大型網(wǎng)站架構(gòu)演化歷程

大型網(wǎng)站的挑戰(zhàn)主要來自龐大的用戶，高并發(fā)的訪問和海量數(shù)據(jù)，任何簡單的業(yè)務(wù)一旦需要處理數(shù)以P計(jì)的數(shù)據(jù)和面對數(shù)以億計(jì)的用戶，問題就會變得棘手。大型網(wǎng)站架構(gòu)主要就是解決這類問題。更多內(nèi)容也可以閱讀各大互聯(lián)網(wǎng)公司架構(gòu)演進(jìn)之路匯總、大型網(wǎng)站架構(gòu)技術(shù)一覽兩篇文章。

本文內(nèi)容大部分來自《大型網(wǎng)站技術(shù)架構(gòu)》,這本書很值得一看，強(qiáng)烈推薦。

大型網(wǎng)站系統(tǒng)的特點(diǎn)

高并發(fā)，大流量

需要面對高并發(fā)用戶，大流量訪問。Google 日均 PV 35 億，日 IP 訪問數(shù) 3 億；騰訊 QQ 的最大在線用戶數(shù) 1.4 億（2011年數(shù)據(jù)）。

高可用

系統(tǒng) 7 x 24 小時(shí)不間斷服務(wù)。

海量數(shù)據(jù)

需要存儲、管理海量數(shù)據(jù)，需要使用大量服務(wù)器。Facebook 每周上傳的照片數(shù)量接近 10 億，百度收錄的網(wǎng)頁數(shù)目有數(shù)百億，Google 有近百萬臺服務(wù)器為全球用戶提供服務(wù)。

用戶分布廣泛，網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜

許多大型互聯(lián)網(wǎng)站都是為全球用戶提供服務(wù)的，用戶分布范圍廣，各地網(wǎng)絡(luò)情況千差萬別。在國內(nèi)，還有各個(gè)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)互通難的問題。

安全環(huán)境惡劣

由于互聯(lián)網(wǎng)的開放性，使得互聯(lián)網(wǎng)站更容易受到攻擊，大型網(wǎng)站幾乎每天都會被黑客攻擊。

需求快速變更，發(fā)布頻繁

和傳統(tǒng)軟件的版本發(fā)布頻率不同，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品為快速適應(yīng)市場，滿足用戶需求，其產(chǎn)品發(fā)布頻率極高。一般大型網(wǎng)站的產(chǎn)品每周都有新版本發(fā)布上線，中小型網(wǎng)站的發(fā)布更頻繁，有時(shí)候一天會發(fā)布幾十次。

漸進(jìn)式發(fā)展

幾乎所有的大型互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站都是從一個(gè)小網(wǎng)站開始，漸進(jìn)地發(fā)展起來的。Facebook 是扎克伯格同學(xué)在哈佛大學(xué)的宿舍里開發(fā)的；Google 的第一臺服務(wù)器部署在斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室；阿里巴巴是在馬云家的客廳誕生的。好的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都是慢慢運(yùn)營出來的，不是一開始就開發(fā)好的，這也正好與網(wǎng)站架構(gòu)的發(fā)展演化過程對應(yīng)。

大型網(wǎng)站架構(gòu)演化發(fā)展歷程

大型網(wǎng)站的技術(shù)挑戰(zhàn)主要來自于龐大的用戶，高并發(fā)的訪問和海量的數(shù)據(jù)，任何簡單的業(yè)務(wù)一旦需要處理數(shù)以 P 計(jì)的數(shù)據(jù)和面對數(shù)以億計(jì)的用戶，問題就會變得很棘手。大型網(wǎng)站架構(gòu)主要解決這類問題。

初始階段的網(wǎng)站架構(gòu)

大型網(wǎng)站都是從小型網(wǎng)站發(fā)展而來，網(wǎng)站架構(gòu)也是一樣，是從小型網(wǎng)站架構(gòu)逐步演化而來。小型網(wǎng)站最開始沒有太多人訪問，只需要一臺服務(wù)器就綽綽有余，這時(shí)的網(wǎng)站架構(gòu)如下圖所示：

應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫、文件等所有資源都在一臺服務(wù)器上。

應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)分離

隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)的發(fā)展，一臺服務(wù)器逐漸不能滿足需求：越來越多的用戶訪問導(dǎo)致性能越來越差，越來越多的數(shù)據(jù)導(dǎo)致存儲空間不足。這時(shí)就需要將應(yīng)用和數(shù)據(jù)分離。應(yīng)用和數(shù)據(jù)分離后整個(gè)網(wǎng)站使用3臺服務(wù)器：應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。這 3 臺服務(wù)器對硬件資源的要求各不相同：

應(yīng)用服務(wù)器需要處理大量的業(yè)務(wù)邏輯，因此需要更快更強(qiáng)大的CPU；

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器需要快速磁盤檢索和數(shù)據(jù)緩存，因此需要更快的磁盤和更大的內(nèi)存；

