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详解大型网站系统的特点和架构演化发展历程

时间:2017-03-02   文章来源:马海祥博客   访问次数:

随着国内互联网行业的高速发展,我国的大型网站系统的特点也更加鲜明和集中了,而目前,发展最快、用户量最大的莫过于电商网站和生活服务网站了。

大型网站的挑战主要来自庞大的用户,高并发的访问和海量数据,任何简单的业务一旦需要处理数以P计的数据和面对数以亿计的用户,问题就会变得棘手,大型网站架构主要就是解决这类问题。

详解大型网站系统的特点和架构演化发展历程-马海祥博客

大型网站不是从无到有一步就搭建好一个大型网站,而是能够伴随小型网站业务的渐进发展,慢慢地演化成一个大型网站。

一、大型网站系统的特点

俗话说的好:“汝欲得之,必先知之”,换而言之也是一个道理,想要使用大型网站系统,你得先清楚大型网站系统的特点。

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1、高并发,大流量

需要面对高并发用户,大流量访问。Google 日均 PV 35 亿,日IP访问数3亿;腾讯QQ的最大在线用户数1.4亿(2011年数据)。

2、高可用

系统7 x 24小时不间断服务。

3、海量数据

需要存储、管理海量数据,需要使用大量服务器。Facebook每周上传的照片数量接近10亿,百度收录的网页数目有数百亿,Google有近百万台服务器为全球用户提供服务。

4、用户分布广泛,网络情况复杂

许多大型互联网站都是为全球用户提供服务的,用户分布范围广,各地网络情况千差万别。在国内,还有各个运营商网络互通难的问题。

5、安全环境恶劣

由于互联网的开放性,使得互联网站更容易受到攻击,大型网站几乎每天都会被黑客攻击。

6、需求快速变更,发布频繁

和传统软件的版本发布频率不同,互联网产品为快速适应市场,满足用户需求,其产品发布频率极高。一般大型网站的产品每周都有新版本发布上线,中小型网站的发布更频繁,有时候一天会发布几十次。

7、渐进式发展

几乎所有的大型互联网网站都是从一个小网站开始,渐进地发展起来的。Facebook 是扎克伯格同学在哈佛大学的宿舍里开发的;Google的第一台服务器部署在斯坦福大学的实验室;阿里巴巴是在马云家的客厅诞生的。

好的互联网产品都是慢慢运营出来的,不是一开始就开发好的,这也正好与网站架构的发展演化过程对应(具体可查看马海祥博客《一个普通网站发展成大型网站的架构演变历程》的相关介绍)。

二、大型网站架构演化发展历程

大型网站的技术挑战主要来自于庞大的用户,高并发的访问和海量的数据,任何简单的业务一旦需要处理数以P计的数据和面对数以亿计的用户,问题就会变得很棘手。

简单来说,大型网站架构演化发展历程有以下这些阶段:

1、初始阶段的网站架构

大型网站都是从小型网站发展而来,网站架构也是一样,是从小型网站架构逐步演化而来。

小型网站最开始没有太多人访问,只需要一台服务器就绰绰有余,这时的网站架构如下图所示:

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应用程序、数据库、文件等所有资源都在一台服务器上。

2、应用服务和数据服务分离

随着网站业务的发展,一台服务器逐渐不能满足需求:越来越多的用户访问导致性能越来越差,越来越多的数据导致存储空间不足,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:

(1)、应用服务器需要处理大量的业务逻辑,因此需要更快更强大的CPU。

(2)、数据库服务器需要快速磁盘检索和数据缓存,因此需要更快的磁盘和更大的内存。

(3)、文件服务器需要存储大量用户上传的文件,因此需要更大的硬盘。

此时,网站系统的架构如下图所示:

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应用和数据分离后,不同特性的服务器承担不同的服务角色,网站的并发处理能力和数据存储空间得到了很大改善,支持网站业务进一步发展。

但是随着用户逐渐增多,网站又一次面临挑战:数据库压力太大导致访问延迟,进而影响整个网站的性能,用户体验受到影响,这时需要对网站架构进一步优化(具体可查看马海祥博客《资深架构师如何看待大型网站系统架构》的相关介绍)。

