Day07_03_分布式教程之分布式架构设计方案

一. 大型网站的特点

• 用户多,分布广泛;

• 大流量,高并发;

• 海量数据,服务高可用;

• 安全环境恶劣,易受网络攻击;

• 功能多,变更快,频繁发布;

• 从小到大,渐进发展;

• 以用户为中心;

• 免费服务,付费体验.

二. 大型网站的架构目标

• 高性能:提供快速的访问体验;

• 高可用:网站服务一直可以正常访问;

• 可伸缩:通过硬件的增加/减少来提高/降低处理能力;

• 安全性:提供网站安全访问和数据加密,实现安全存储等策略;

• 扩展性:方便的通过新增/移除方式来增加/减少新的功能/模块;

• 敏捷性:随需应变,快速响应.

三. 大型网站的架构模式

• 分层:一般可分为应用层,服务层,数据层,管理层,分析层等;

• 分割:一般按照业务/模块/功能特点进行划分,比如应用层分为首页,用户中心;

• 分布式:将应用分开部署(比如多台物理机),通过远程调用协同工作;

• 集群:一个应用/模块/功能部署多份(如多台物理机),通过负载均衡共同提供对外访问;

• 缓存:将数据放在距离应用或用户最近的位置,加快访问速度;

• 异步:将同步的操作异步化.客户端发出请求,不用等待服务端的响应,而是等服务端处理完毕后,使用通知或轮询的方式告知请求方.一般是指 请求——响应——通知 模式;

• 冗余:增加副本,提高可用性,安全性,性能;

• 安全:对已知问题有有效的解决方案,对未知/潜在问题建立发现和防御机制;

• 自动化:将重复的,不需要人工参与的事情,通过工具的方式,使用机器来完成;

• 敏捷性:积极接受需求变更,快速响应业务发展需求.

四. 分布式架构方案

1. 高性能架构

1.1 特点

以用户为中心,提供快速的网页访问体验.主要参数有较短的响应时间,较大的并发处理能力,较高的吞吐量,稳定的性能参数.

1.2 优化方案

可分为前端优化,应用层优化,代码层优化,存储层优化等.

• 前端优化:优化网站业务逻辑之前的部分;

• 浏览器优化:减少Http请求数,使用浏览器缓存,启用压缩,合理存放CSS,JS的位置,JS异步,减少COOKIE传输;

• 进行CDN加速,反向代理;

• 应用层优化:处理网站业务的服务器,使用缓存,异步,集群等技术;

• 代码优化:合理的进行架构,使用多线程,进行资源复用(对象池,线程池等),设计良好的数据结构,对JVM调优,使用单例等设计模式,进行Cache等;

• 存储优化:进行缓存,使用固态硬盘,利用光纤传输,优化读写,进行磁盘冗余,采用分布式存储(HDFS),NOSQL等.

2. 高可用架构

大型网站应该在任何时候都可以正常访问,正常提供对外服务.因为大型网站的复杂性,分布式,廉价服务器,开源数据库,操作系统等特点,要保证高可用是很困难的,也就是说网站的故障是不可避免的.

如何提高可用性,就是需要迫切解决的问题.首先,需要从架构级别,在规划的时候,就考虑可用性.行业内一般用几个9表示可用性指标,比如四个9(99.99),一年内允许的不可用时间是53分钟.

不同层级使用的策略不同,一般采用冗余备份和失效转移解决高可用问题.

• 应用层:一般设计为无状态的,对于每次请求,使用哪一台服务器处理是没有影响的.一般使用负载均衡技术(需要解决Session同步问题),实现高可用;

• 服务层:负载均衡,分级管理,快速失败(超时设置),异步调用,服务降级,幂等设计等;

• 数据层:冗余备份(冷/热备[同步/异步],温备),失效转移(确认,转移,恢复).数据高可用方面遵循著名的CAP理论(持久性,可用性,数据一致性[强一致,用户一致,最终一致]);

3. 可伸缩架构

伸缩性是指在不改变原有架构设计的基础上,通过添加/减少硬件(服务器)的方式,提高/降低系统的处理能力.

