大型分布式网站架构实战项目分析

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一、分布式系统是什么?

1、定义

distributed system is one in which components located at networked computers communicate and coordinate their actions only by passing messages(分布式系统是指位于网络计算机的组件仅通过传递消息来通信和协调其行为的系统。)

所以,从这可以总结出这几个重点:

1、组件是分布在网络计算机上
2、组件之间仅仅通过消息传递来通信并且协调工作

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2、特性

2.1、副本
(Replica)是分布式系统最常见的概念之一,指分布式系统对数据和服务提供的一种冗余方式。在常见的分布式系统中,为了对外提供高可用的服务,我们往往会对数据和服务进行副本处理。

1)数据副本指在不同节点上持久同一份数据,当某一个节点上存储的数据丢失时,可以从副本上读取到该数据,这是解决分布式系统数据丢失问题的有效手段。

2)服务副本指多个节点提供同样的服务,每个节点都有能力接受来自外部的请求并进行相应的处理。

2.2、并发性

在程序运行过程中的并发性操作是非常常见的行为,例如同一个分布式系统中的多个节点,可能会并发地操作一些共享的资源,如何准确并高效的协调分布式并发操作也成为了分布式系统架构与设计中最大的挑战之一。

2.3、全局时钟

分布式系统是有一系列在空间上随意分布的多个进程组成的,在这些进程之间通过交换消息来进行相互通信。因此,在分布式系统中,很难定义两个事件究竟谁先谁后,原因就是分布式系统缺乏一个全局的时钟序列控制。

2.4、故障总会发生

任何在设计阶段考虑到的异常情况,一定会在系统实际运行中发生,并且,在系统实际运行过程中还会遇到很多在设计时未能考虑到的异常故障。所以,除非需求指标允许,在系统设计时不能放过任何异常情况。

3、分布式环境的各种问题

3.1、通信异常

网络本身的不可靠性,各节点之间的网络通信能够正常进行,其延时也会远大于单机操作。单机内存访问的延时在纳秒数量级(通常是10ns左右),而正常的一次网络通信的延迟在0.1~1ms左右,巨大的延时差别,会影响消息的收发的过程,因此消息丢失和消息延迟变得非常普遍。

3.2、网络分区

当网络由于发生异常情况,导致分布式系统中部分节点之间的网络延时不断增大,最终导致组成分布式系统的左右节点中,只有部分节点能够进行正常通信,而另一些节点则不能,这个现象成为网络分区,俗称“闹裂”。当网络分区出现时,分布式系统就出现局部小集群,在极端情况下,这些小集群会独立完成原本需要整个分布式系统才能完成的功能,包括对数据的事务处理,这对分布式一致性提出了非常大的挑战。

3.3、三态

在分布式环境下,网络可能出现各式各样的问题,因此分布式系统的每一次请求与响应,存在特有的三态概念,即成功、失败与超时。超时现象通常有一下两种情况:

1)由于网络原因,该请求(消息)并没有被成功发送到接收方,而是在发送过程就发生了消息丢失现象。

2)该请求(消息)成功的被接收方接受后,并进行了处理,但是在将响应反馈给发送方的过程中,发生了消息丢失现象。

当出现这样的超时现象时,网络通信的发起方是无法确定当前请求是否被成功处理的。

3.4、节点故障

分布式系统下比较常见的问题,指组成分布式系统的服务器节点出现宕机或僵死现象。

二、怎么去定义大型网站

满足一个大型网站的基本因素:

  • 访问量

  • 业务复杂度

  • 数据量

三、大型网站常用到的技术框架

初始阶段的网站架构

一般来讲,大型网站都是从小型网站发展而来,一开始的架构都比较简单,随着业务复杂和用户量的激增,才开始做很多架构上的改进。当它还是小型网站的时候,没有太多访客,一般来讲只需要一台服务器就够了,这时应用程序、数据库、文件等所有资源都在一台服务器上,网站架构如下图所示:

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应用服务和数据服务分离

随着网站业务的发展和用户量的增加,一台服务器就无法再满足需求了。大量用户访问导致访问速度越来越慢,而逐渐增加的数据也会导致存储空间不足。这时就需要将应用和数据分离,应用和数据分离后整个网站使用 3 台服务器:应用服务器、文件服务器和数据库服务器。这 3 台服务器对硬件资源的要求各不相同:

  • 应用服务器业务逻辑,需要强大的CPU

  • 数据库服务器对磁盘读写操作很多,需要更快的磁盘和更大的内存

  • 文件服务器存储用户上传的文件,因此需要更大的磁盘空间

此时,网站系统的架构如下图所示:

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使用缓存改善网站性能

随着用户再增加,网站又会一次面临挑战:数据库压力太大导致整站访问效率再此下降,用户体验受到影响。一个网站,往往 80% 的业务访问集中在 20% 的数据上,比如微博请求量最多的肯定是那些千万级粉丝的大 V 的微博,而几乎没有人关注的你的首页,除了自己想起来之外根本不会被打开。既然大部分业务访问集中在一小部分数据上,那就把这一小部分数据先提前缓存在内存中,而不是每次都去数据库读取,这样就可以减少数据库的访问压力,从而提高整个网站的访问速度。

网站使用的缓存一般分为缓存到应用服务器或者缓存在专门的分布式缓存服务器。缓存到应用服务器自己的访问速度快很多,但是受自身内存限制,往往不太适用。远程分布式缓存使用一个集群专门负责缓存服务,当内存不够还可以轻松得动态扩容。

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使用应用服务器集群改善网站的并发处理能力

使用缓存后,数据访问压力得到了缓解,但是单一应用服务器能够处理的请求连接有限,在网站访问高峰期,应用服务器就成了整个网站的效率瓶颈。使用分布式集群是网站解决高并发、海量数据问题的常用手段。当一台服务器的处理能力和存储空间不足时,不要尝试去更换更强大的服务器,对大型网站而言,多么强大的服务器,都满足不了网站持续增长的业务需求。这种情况下,更恰当的做法是增加一台服务器分担原有服务器的访问及存储压力。 对网站架构而言,只要能通过增加一台服务器的方式改善负载压力,就可以以同样的方式持续增加服务器不断改善系统性能,从而实现系统的可伸缩性。应用服务器实现集群是网站可伸缩架构设计中较为简单成熟的一种,如下图所示:

clipboard.png通过负载均衡调度服务器,可以将来自用户浏览器的访问请求分发到应用服务器集群中的任何一台服务器上,如果有更多用户,就在集群中加入更多的应用服务器,使应用服务器的压力不再成为整个网站的瓶颈。

数据库读写分离

网站在使用缓存后,使对大部分数据读操作访问都可以不通过数据库就能完成,但是仍有一部分读操作(缓存访问不命中、缓存过期)和全部的写操作都需要访问数据库,在网站的用户达到一定规模后,数据库因为负载压力过高而成为网站的瓶颈。 目前大部分的主流数据库都提供主从热备功能,通过配置两台数据库主从关系,可以将一台数据库服务器的数据更新同步到另一台服务器上。网站利用数据库的这一功能,实现数据库读写分离,从而改善数据库负载压力。如下图所示:

clipboard.png应用服务器在写数据的时候,访问主数据库,主数据库通过主从复制机制将数据更新同步到从数据库,这样当应用服务器读数据的时候,就可以通过从数据库获得数据。为了便于应用程序访问读写分离后的数据库,通常在应用服务器端使用专门的数据访问模块,使数据库读写分离对应用透明。

使用反向代理和 CDN 加速网站响应

随着网站业务不断发展,用户规模越来越大,由于中国复杂的网络环境,不同地区的用户访问网站时,速度差别也极大。有研究表明,网站访问延迟和用户流失率正相关,网站访问越慢,用户越容易失去耐心而离开。为了提供更好的用户体验,留住用户,网站需要加速网站访问速度。主要手段有使用 CDN 和反向代理。如下图所示:

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使用分布式文件系统和分布式数据库系统

任何强大的单一服务器都满足不了大型网站持续增长的业务需求。数据库经过读写分离后,从一台服务器拆分成两台服务器,但是随着网站业务的发展依然不能满足需求,这时需要使用分布式数据库。文件系统也一样,需要使用分布式文件系统。如下图所示:

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分布式数据库是网站数据库拆分的最后手段,只有在单表数据规模非常庞大的时候才使用。不到不得已时,网站更常用的数据库拆分手段是业务分库,将不同业务的数据部署在不同的物理服务器上。

使用 NoSQL 和搜索引擎

随着网站业务越来越复杂,对数据存储和检索的需求也越来越复杂,网站需要采用一些非关系数据库技术如 NoSQL 和非数据库查询技术如搜索引擎。如下图所示:

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NoSQL 和搜索引擎都是源自互联网的技术手段,对可伸缩的分布式特性具有更好的支持。应用服务器则通过一个统一数据访问模块访问各种数据,减轻应用程序管理诸多数据源的麻烦。

业务拆分

大型网站为了应对日益复杂的业务场景,通过使用分而治之的手段将整个网站业务分成不同的产品线。如大型购物交易网站都会将首页、商铺、订单、买家、卖家等拆分成不同的产品线,分归不同的业务团队负责。

具体到技术上,也会根据产品线划分,将一个网站拆分成许多不同的应用,每个应用独立部署。应用之间可以通过一个超链接建立关系(在首页上的导航链接每个都指向不同的应用地址),也可以通过消息队列进行数据分发,当然最多的还是通过访问同一个数据存储系统来构成一个关联的完整系统,如下图所示:

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分布式服务

随着业务拆分越来越小,存储系统越来越庞大,应用系统的整体复杂度呈指数级增加,部署维护越来越困难。由于所有应用要和所有数据库系统连接,在数万台服务器规模的网站中,这些连接的数目是服务器规模的平方,导致数据库连接资源不足,拒绝服务。

既然每一个应用系统都需要执行许多相同的业务操作,比如用户管理、商品管理等,那么可以将这些共用的业务提取出来,独立部署。由这些可复用的业务连接数据库,提供共用业务服务,而应用系统只需要管理用户界面,通过分布式服务调用共用业务服务完成具体业务操作。如下图所示:

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四、电商网站架构案例

1、电商案例的原因

分布式大型网站,目前看主要有几类1.大型门户,比如网易,新浪等;2.SNS网站,比如校内,开心网等;3.电商网站:比如阿里巴巴,京东商城,国美在线,汽车之家等。大型门户一般是新闻类信息,可以使用CDN,静态化等方式优化,开心网等交互性比较多,可能会引入更多的NOSQL,分布式缓存,使用高性能的通信框架等。电商网站具备以上两类的特点,比如产品详情可以采用CDN,静态化,交互性高的需要采用NOSQL等技术。因此,我们采用电商网站作为案例,进行分析。

2、电商网站需求

客户需求:

  • 建立一个全品类的电子商务网站(B2C),用户可以在线购买商品,可以在线支付,也可以货到付款;

  • 用户购买时可以在线与客服沟通;

  • 用户收到商品后,可以给商品打分,评价;

  • 目前有成熟的进销存系统;需要与网站对接;

  • 希望能够支持3~5年,业务的发展;

  • 预计3~5年用户数达到1000万;

  • 定期举办双11,双12,三八男人节等活动;

  • 其他的功能参考京东或国美在线等网站。

客户就是客户,不会告诉你具体要什么,只会告诉你他想要什么,我们很多时候要引导,挖掘客户的需求。好在提供了明确的参考网站。因此,下一步要进行大量的分析,结合行业,以及参考网站,给客户提供方案。

其他的略

~

需求功能矩阵

需求管理传统的做法,会使用用例图或模块图(需求列表)进行需求的描述。这样做常常忽视掉一个很重要的需求(非功能需求),因此推荐大家使用需求功能矩阵,进行需求描述。

本电商网站的需求矩阵如下:

clipboard.png以上是对电商网站需求的简单举例,目的是说明(1)需求分析的时候,要全面,大型分布式系统重点考虑非功能需求;(2)描述一个简单的电商需求场景,使大家对下一步的分析设计有个依据。

3、网站初级架构

一般网站,刚开始的做法,是三台服务器,一台部署应用,一台部署数据库,一台部署NFS文件系统。

这是前几年比较传统的做法,之前见到一个网站10万多会员,垂直服装设计门户,N多图片。使用了一台服务器部署了应用,数据库以及图片存储。出现了很多性能问题。

如下图:

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但是,目前主流的网站架构已经发生了翻天覆地的变化。一般都会采用集群的方式,进行高可用设计。至少是下面这个样子。

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使用集群对应用服务器进行冗余,实现高可用;(负载均衡设备可与应用一块部署)使用数据库主备模式,实现数据备份和高可用;

4、系统容量预估

预估步骤:

(1) 注册用户数-日均UV量-每日的PV量-每天的并发量;

(2) 峰值预估:平常量的2~3倍;

(3) 根据并发量(并发,事务数),存储容量计算系统容量。

(4 ) 客户需求:3~5年用户数达到1000万注册用户;

每秒并发数预估:

(1) 每天的UV为200万(二八原则);

(2) 每日每天点击浏览30次;

(3) PV量:200*30=6000万;

(4) 集中访问量:24

0.2=4.8小时会有6000万
0.8=4800万(二八原则);

(5) 每分并发量:4.8*60=288分钟,每分钟访问4800/288=16.7万(约等于);

(6) 每秒并发量:16.7万/60=2780(约等于);

(7) 假设:高峰期为平常值的三倍,则每秒的并发数可以达到8340次。

(8) 1毫秒=1.3次访问;

服务器预估:(以tomcat服务器举例)

(1) 按一台web服务器,支持每秒300个并发计算。平常需要10台服务器(约等于);[tomcat默认配置是150]

(2) 高峰期:需要30台服务器;

容量预估:70/90原则

系统CPU一般维持在70%左右的水平,高峰期达到90%的水平,是不浪费资源,并比较稳定的。内存,IO类似。

以上预估仅供参考,因为服务器配置,业务逻辑复杂度等都有影响。在此CPU,硬盘,网络等不再进行评估。

电网网站架构案例系列的第二篇文章。主要讲解网站架构分析,网站架构优化,业务拆分,应用集群架构,多级缓存,分布式Session。

5、网站架构分析

根据以上预估,有几个问题:

  • 需要部署大量的服务器,高峰期计算,可能要部署30台Web服务器。并且这三十台服务器,只有秒杀,活动时才会用到,存在大量的浪费。

  • 所有的应用部署在同一台服务器,应用之间耦合严重。需要进行垂直切分和水平切分。

  • 大量应用存在冗余代码

  • 服务器SESSION同步耗费大量内存和网络带宽

  • 数据需要频繁访问数据库,数据库访问压力巨大。

大型网站一般需要做以下架构优化(优化是架构设计时,就要考虑的,一般从架构/代码级别解决,调优主要是简单参数的调整,比如JVM调优;如果调优涉及大量代码改造,就不是调优了,属于重构):

  • 业务拆分

  • 应用集群部署(分布式部署,集群部署和负载均衡)

  • 多级缓存

  • 单点登录(分布式Session)

  • 数据库集群(读写分离,分库分表)

  • 服务化

  • 消息队列

  • 其他技术

五、网站架构优化

1、业务拆分

根据业务属性进行垂直切分,划分为产品子系统,购物子系统,支付子系统,评论子系统,客服子系统,接口子系统(对接如进销存,短信等外部系统)。

根据业务子系统进行等级定义,可分为核心系统和非核心系统。核心系统:产品子系统,购物子系统,支付子系统;非核心:评论子系统,客服子系统,接口子系统。

业务拆分作用:提升为子系统可由专门的团队和部门负责,专业的人做专业的事,解决模块之间耦合以及扩展性问题;每个子系统单独部署,避免集中部署导致一个应用挂了,全部应用不可用的问题。

等级定义作用:用于流量突发时,对关键应用进行保护,实现优雅降级;保护关键应用不受到影响。

拆分后的架构图:

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参考部署方案2

2、应用集群部署(分布式,集群,负载均衡)

  • 分布式部署:将业务拆分后的应用单独部署,应用直接通过RPC进行远程通信;

  • 集群部署:电商网站的高可用要求,每个应用至少部署两台服务器进行集群部署;