3、使用缓存改善网站性能

网站访问的特点和现实世界的财富分配一样遵循二八定律:80%的业务访问集中在20%的数据上。

既然大部分业务访问集中在一小部分数据上,那么如果把这一小部分数据缓存在内存中,就可以减少数据库的访问压力,提高整个网站的数据访问速度,改善数据库的写入性能了。

网站使用的缓存可以分为两种:缓存在应用服务器上的本地缓存和缓存在专门的分布式缓存服务器上的远程缓存。

本地缓存的访问速度更快一些,但是受应用服务器内存限制,其缓存数据量有限,而且会出现和应用程序争用内存的情况。

远程分布式缓存可以使用集群的方式,部署大内存的服务器作为专门的缓存服务器,可以在理论上做到不受内存容量限制的缓存服务。

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使用缓存后,数据访问压力得到有效缓解,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,应用服务器成为整个网站的瓶颈。

4、使用应用服务器集群改善网站的并发处理能力

使用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、存储空间不足时,不要企图去更换更强大的服务器,对大型网站而言,不管多么强大的服务器,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:

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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。

5、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:

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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。

6、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和方向代理。如下图所示:

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CDN和反向代理的基本原理都是缓存。

(1)、CDN部署在网络提供商的机房,使用户在请求网站服务时,可以从距离自己最近的网络提供商机房获取数据。

(2)、反向代理则部署在网站的中心机房,当用户请求到达中心机房后,首先访问的服务器是反向代理服务器,如果反向代理服务器中缓存着用户请求的资源,就将其直接返回给用户。

使用CDN和反向代理的目的都是尽早返回数据给用户,一方面加快用户访问速度,另一方面也减轻后端服务器的负载压力(具体可查看马海祥博客《关于大型网站架构的负载均衡技术详解》的相关介绍)。

7、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。

8、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。

9、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。

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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。

10、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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大型网站的架构演化到这里,基本上大多数的技术问题都得以解决,诸如跨数据中心的实时数据同步和具体网站业务相关的问题也都可以通过组合改进现有技术架构解决。

三、大型网站架构的模式

最后,我们在聊聊最常见的架构模式,主要就是将系统在横向维度上切分成几个部分,每个部分单一职责。

1、分层

分层是应用系统中最常见的一种架构模式,在计算机世界中无处不在,可以更好的把庞大的软件系统切分成不同的部分,便于分工合作和维护。

分层中的挑战就是合理规划层次的边界和接口,严格遵守分层的约束,禁止跨层次的调用以及逆向调用。

2、分割

分割在纵向层面对软件进行切分。比如网购系统,在应用层,分割为交易、物流、优惠、库存等系统。

3、分布式

分割和分层便于切分后的模块能够便于分布式部署。分布式应用和服务、分布式文件系统、分布式数据和存储、分布式计算、分布式配置、分布式锁。

4、集群

多台服务器部署相同的应用构成一个集群,保证负载均衡的同时来提升系统的可用性,互相灾备。

5、缓存

CDN、反向代理、本地缓存、分布式缓存、数据库缓存、浏览器缓存。

6、异步

异步架构中最典型的就是生产者和消费者模式,要解耦,就用异步,异步离不开队列,有效的利用异步,能够消除并发访问的高峰。

7、冗余

在集群中机器数量达到一定数量的时候,部分机器宕机会是常态,因此需要数据冗余备份,数据库定期备份称之为冷备份,主从分离实时同步称之为热备份。

8、自动化

发布过程自动化、代码管理自动化、自动化测试、自动化安全扫描、自动化低级bug扫描、自动化监控、自动化报警、自动化失效转移、自动化降级。

9、安全

互联网开放的特性注定了在安全方面提升了很大的挑战。

好的设计绝对不是模仿,不是生搬硬套一个特定的模式,而是对问题深刻理解之上的创造和创新。

马海祥博客点评:

架构师最大的价值不在于掌握了多少先进的技术,而在于将一个大系统切分为N个低耦合的子模块的能力,这些子模块包含横向的业务模块,也包含纵向的基础技术模块,这种能力一部分源自于专业的技术和经验,还有一部分源自架构师对于业务场景的理解,对人性的把握,甚至对世界的认知。

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