构建高可扩Web架构和分布式系统实战

jopen 8年前

1 Web分布式系统设计的原则

构建并运营一个可伸缩的Web站点或应用程序到底是指什么?在最初,仅是通过互联网连接用户和访问远程资源。

和大多数事情一样,当构建一个Web服务时,需要提前抽出时间进行规划。了解大型网站创建背后的注意事项以及学会权衡,会给你带来更加明智的决策。下面是设计大型Web系统时,需要注意的一些核心原则:

  • 可用性
  • 性能
  • 可靠性
  • 可扩展
  • 易管理
  • 成本

上面的这些原则给设计分布式Web架构提供了一定的基础和理论指导。然而,它们也可能彼此相左,例如实现这个目标的代价是牺牲成本。一个简单的例子:选择地址容量,仅通过添加更多的服务器(可伸缩性),这个可能以易管理(你不得不操作额外的服务器)和成本作为代价(服务器价格)。

无论你想设计哪种类型的Web应用程序,这些原则都是非常重要的,甚至这些原则之间也会互相羁绊,做好它们之间的权衡也非常重要。

1.1 基础

当涉及到系统架构问题时,这几件事情是必须要考虑清楚的:什么样的模块比较合适?如何把它们组合在一起?如何进行恰当地权衡?在扩大投资之前,它通常需要的并不是一个精明的商业命题,然而,一些深谋远虑的设计可以帮你在未来节省大量的时间和资源。

本文讨论的重点几乎是构建所有大型Web应用程序的核心:服务、冗余、分区和故障处理能力。这里的每个因素都会涉及到选择和妥协,特别是前面所讨论的那些原则。解释这些核心的最佳办法就是举例子。

1.2 图片托管应用程序

有时,你会在线上传图片,而一些大型网站需要托管和传送大量的图片,这对于构建一个具有成本效益、高可用性并具有低延时(快速检索)的架构是一项挑战。

在一个图片系统中,用户可以上传图片到一个中央服务器里,通过网络连接或API对这些图片进行请求,就像Flickr或者Picasa。简单点,我们就假设这个应用程序只包含两个核心部分:上传(写)图片和检索图片。图片上传时最好能够做到高效,传输速度也是我们最关心的,当有人向图片发出请求时(例如是一个Web页面或其他应用程序)。这是非常相似的功能,提供Web服务或内容分发网络(一个CDN服务器可以在许多地方存储内容,所以无论是在地理上还是物理上都更加接近用户,从而导致更快的性能)边缘服务器。

该系统需要考虑的其他重要方面:

  • 图片存储的数量是没有限制的,所以存储应具备可伸缩,另外图片计算也需要考虑
  • 下载/请求需要做到低延迟
  • 用户上传一张图片,那么图片就应该始终在那里(图片数据的可靠性)
  • 系统应该易于维护(易管理)
  • 由于图片托管不会有太高的利润空间,所以系统需要具备成本效益

简化的功能图,如下:

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在这个例子中,系统必须具备快速、数据存储必须做到可靠和高度可扩展。构建一个小型的应用程序就微不足道了,一台服务器即可实现托管。如果这样,这篇文章就毫无兴趣和吸引力了。假设我们要做的应用程序会逐渐成长成Flickr那么大。

1.3 服务

当我们考虑构建可伸缩的系统时,它应有助于解耦功能,系统的每个部分都可以作为自己的服务并且拥有清晰的接口定义。在实践中,这种系统设计被称作面向服务的体系结构(SOA)。对于此类系统,每个服务都有它自己的独特功能,通过一个抽象接口可以与外面的任何内容进行互动,通常是面向公众的另一个服务API。

把系统分解成一组互补性的服务,在互相解耦这些操作块。这种抽象有助于在服务、基本环境和消费者服务之间建立非常清晰的关系。这种分解可以有效地隔离问题,每个块也可以互相伸缩。这种面向服务的系统设计与面向对象设计非常相似。

在我们的例子中,所有上传和检索请求都在同一台服务器上处理。然而,因为系统需要具备可伸缩性,所以把这两个功能打破并集成到自己的服务中是有意义的。

快进并假设服务正在大量使用;在这种情况下,很容易看到写图片的时间对读图片时间会产生多大影响(他们两个功能在彼此竞争共享资源)。根据各自体系,这种影响会是巨大的。即使上传和下载速度相同(这是不可能的,对于大多数的IP网络来说,下载速度:上传速度至少是3:1),通常,文件可以从缓存中读取,而写入,最终是写到磁盘中(也许在最终一致的情况下,可以被多写几次)。即使是从缓存或者磁盘(类似SSD)中读取,数据写入都会比读慢(Pole Position,一个开源DB基准的开源工具和结果)。

这种设计的另一个潜在问题是像Apache或者Lighttpd这些Web服务器通常都会有一个并发连接数上限(默认是500,但也可以更多),这可能会花费高流量,写可能会迅速消掉所有。 既然读可以异步或利用其他性能优化,比如gzip压缩或分块传输代码,Web服务可以快速切换读取和客户端来服务于更多的请求,超过每秒的最大连接数 (Apache的最大连接数设置为500,这种情况并不常见,每秒可以服务几千个读取请求)。另一方面,写通常倾向于保持一个开放的链接进行持续上传,所 以,使用家庭网络上传一个1 MB的文件花费的时间可能会超过1秒,所以,这样的服务器只能同时满足500个写请求。