文件服務(wù)器需要存儲大量用戶上傳的文件，因此需要更大的硬盤。

此時(shí)，網(wǎng)站系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖所示：

應(yīng)用和數(shù)據(jù)分離后，不同特性的服務(wù)器承擔(dān)不同的服務(wù)角色，網(wǎng)站的并發(fā)處理能力和數(shù)據(jù)存儲空間得到了很大改善，支持網(wǎng)站業(yè)務(wù)進(jìn)一步發(fā)展。但是隨著用戶逐漸增多，網(wǎng)站又一次面臨挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)庫壓力太大導(dǎo)致訪問延遲，進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)站的性能，用戶體驗(yàn)受到影響。這時(shí)需要對網(wǎng)站架構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

使用緩存改善網(wǎng)站性能

網(wǎng)站訪問的特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)世界的財(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。既然大部分業(yè)務(wù)訪問集中在一小部分?jǐn)?shù)據(jù)上，那么如果把這一小部分?jǐn)?shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，就可以減少數(shù)據(jù)庫的訪問壓力，提高整個(gè)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)訪問速度，改善數(shù)據(jù)庫的寫入性能了。 網(wǎng)站使用的緩存可以分為兩種：緩存在應(yīng)用服務(wù)器上的本地緩存和緩存在專門的分布式緩存服務(wù)器上的遠(yuǎn)程緩存。

本地緩存的訪問速度更快一些，但是受應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)存限制，其緩存數(shù)據(jù)量有限，而且會出現(xiàn)和應(yīng)用程序爭用內(nèi)存的情況。

遠(yuǎn)程分布式緩存可以使用集群的方式，部署大內(nèi)存的服務(wù)器作為專門的緩存服務(wù)器，可以在理論上做到不受內(nèi)存容量限制的緩存服務(wù)。

使用緩存后，數(shù)據(jù)訪問壓力得到有效緩解，但是單一應(yīng)用服務(wù)器能夠處理的請求連接有限，在網(wǎng)站訪問高峰期，應(yīng)用服務(wù)器成為整個(gè)網(wǎng)站的瓶頸。

使用應(yīng)用服務(wù)器集群改善網(wǎng)站的并發(fā)處理能力

使用集群是網(wǎng)站解決高并發(fā)、海量數(shù)據(jù)問題的常用手段。當(dāng)一臺服務(wù)器的處理能力、存儲空間不足時(shí)，不要企圖去更換更強(qiáng)大的服務(wù)器，對大型網(wǎng)站而言，不管多么強(qiáng)大的服務(wù)器，都滿足不了網(wǎng)站持續(xù)增長的業(yè)務(wù)需求。這種情況下，更恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ窃黾右慌_服務(wù)器分擔(dān)原有服務(wù)器的訪問及存儲壓力。 對網(wǎng)站架構(gòu)而言，只要能通過增加一臺服務(wù)器的方式改善負(fù)載壓力，就可以以同樣的方式持續(xù)增加服務(wù)器不斷改善系統(tǒng)性能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可伸縮性。應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)集群是網(wǎng)站可伸縮架構(gòu)設(shè)計(jì)中較為簡單成熟的一種，如下圖所示：

通過負(fù)載均衡調(diào)度服務(wù)器，可以將來自用戶瀏覽器的訪問請求分發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器集群中的任何一臺服務(wù)器上，如果有更多用戶，就在集群中加入更多的應(yīng)用服務(wù)器，使應(yīng)用服務(wù)器的壓力不再成為整個(gè)網(wǎng)站的瓶頸。

數(shù)據(jù)庫讀寫分離

網(wǎng)站在使用緩存后，使對大部分?jǐn)?shù)據(jù)讀操作訪問都可以不通過數(shù)據(jù)庫就能完成，但是仍有一部分讀操作（緩存訪問不命中、緩存過期）和全部的寫操作都需要訪問數(shù)據(jù)庫，在網(wǎng)站的用戶達(dá)到一定規(guī)模后，數(shù)據(jù)庫因?yàn)樨?fù)載壓力過高而成為網(wǎng)站的瓶頸。 目前大部分的主流數(shù)據(jù)庫都提供主從熱備功能，通過配置兩臺數(shù)據(jù)庫主從關(guān)系，可以將一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)更新同步到另一臺服務(wù)器上。網(wǎng)站利用數(shù)據(jù)庫的這一功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫讀寫分離，從而改善數(shù)據(jù)庫負(fù)載壓力。如下圖所示：

應(yīng)用服務(wù)器在寫數(shù)據(jù)的時(shí)候，訪問主數(shù)據(jù)庫，主數(shù)據(jù)庫通過主從復(fù)制機(jī)制將數(shù)據(jù)更新同步到從數(shù)據(jù)庫，這樣當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，就可以通過從數(shù)據(jù)庫獲得數(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，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)庫讀寫分離對應(yīng)用透明。

