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這幾個(gè)問(wèn)題解決了，怎么設(shè)計(jì)大型網(wǎng)站架構(gòu)不再是困難
來(lái)源：本站  編輯：admin  時(shí)間：2020/12/29  點(diǎn)擊數(shù)：13100  
在大型網(wǎng)站技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)如何避免走彎路，避開(kāi)在具體業(yè)務(wù)應(yīng)用中的那些坑？對(duì)于正處于互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型初期的技術(shù)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是必須考慮的問(wèn)題。本文將從“什么是架構(gòu)”和“軟件架構(gòu)的五要素”兩部分講述大型網(wǎng)站架構(gòu)方法。
　　作者介紹
李智慧，曾擔(dān)任宅米 CTO， NEC 項(xiàng)目主管，阿里巴巴技術(shù)專(zhuān)家，IBM 咨詢(xún)經(jīng)理，Intel 大數(shù)據(jù)工程師；開(kāi)發(fā)過(guò) ERP，寫(xiě)過(guò)防火墻，做過(guò)網(wǎng)站架構(gòu)，搞過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)，帶過(guò)團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)過(guò)業(yè)，申請(qǐng)過(guò)幾個(gè)分布式系統(tǒng)專(zhuān)利，為 Apache Spark 貢獻(xiàn)過(guò)一點(diǎn)代碼；曾在浙江大學(xué)為碩士研究生講授面向?qū)ο蟾呒?jí)編程課程；寫(xiě)過(guò)一本書(shū)《大型網(wǎng)站技術(shù)架構(gòu)：核心原理與案例分析》，被若干高校選為計(jì)算機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教材。
　　什么是架構(gòu)
關(guān)于什么是架構(gòu)，一種比較通俗的說(shuō)法是 “最高層次的規(guī)劃，難以改變的決定”，這些規(guī)劃和決定奠定了事物未來(lái)發(fā)展的方向和最終的藍(lán)圖。
從這個(gè)意義上說(shuō)，人生規(guī)劃也是一種架構(gòu)。選什么學(xué)校、學(xué)什么專(zhuān)業(yè)、進(jìn)什么公司、找什么對(duì)象，過(guò)什么樣的生活，都是自己人生的架構(gòu)。
具體到軟件架構(gòu)，維基百科是這樣定義的：“有關(guān)軟件整體結(jié)構(gòu)與組件的抽象描述，用于指導(dǎo)大型軟件系統(tǒng)各個(gè)方面的設(shè)計(jì)”。系統(tǒng)的各個(gè)重要組成部分及其關(guān)系構(gòu)成了系統(tǒng)的架構(gòu)，這些組成部分可以是具體的功能模塊，也可以是非功能的設(shè)計(jì)與決策，他們相互關(guān)系組成一個(gè)整體，共同構(gòu)成了軟件系統(tǒng)的架構(gòu)。
　　軟件架構(gòu)的五要素
一般說(shuō)來(lái)，除了當(dāng)前的系統(tǒng)功能需求外，軟件架構(gòu)還需要關(guān)注性能、可用性、伸縮性、擴(kuò)展性和安全性這 5 個(gè)架構(gòu)要素，架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中需要平衡這 5 個(gè)要素之間的關(guān)系以實(shí)現(xiàn)需求和架構(gòu)目標(biāo)，也可以通過(guò)考察這些架構(gòu)要素來(lái)衡量一個(gè)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，判斷其是否滿(mǎn)足期望。
　　性能
性能是網(wǎng)站的一個(gè)重要指標(biāo)，除非是沒(méi)得選擇（比如只能到 www.12306.cn 這一個(gè)網(wǎng)站上買(mǎi)火車(chē)票），否則用戶(hù)無(wú)法忍受一個(gè)響應(yīng)緩慢的網(wǎng)站。一個(gè)打開(kāi)緩慢的網(wǎng)站會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的用戶(hù)流失，很多時(shí)候網(wǎng)站性能問(wèn)題是網(wǎng)站架構(gòu)升級(jí)優(yōu)化的觸發(fā)器。可以說(shuō)性能是網(wǎng)站架構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，任何軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方案都必須考慮可能會(huì)帶來(lái)的性能問(wèn)題。
也正是因?yàn)樾阅軉?wèn)題幾乎無(wú)處不在，所以?xún)?yōu)化網(wǎng)站性能的手段也非常多，從用戶(hù)瀏覽器到數(shù)據(jù)庫(kù)，影響用戶(hù)請(qǐng)求的所有環(huán)節(jié)都可以進(jìn)行性能優(yōu)化。在瀏覽器端，可以通過(guò)瀏覽器緩存、使用頁(yè)面壓縮、合理布局頁(yè)面、減少 Cookie 傳輸?shù)仁侄胃纳菩阅堋?/span>