  • 负载均衡:是高可用系统必须的,一般应用通过负载均衡实现高可用,分布式服务通过内置的负载均衡实现高可用,关系型数据库通过主备方式实现高可用。

集群部署后架构图:

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3、 多级缓存

缓存按照存放的位置一般可分为两类本地缓存和分布式缓存。本案例采用二级缓存的方式,进行缓存的设计。一级缓存为本地缓存,二级缓存为分布式缓存。(还有页面缓存,片段缓存等,那是更细粒度的划分)

一级缓存,缓存数据字典,和常用热点数据等基本不可变/有规则变化的信息,二级缓存缓存需要的所有缓存。当一级缓存过期或不可用时,访问二级缓存的数据。如果二级缓存也没有,则访问数据库。

缓存的比例,一般1:4,即可考虑使用缓存。(理论上是1:2即可)。

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根据业务特性可使用以下缓存过期策略:

(1) 缓存自动过期;

(2) 缓存触发过期;

4、单点登录(分布式Session)

系统分割为多个子系统,独立部署后,不可避免的会遇到会话管理的问题。一般可采用Session同步,Cookies,分布式Session方式。电商网站一般采用分布式Session实现。

再进一步可以根据分布式Session,建立完善的单点登录或账户管理系统。

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流程说明

1) 用户第一次登录时,将会话信息(用户Id和用户信息),比如以用户Id为Key,写入分布式Session;

(2) 用户再次登录时,获取分布式Session,是否有会话信息,如果没有则调到登录页;

(3) 一般采用Cache中间件实现,建议使用Redis,因此它有持久化功能,方便分布式Session宕机后,可以从持久化存储中加载会话信息;

(4) 存入会话时,可以设置会话保持的时间,比如15分钟,超过后自动超时;

结合Cache中间件,实现的分布式Session,可以很好的模拟Session会话。

5、数据库集群(读写分离,分库分表)

大型网站需要存储海量的数据,为达到海量数据存储,高可用,高性能一般采用冗余的方式进行系统设计。一般有两种方式读写分离和分库分表。

读写分离:一般解决读比例远大于写比例的场景,可采用一主一备,一主多备或多主多备方式。

本案例在业务拆分的基础上,结合分库分表和读写分离。如下图:

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(1) 业务拆分后:每个子系统需要单独的库;

(2) 如果单独的库太大,可以根据业务特性,进行再次分库,比如商品分类库,产品库;

(3) 分库后,如果表中有数据量很大的,则进行分表,一般可以按照Id,时间等进行分表;(高级的用法是一致性Hash)

(4) 在分库,分表的基础上,进行读写分离;

相关中间件可参考Cobar(阿里,目前已不在维护),TDDL(阿里),Atlas(奇虎360),MyCat(在Cobar基础上,国内很多牛人,号称国内第一开源项目)。

分库分表后序列的问题,JOIN,事务的问题,会在分库分表主题分享中,介绍。

6、服务化

将多个子系统公用的功能/模块,进行抽取,作为公用服务使用。比如本案例的会员子系统就可以抽取为公用的服务。

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7、消息队列

消息队列可以解决子系统/模块之间的耦合,实现异步,高可用,高性能的系统。是分布式系统的标准配置。本案例中,消息队列主要应用在购物,配送环节。

(1) 用户下单后,写入消息队列,后直接返回客户端;

(2) 库存子系统:读取消息队列信息,完成减库存;

(3) 配送子系统:读取消息队列信息,进行配送;

目前使用较多的MQ有Active MQ,Rabbit MQ,Zero MQ,MS MQ等,需要根据具体的业务场景进行选择。建议可以研究下Rabbit MQ。

8、其他架构(技术)

除了以上介绍的业务拆分,应用集群,多级缓存,单点登录,数据库集群,服务化,消息队列外。还有CDN,反向代理,分布式文件系统,大数据处理等系统。

此处不详细介绍,大家可以问度娘/Google,有机会的话也可以分享给大家。

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六、架构总结

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以上是本次分享的架构总结,其中细节可参考前面分享的内容。其中还有很多可以优化和细化的地方,因为是案例分享,主要针对重要部分做了介绍,工作中需要大家根据具体的业务场景进行架构设计。

本文来自:掘金

感谢作者:掘金

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