• 应用层:对应用进行垂直或水平切分,然后针对单一功能进行负载均衡(DNS,HTTP[反向代理],IP,链路层);

• 服务层:与应用层类似;

• 数据层:进行分库,分表,采用NOSQL等,常用算法Hash,一致性Hash;

4. 可扩展架构

可以方便的进行功能模块的新增/移除,提供代码/模块级别良好的可扩展性.

• 模块化,组件化:高内聚,低耦合,提高复用性,扩展性;

• 稳定接口:定义稳定的接口,在接口不变的情况下,内部结构可以“随意”变化;

• 设计模式:应用面向对象思想,原则,使用设计模式,进行代码层面的设计;

• 消息队列:模块化的系统,通过消息队列进行交互,使模块之间的依赖解耦;

• 分布式服务:公用模块服务化,提供其他系统使用,提高可重用性,扩展性;

5. 安全架构

对已知问题有有效的解决方案,对未知/潜在问题建立发现和防御机制.对于安全问题,首先要提高安全意识,建立一个安全的有效机制;从政策层面,组织层面进行保障,比如服务器密码不能泄露,密码每月更新,并且三次内不能重复,每周安全扫描等;以制度化的方式,加强安全体系的建设.同时需要注意与安全有关的各个环节,安全问题不容忽视,包括基础设施安全,应用系统安全,数据保密安全等.

基础设施安全:注意硬件采购,操作系统,网络环境等方面的安全.一般要从正规渠道购买高质量的产品,选择安全的操作系统,及时修补漏洞,安装杀毒软件防火墙,防范病毒/后门,设置防火墙策略,建立DDOS防御系统,使用攻击检测系统,进行子网隔离等手段.

应用系统安全:在程序开发时,对已知常用问题使用正确的方式,在代码层面解决掉.防止跨站脚本攻击(XSS),注入攻击,跨站请求伪造(CSRF),错误信息,HTML注释,文件上传,路径遍历等.还可以使用Web应用防火墙(比如:ModSecurity),进行安全漏洞扫描等措施,加强应用级别的安全;

数据保密安全:注意存储安全(保存在可靠的设备,实时,定时备份),保存安全(重要的信息加密保存,选择合适的人员复杂保存和检测等),传输安全(防止数据窃取和数据篡改);
注意常用的加解密算法(单项散列加密[MD5,SHA],对称加密[DES,3DES,RC]),非对称加密[RSA]等.

6. 敏捷性设计

网站的架构设计,运维管理要适应变化,提供高伸缩性,高扩展性,方便的应对快速的业务发展,突增高流量访问等要求.
除上面介绍的架构要素外,还需要引入敏捷管理,敏捷开发的思想,使业务,产品,技术,运维统一起来,随需应变,快速响应.

五. 大型分布式架构举例

以上采用七层逻辑架构,第一层客户层,第二层前端优化层,第三层应用层,第四层服务层,第五层数据存储层,第六层大数据存储层,第七层大数据处理层.

• 客户层:支持PC浏览器和手机APP,差别是手机APP可以直接访问通过IP访问反向代理服务器;

• 前端层:使用DNS负载均衡,CDN本地加速以及反向代理服务;

• 应用层:网站应用集群,按照业务进行垂直拆分,比如商品应用,会员中心等;

• 服务层:提供公用服务,比如用户服务,订单服务,支付服务等;

• 数据层:支持关系型数据库集群(支持读写分离),NOSQL集群,分布式文件系统集群,以及分布式Cache;

• 大数据存储层:支持应用层和服务层的日志数据收集,关系数据库和NOSQL数据库的结构化和半结构化数据收集;

• 大数据处理层:通过Mapreduce进行离线数据分析或Storm实时数据分析,并将处理后的数据存入关系型数据库.