還可以使用 CDN，將網(wǎng)站靜態(tài)內(nèi)容分發(fā)至離用戶(hù)最近的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商機(jī)房，使用戶(hù)通過(guò)最短訪(fǎng)問(wèn)路徑獲取數(shù)據(jù)?？梢栽诰W(wǎng)站機(jī)房部署反向代理服務(wù)器，緩存熱點(diǎn)文件，加快請(qǐng)求響應(yīng)速度，減輕應(yīng)用服務(wù)器負(fù)載壓力。
在應(yīng)用服務(wù)器端，可以使用服務(wù)器本地緩存和分布式緩存，通過(guò)緩存在內(nèi)存中的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)處理用戶(hù)請(qǐng)求，加快請(qǐng)求處理過(guò)程，減輕數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載壓力。也可以通過(guò)異步操作將用戶(hù)請(qǐng)求發(fā)送至消息隊(duì)列等待后續(xù)任務(wù)處理，而當(dāng)前請(qǐng)求直接返回響應(yīng)給用戶(hù)。
在網(wǎng)站有很多用戶(hù)高并發(fā)請(qǐng)求的情況下，可以將多臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器組成一個(gè)集群共同對(duì)外服務(wù)，提高整體處理能力，改善性能。在代碼層面，也可以通過(guò)使用多線(xiàn)程、改善內(nèi)存管理等手段優(yōu)化性能。
在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端，索引、緩存、SQL 優(yōu)化等性能優(yōu)化手段都已經(jīng)比較成熟。而方興未艾的 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)模型、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、伸縮特性等手段在性能方面的優(yōu)勢(shì)也日趨明顯。
衡量網(wǎng)站性能有一系列指標(biāo)，重要的有響應(yīng)時(shí)間、TPS、系統(tǒng)性能計(jì)數(shù)器等，通過(guò)測(cè)試這些指標(biāo)以確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否達(dá)到目標(biāo)。這些指標(biāo)也是網(wǎng)站監(jiān)控的重要參數(shù)，通過(guò)監(jiān)控這些指標(biāo)可以分析系統(tǒng)瓶頸，預(yù)測(cè)網(wǎng)站容量，并對(duì)異常指標(biāo)進(jìn)行報(bào)警，保障系統(tǒng)可用性。
對(duì)于網(wǎng)站而言，性能符合預(yù)期僅僅是必要條件，因?yàn)闊o(wú)法預(yù)知網(wǎng)站可能會(huì)面臨的訪(fǎng)問(wèn)壓力，所以必須要考察系統(tǒng)在高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)情況下，超出負(fù)載設(shè)計(jì)能力的情況下可能會(huì)出現(xiàn)的性能問(wèn)題。網(wǎng)站需要長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行，還必須保證系統(tǒng)在持續(xù)運(yùn)行且訪(fǎng)問(wèn)壓力不均勻的情況下保持穩(wěn)定的性能特性。
　　可用性
對(duì)于大型網(wǎng)站而言，特別是知名網(wǎng)站，網(wǎng)站宕掉、服務(wù)不可用是一個(gè)重大的事故，輕則影響網(wǎng)站聲譽(yù)，重則可能會(huì)攤上官司。對(duì)于電子商務(wù)類(lèi)網(wǎng)站，網(wǎng)站不可用還意味著損失金錢(qián)和用戶(hù)。因此幾乎所有網(wǎng)站都承諾 7×24 可用，但事實(shí)上任何網(wǎng)站都不可能達(dá)到完全的 7×24 可用，總會(huì)有一些故障時(shí)間，扣除這些故障時(shí)間，就是網(wǎng)站的總可用時(shí)間，這個(gè)時(shí)間可以換算成網(wǎng)站的可用性指標(biāo)，以此衡量網(wǎng)站的可用性，一些知名大型網(wǎng)站可以做到 4 個(gè) 9 以上的可用性，也就是可用性超過(guò) 99.99%。
因?yàn)榫W(wǎng)站使用的服務(wù)器硬件通常是普通的商用服務(wù)器，這些服務(wù)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)本身并不保證高可用，也就是說(shuō)，很有可能會(huì)出現(xiàn)服務(wù)器硬件故障，也就是俗稱(chēng)的服務(wù)器宕機(jī)。大型網(wǎng)站通常都會(huì)有上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器，每天都必定會(huì)有一些服務(wù)器宕機(jī)，因此網(wǎng)站高可用架構(gòu)設(shè)計(jì)的前提是必然會(huì)出現(xiàn)服務(wù)器宕機(jī)，而高可用設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是當(dāng)服務(wù)器宕機(jī)的時(shí)候，服務(wù)或者應(yīng)用依然可用。
