線程將操作輸出到隊(duì)列,后面的線程從隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;

  • 在分布式系統(tǒng)中,多個(gè)服務(wù)器集群通過分布式消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)異步。

異步架構(gòu)是典型的生產(chǎn)者消費(fèi)模式,二者不存在直接調(diào)用。異步消息隊(duì)列還有如下特性:

  • 提高系統(tǒng)可用性

  • 加快響應(yīng)速度

  • 消除并發(fā)訪問高峰

3.7. 冗余

大型網(wǎng)站,出現(xiàn)服務(wù)器宕機(jī)是必然事件。要保證部分服務(wù)器宕機(jī)的情況下網(wǎng)站依然可以繼續(xù)服務(wù),不丟失數(shù)據(jù),就需要一定程度的服務(wù)器冗余運(yùn)行,數(shù)據(jù)冗余備份。這樣當(dāng)某臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)是,可以將其上的服務(wù)和數(shù)據(jù)訪問轉(zhuǎn)移到其他機(jī)器上。

訪問和負(fù)載很小的服務(wù)也必須部署 至少兩臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成一個(gè)集群,目的就是通過冗余實(shí)現(xiàn)服務(wù)高可用。數(shù)據(jù)除了定期備份,存檔保存,實(shí)現(xiàn) 冷備份 外;為了保證在線業(yè)務(wù)高可用,還需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行主從分離,實(shí)時(shí)同步實(shí)現(xiàn) 熱備份。

為了抵御地震、海嘯等不可抗因素導(dǎo)致的網(wǎng)站完全癱瘓,某些大型網(wǎng)站會(huì)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行備份,全球范圍內(nèi)部署 災(zāi)備數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)站程序和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步到多個(gè)災(zāi)備數(shù)據(jù)中心。

3.8. 自動(dòng)化

大型網(wǎng)站架構(gòu)的自動(dòng)化架構(gòu)設(shè)計(jì)主要集中在發(fā)布運(yùn)維方面:

  • 發(fā)布過程自動(dòng)化

  • 自動(dòng)化代碼管理

  • 自動(dòng)化測(cè)試

  • 自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)

  • 自動(dòng)化部署

  • 運(yùn)維自動(dòng)化

  • 自動(dòng)化監(jiān)控

  • 自動(dòng)化報(bào)警

  • 自動(dòng)化失效轉(zhuǎn)移

  • 自動(dòng)化失效恢復(fù)

  • 自動(dòng)化降級(jí)

  • 自動(dòng)化分配資源

3.9. 安全

  • 密碼 和 手機(jī)校驗(yàn)碼 進(jìn)行身份認(rèn)證

  • 登錄、交易等重要操作需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行 加密,存儲(chǔ)的敏感數(shù)據(jù)如用戶信息等也進(jìn)行加密處理

  • 防止機(jī)器人程序攻擊網(wǎng)站,使用 驗(yàn)證碼 進(jìn)行識(shí)別

  • 對(duì)常見用于 攻擊 網(wǎng)站的 XSS 攻擊、SQL 注入、進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換等相應(yīng)處理

  • 對(duì)垃圾信息、敏感信息進(jìn)行 過濾

  • 對(duì)交易轉(zhuǎn)賬等重要操作根據(jù)交易模式和交易信息進(jìn)行 風(fēng)險(xiǎn)控制

4. 大型網(wǎng)站核心架構(gòu)要素

架構(gòu) 的一種通俗說法是:最高層次的規(guī)劃,難以改變的決定。

除了系統(tǒng)功能需求外,架構(gòu)還需要關(guān)注以下架構(gòu)要素:

4.1. 性能

性能問題無(wú)處不在,所以網(wǎng)站性能優(yōu)化手段也十分繁多:

  • 前端

  • 瀏覽器緩存

  • 靜態(tài)資源壓縮

  • 合理布局頁(yè)面

  • 減少 cookie 傳輸

  • CDN

  • 應(yīng)用服務(wù)器

  • 本地緩存

  • 分布式緩存

  • 異步消息隊(duì)列

  • 集群

  • 代碼層面:使用多線程、改善內(nèi)存管理

  • 數(shù)據(jù)庫(kù)

  • 索引

  • 數(shù)據(jù)庫(kù)緩存

  • SQL 優(yōu)化

4.2. 可用性

可用性指部分服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí),還能否對(duì)用戶提供服務(wù)

  • 冗余自動(dòng)化:通過預(yù)發(fā)布驗(yàn)證、自動(dòng)化測(cè)試、自動(dòng)化發(fā)布、灰度發(fā)布等手段,減少將故障引入線上環(huán)境的可能

  • 通過負(fù)載均衡設(shè)備建立集群共同對(duì)外提供服務(wù)

  • 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多臺(tái)服務(wù)器,互相備份

4.3. 伸縮性

衡量伸縮的標(biāo)準(zhǔn)就是是否可以用多臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建集群,是否容易向集群中增刪服務(wù)器節(jié)點(diǎn)。增刪服務(wù)器節(jié)點(diǎn)后是否可以提供和之前無(wú)差別的服務(wù)。集群中可容納的總服務(wù)器數(shù)是否有限制。

  • 應(yīng)用服務(wù)器集群 - 只要服務(wù)器上保存數(shù)據(jù),則所有服務(wù)器都是對(duì)等的,通過負(fù)載均衡設(shè)備向集群中不斷加入服務(wù)器即可

  • 緩存服務(wù)器集群 - 加入新的服務(wù)器可能會(huì)導(dǎo)致緩存路由失效,進(jìn)而導(dǎo)致集群中的大部分緩存數(shù)據(jù)都無(wú)法訪問。雖然緩存數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)庫(kù)重新加載,但是如果應(yīng)用嚴(yán)重依賴緩存,可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)站崩潰。需要改進(jìn)緩存路由算法保證緩存數(shù)據(jù)的可訪問性。

  • 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)集群 - 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)雖然支持?jǐn)?shù)據(jù)復(fù)制,主從熱備等機(jī)制,但是很難做到大規(guī)模集群的可伸縮性,因此關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的集群伸縮性方案必須在數(shù)據(jù)庫(kù)之外實(shí)現(xiàn),通過路由分區(qū)等手段將部署有多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的服務(wù)器組成一個(gè)集群。

  • NOSql 數(shù)據(jù)庫(kù)集群 - 由于先天就是為了應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)而產(chǎn)生,因此對(duì)伸縮性的支持通常都非常好。

4.4. 擴(kuò)展性

衡量擴(kuò)展性的標(biāo)準(zhǔn)就是增加新的業(yè)務(wù)產(chǎn)品時(shí),是否可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品透明無(wú)影響,不需要任何改動(dòng)或很少改動(dòng),既有功能就可以上線新產(chǎn)品。主要手段有:事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和分布式服務(wù)。

4.5. 安全性

安全性保護(hù)網(wǎng)站不受惡意攻擊,保護(hù)網(wǎng)站重要數(shù)據(jù)不被竊取。

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