使用反向代理和 CDN 加速網(wǎng)站響應(yīng)

隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)不斷發(fā)展，用戶規(guī)模越來越大，由于中國復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不同地區(qū)的用戶訪問網(wǎng)站時(shí)，速度差別也極大。有研究表明，網(wǎng)站訪問延遲和用戶流失率正相關(guān)，網(wǎng)站訪問越慢，用戶越容易失去耐心而離開。為了提供更好的用戶體驗(yàn)，留住用戶，網(wǎng)站需要加速網(wǎng)站訪問速度。主要手段有使用 CDN 和方向代理。如下圖所示：

CDN 和反向代理的基本原理都是緩存。

CDN 部署在網(wǎng)絡(luò)提供商的機(jī)房，使用戶在請求網(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)

反向代理則部署在網(wǎng)站的中心機(jī)房，當(dāng)用戶請求到達(dá)中心機(jī)房后，首先訪問的服務(wù)器是反向代理服務(wù)器，如果反向代理服務(wù)器中緩存著用戶請求的資源，就將其直接返回給用戶

使用 CDN 和反向代理的目的都是盡早返回?cái)?shù)據(jù)給用戶，一方面加快用戶訪問速度，另一方面也減輕后端服務(wù)器的負(fù)載壓力。

使用分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

任何強(qiáng)大的單一服務(wù)器都滿足不了大型網(wǎng)站持續(xù)增長的業(yè)務(wù)需求。數(shù)據(jù)庫經(jīng)過讀寫分離后，從一臺服務(wù)器拆分成兩臺服務(wù)器，但是隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)的發(fā)展依然不能滿足需求，這時(shí)需要使用分布式數(shù)據(jù)庫。文件系統(tǒng)也一樣，需要使用分布式文件系統(tǒng)。如下圖所示：

分布式數(shù)據(jù)庫是網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫拆分的最后手段，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)，網(wǎng)站更常用的數(shù)據(jù)庫拆分手段是業(yè)務(wù)分庫，將不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)部署在不同的物理服務(wù)器上。

使用 NoSQL 和搜索引擎

隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)越來越復(fù)雜，對數(shù)據(jù)存儲和檢索的需求也越來越復(fù)雜，網(wǎng)站需要采用一些非關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)如 NoSQL 和非數(shù)據(jù)庫查詢技術(shù)如搜索引擎。如下圖所示：

NoSQL 和搜索引擎都是源自互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段，對可伸縮的分布式特性具有更好的支持。應(yīng)用服務(wù)器則通過一個(gè)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。

業(yè)務(wù)拆分

大型網(wǎng)站為了應(yīng)對日益復(fù)雜的業(yè)務(wù)場景，通過使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。如大型購物交易網(wǎng)站都會將首頁、商鋪、訂單、買家、賣家等拆分成不同的產(chǎn)品線，分歸不同的業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。

具體到技術(shù)上，也會根據(jù)產(chǎn)品線劃分，將一個(gè)網(wǎng)站拆分成許多不同的應(yīng)用，每個(gè)應(yīng)用獨(dú)立部署。應(yīng)用之間可以通過一個(gè)超鏈接建立關(guān)系（在首頁上的導(dǎo)航鏈接每個(gè)都指向不同的應(yīng)用地址），也可以通過消息隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，當(dāng)然最多的還是通過訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)來構(gòu)成一個(gè)關(guān)聯(lián)的完整系統(tǒng)，如下圖所示：

分布式服務(wù)

隨著業(yè)務(wù)拆分越來越小，存儲系統(tǒng)越來越龐大，應(yīng)用系統(tǒng)的整體復(fù)雜度呈指數(shù)級增加，部署維護(hù)越來越困難。由于所有應(yīng)用要和所有數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)連接，在數(shù)萬臺服務(wù)器規(guī)模的網(wǎng)站中，這些連接的數(shù)目是服務(wù)器規(guī)模的平方，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫連接資源不足，拒絕服務(wù)。

既然每一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)都需要執(zhí)行許多相同的業(yè)務(wù)操作，比如用戶管理、商品管理等，那么可以將這些共用的業(yè)務(wù)提取出來，獨(dú)立部署。由這些可復(fù)用的業(yè)務(wù)連接數(shù)據(jù)庫，提供共用業(yè)務(wù)服務(wù)，而應(yīng)用系統(tǒng)只需要管理用戶界面，通過分布式服務(wù)調(diào)用共用業(yè)務(wù)服務(wù)完成具體業(yè)務(wù)操作。如下圖所示：

大型網(wǎng)站的架構(gòu)演化到這里，基本上大多數(shù)的技術(shù)問題都得以解決，諸如跨數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步和具體網(wǎng)站業(yè)務(wù)相關(guān)的問題也都可以通過組合改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)架構(gòu)解決。關(guān)于分布式的內(nèi)容，可以繼續(xù)看分布式系列文章。