網(wǎng)站高可用的主要手段是冗余，應(yīng)用部署在多臺(tái)服務(wù)器上同時(shí)提供訪(fǎng)問(wèn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多臺(tái)服務(wù)器上互相備份，任何一臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)都不會(huì)影響應(yīng)用的整體可用，也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。
對(duì)于應(yīng)用服務(wù)器而言，多臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)負(fù)載均衡設(shè)備組成一個(gè)集群共同對(duì)外提供服務(wù)，任何一臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)，只需把請(qǐng)求切換到其他服務(wù)器就可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的高可用，但是一個(gè)前提條件是應(yīng)用服務(wù)器上不能保存請(qǐng)求的會(huì)話(huà)信息。否則服務(wù)器宕機(jī)，會(huì)話(huà)丟失，即使將用戶(hù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到其他服務(wù)器上也無(wú)法完成業(yè)務(wù)處理。對(duì)于存儲(chǔ)服務(wù)器，由于其上存儲(chǔ)著數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)備份，當(dāng)服務(wù)器宕機(jī)時(shí)需要將數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)轉(zhuǎn)移到可用的服務(wù)器上，并進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)以保證繼續(xù)有服務(wù)器宕機(jī)的時(shí)候數(shù)據(jù)依然可用。
除了運(yùn)行環(huán)境，網(wǎng)站的高可用還需要軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程的質(zhì)量保證。通過(guò)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(xiàn)上環(huán)境的可能，避免故障范圍擴(kuò)大。
衡量一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足高可用的目標(biāo)，就是假設(shè)系統(tǒng)中任何一臺(tái)或者多臺(tái)服務(wù)器宕機(jī)時(shí)，以及出現(xiàn)各種不可預(yù)期的問(wèn)題時(shí)，系統(tǒng)整體是否依然可用。
　　伸縮性
大型網(wǎng)站需要面對(duì)大量用戶(hù)的高并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)和存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，不可能只用一臺(tái)服務(wù)器就處理全部用戶(hù)請(qǐng)求，存儲(chǔ)全部數(shù)據(jù)。網(wǎng)站通過(guò)集群的方式將多臺(tái)服務(wù)器組成一個(gè)整體共同提供服務(wù)。所謂伸縮性是指通過(guò)不斷向集群中加入服務(wù)器的手段來(lái)緩解不斷上升的用戶(hù)并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)壓力和不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。
衡量架構(gòu)伸縮性的主要標(biāo)準(zhǔn)就是是否可以用多臺(tái)服務(wù)器構(gòu)建集群，是否容易向集群中添加新的服務(wù)器。加入新的服務(wù)器后是否可以提供和原來(lái)的服務(wù)器無(wú)差別的服務(wù)。集群中可容納的總的服務(wù)器數(shù)量是否有限制。
對(duì)于應(yīng)用服務(wù)器集群，只要服務(wù)器上不保存數(shù)據(jù)，所有服務(wù)器都是對(duì)等的，通過(guò)使用合適的負(fù)載均衡設(shè)備就可以向集群中不斷加入服務(wù)器。
對(duì)于緩存服務(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)致集群中大部分緩存數(shù)據(jù)都無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)。雖然緩存的數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)重新加載，但是如果應(yīng)用已經(jīng)嚴(yán)重依賴(lài)緩存，可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(fǎng)問(wèn)性。