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规划这种瓶颈的一个非常好的做法是把读和写进行分离,如上图所示。这样我们就可以对它们单独进行扩展(一直以来读都比写多)但也有助于弄明白每个点的意思。这种分离更易于排除故障和解决规模方面问题,如慢读。

这种方法的优点就是我们能够彼此独立解决问题——在同种情况下,无需写入和检索操作。这两种服务仍然利用全球语料库的图像,但是他们可以自由地优化性能和服务方法(例如排队请求或者缓存流行图片——下面会介绍更多)。从维护和成本角度来看,每一个服务都可以根据需要独立进行扩展,但如果把它们进行合并或交织在一起,那么有可能无意中就会对另一个性能产生影响,如上面讨论的情景。

当然,如果你有两个不同的端点,上面的例子可能会运行的很好(事实上,这非常类似于几个云存储供应商之间的实现和内容分发网络)。虽然有很多种方法可以解决这些瓶颈,但每个人都会有不同的权衡,所以采用适合你的方法才是最重要的。

1.4 冗余

为了可以正确处理错误,一个Web架构的服务和数据必须具备适当的冗余。例如,如果只有一个副本文件存储在这台单独的服务器上,那么如果这台服务器出现问题或丢失,那么该文件也随即一起丢失。丢失数据并不是什么好事情,避免数据丢失的常用方法就是多创建几个文件或副本或冗余。

同样也适用于服务器。如果一个应用程序有个核心功能,应确保有多个副本或版本在同时运行,这样可以避免单节点失败。

在系统中创建冗余,当系统发生危机时,如果需要,可以消除单点故障并提供备份或备用功能。例如,这里有两个相同的服务示例在生产环境中运行,如果其中一个发生故障或者降低,那么该系统容错转移至那个健康的副本上。容错转移可以自动发生也可以手动干预。

服务冗余的另一重要组成部分是创建一个无共享架构。在这种体系结构中,每个节点都能相互独立运行,并且没有所谓的中央“大脑”管理状态或协调活动其他节点。这对系统的可扩展帮助很大,因为新节点在没有特殊要求或知识的前提下被添加。然而,最重要的是,这些系统是没有单点故障的,所以失败的弹性就更大。

例如在我们的图片服务器应用程序中,所有的图片在另一个硬件上都有冗余副本(理想情况下是在不同的地理位置,避免在数据中心发生一些火灾、地震等自然事故),服务去访问图片将被冗余,所有潜在的服务请求。(采用负载均衡是实现这点的最好方法,在下面还会介绍更多方法)

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1.5 分区

数据集有可能非常大,无法安装在一台服务器上。也有可能这样,某操作需要太多的计算资源、性能降低并且有必要增加容量。在这两种情况下,你有两种选择:纵向扩展或横向扩展。

纵向扩展意味着在单个服务器上添加更多的资源。所以,对于一个非常大的数据集来说,这可能意味着添加更多(或更大)的硬件设备,来使一台服务器能容下整个数据集。在计算操作下,这可能意味着移动计算到一个更大的服务器上,拥有更快的CPU或更大的内存。在各种情况下,纵向扩展可以通过提升单个资源的处理能力来完成。

横向扩展在另一方面是添加更多的节点,在大数据集下,这可能会使用第二服务器来存储部分数据集,对于计算资源来说,这意味着分割操作或跨节点加载。为了充分利用横向扩展,它应作为一种内在的系统架构设计原则,否则修改或拆分操作将会非常麻烦。

当谈到横向扩展时,最常见的做法是把服务进行分区或碎片。分区可以被派发,这样每个逻辑组的功能就是独立的。可以通过地理界限或其他标准,如非付费与付费用户来完成分区。这些方案的优点是他们会随着容量的增加提供一个服务或数据存储。

在我们的图片服务器案例中,用来存储图片的单个文件服务器可能被多个文件服务器取代,每个里面都会包含一套自己独特的图像。这种架构将允许系统来填充每一个文件/图片服务器,当磁盘填满时会添加额外的服务器。这样的设计需要一个命名方案,用来捆绑图片文件名到其相应的服务器上。图像名字可以形成一个一致的哈希方案并映射到整个服务器上;或者给每张图片分配一个增量ID,当客户端对图片发出请求时,图片检索服务只需要检索映射到每个服务器上(例如索引)的ID。

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当然,跨越多个服务器对数据或功能进行分区还是有许多挑战的。其中的关键问题是数据本地化。在分布式系统中,数据操作或计算点越接近,系统性能就会越好。因此,它也可能是个潜在问题,当数据分散在多个服务器上时。有时数据不是在本地,那么就要迫使服务器通过网络来获取所需的信息,这个获取的过程就会设计到成本。

另一潜在问题是不一致。当这里有多个服务对一个共享资源执行读写操作时,潜在可能会有另一个服务器或数据存储参与进来, 作为竞选条件——一些数据需要更新,但是读的优先级高于更新——在这种情况下,数据就是不一致的。例如在图片托管方案中,有可能出现的不一致是:如果一个 客户端发送更新“狗”图片请求,进行重新命名,把“Dog”改成“Gizmo”,但同时,另一个客户端正在读这张图片。在这种情况下,标题就是不清楚的。 “Dog”或“Gizmo”应该被第二个客户端接收。【可以通过分布式事务解决】

当然,在进行数据分区时会产生一些障碍,但是分区允许把每个问题拆分到管理群里——通过数据、负载、使用模式等。这样对可扩展和易管理都是有帮助的,但也不是没有风险的。这里有很多方式来降低风险和故障处理;

来自:http://my.oschina.net/xianggao/blog/529013