關(guān)系數(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(guò)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。
至于大部分 NoSQL 數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，由于其先天就是為海量數(shù)據(jù)而生，因此其對(duì)伸縮性的支持通常都非常好，可以做到在較少運(yùn)維參與的情況下實(shí)現(xiàn)集群規(guī)模的線(xiàn)性伸縮。
　　擴(kuò)展性
不同于其他架構(gòu)要素主要關(guān)注非功能性需求，網(wǎng)站的擴(kuò)展性架構(gòu)直接關(guān)注網(wǎng)站的功能需求。網(wǎng)站快速發(fā)展，功能不斷擴(kuò)展，如何設(shè)計(jì)網(wǎng)站的架構(gòu)使其能夠快速響應(yīng)需求變化，是網(wǎng)站可擴(kuò)展架構(gòu)主要的目的。
衡量網(wǎng)站架構(gòu)擴(kuò)展性好壞的主要標(biāo)準(zhǔn)就是在網(wǎng)站增加新的業(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)或者很少改動(dòng)既有業(yè)務(wù)功能就可以上線(xiàn)新產(chǎn)品。不同產(chǎn)品之間是否很少耦合，一個(gè)產(chǎn)品改動(dòng)對(duì)其他產(chǎn)品無(wú)影響，其他產(chǎn)品和功能不需要受牽連進(jìn)行改動(dòng)。
網(wǎng)站可伸縮架構(gòu)的主要手段是事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)和分布式服務(wù)。
事件驅(qū)動(dòng)架構(gòu)在網(wǎng)站通常利用消息隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，將用戶(hù)請(qǐng)求和其他業(yè)務(wù)事件構(gòu)造成消息發(fā)布到消息隊(duì)列，消息的處理者作為消費(fèi)者從消息隊(duì)列中獲取消息進(jìn)行處理。通過(guò)這種方式將消息產(chǎn)生和消息處理分離開(kāi)來(lái)，可以透明地增加新的消息生產(chǎn)者任務(wù)或者新的消息消費(fèi)者任務(wù)。
分布式服務(wù)則是將業(yè)務(wù)和可復(fù)用服務(wù)分離開(kāi)來(lái)，通過(guò)分布式服務(wù)框架調(diào)用。新增產(chǎn)品可以通過(guò)調(diào)用可復(fù)用的服務(wù)實(shí)現(xiàn)自身的業(yè)務(wù)邏輯，而對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品沒(méi)有任何影響?？蓮?fù)用服務(wù)升級(jí)變更的時(shí)候，也可以通過(guò)提供多版本服務(wù)對(duì)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)透明升級(jí)，不需要強(qiáng)制應(yīng)用同步變更。
大型網(wǎng)站為了保持市場(chǎng)地位，還會(huì)吸引第三方開(kāi)發(fā)者，調(diào)用網(wǎng)站服務(wù)，使用網(wǎng)站數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)周邊產(chǎn)品，擴(kuò)展網(wǎng)站業(yè)務(wù)。第三方開(kāi)發(fā)者使用網(wǎng)站服務(wù)的主要途徑是大型網(wǎng)站提供的開(kāi)放平臺(tái)接口。
　　安全性
互聯(lián)網(wǎng)是開(kāi)放的，任何人在任何地方都可以訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站。網(wǎng)站的安全架構(gòu)就是保護(hù)網(wǎng)站不受惡意訪(fǎng)問(wèn)和攻擊，保護(hù)網(wǎng)站的重要數(shù)據(jù)不被竊取。衡量網(wǎng)站安全架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)就是針對(duì)現(xiàn)存和潛在的各種攻擊與竊密手，是否有可靠的應(yīng)對(duì)策略。
　　經(jīng)驗(yàn)小結(jié)
性能、可用性、伸縮性、擴(kuò)展性和安全性是網(wǎng)站架構(gòu)最核心的幾個(gè)要素，這幾個(gè)問(wèn)題解決了，大型網(wǎng)站架構(gòu)設(shè)計(jì)的大部分挑戰(zhàn)也就克服了。
本文節(jié)選自李智慧老師《大型網(wǎng)站技術(shù)架構(gòu)：核心原理與架構(gòu)分析》一書(shū)。
 
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