专栏首页人人都是极客图解:从单个服务器扩展到百万用户的系统

图解:从单个服务器扩展到百万用户的系统

你开发了一个网站(例如网上商店、社交网站或者其他任何东西),之后你把它发布到了网上,网站运行良好,每天有几百的访问量,能快速地相响应用户的请求。

但是有一天,不知道什么原因,你的网站出名了!

每分每秒都有成千上万的用户蜂拥而至,你的网站变得越来越慢……

对你来讲,这是个好消息,但是对你的Web应用来说这是个坏消息。因为现在它需要扩展了,你的应用需要为全球用户提供7*24不宕机服务。

如何进行扩展?

几年前,我讨论过水平扩展与垂直扩展。简而言之, 垂直扩展意味着在性能更强的计算机上运行同样的服务,而水平扩展是并行地运行多个服务。

如今,几乎没有人说垂直扩展了。原因很简单:

  • 随着计算机性能的增长,其价格会成倍增长
  • 单台计算机的性能是有上限的,不可能无限制地垂直扩展
  • 多核CPU意味着即使是单台计算机也可以并行的。那么,为什么不一开始就并行化呢?

现在我们水平扩展服务。需要哪些步骤呢?

1.单台服务器 + 数据库

上图可能是你后端服务最初的样子。有一个执行业务逻辑的应用服务器(Application Server)和保存数据的数据库。

看上去很不错。但是这样的配置,满足更高要求的唯一方法是在性能更强的计算机上运行,这点不是很好。

2. 增加一个反向代理

成为大规模服务架构的第一步是添加反向代理。类似于酒店大堂的接待处。

你也可以让客人直接去他们的客房。但是实际上,你需要一个中间人他去检查是否允许客人进入, 如果客房没有开放,得有人告诉客人,而不是让客人处于尴尬的境地。这些事情正是反向代理需要做的。

通常,代理是一个接收和转发请求的过程。正常情况下,「正向代理」代理的对象是客户端,「反向代理」代理的对象是服务端,它完成这些功能:

  • 健康检查功能,确保我们的服务器是一直处于运行状态的
  • 路由转发功能,把请求转发到正确的服务路径上
  • 认证功能,确保用户有权限访问后端服务器
  • 防火墙功能,确保用户只能访问允许使用的网络部分等等

3.引入负载均衡器

大多数反向代理还有另外一个功能:他们也可以充当负载均衡器。

负载均衡器是个简单概念,想象下有一百个用户在一分钟之内在你的网店里付款。遗憾的是,你的付款服务器在一分钟内只能处理50笔付款。这怎么办呢?同时运行两个付款服务器就行了。

负载均衡器的功能就是把付款请求分发到两台付款服务器上。用户1往左,用户2往右,用户3再往左。。。以此类推。

如果一次有500个用户需要立刻付款,这该怎么解决呢?确切地说,你可以扩展到十台付款服务器,之后让负载均衡器分发请求到这十台服务器上。

4.扩展数据库

负载均衡器的使用使得我们可以在多个服务器之间分配负载。但是你发现问题了吗?尽管我们可以用成百上千台服务器处理请求,但是他们都是用同一个数据库存储和检索数据。

那么,我们不能以同样的方式来扩展数据库吗?很遗憾,这里有个一致性的问题。

系统使用的所有服务需要就他们使用的数据达成一致。数据不一致会导致各种问题,如订单被多次处理,从一个余额只有100元的账户中扣除两笔90元的付款等等......那么我们在扩展数据库的时候如何确保一致性呢?

我们需要做的第一件事是把数据库分成多个部分。一部分专门负责接收并存储数据,其他部分负责检索数据。这个方案有时称为主从模式或者单实例写多副本读。这里假设是从数据库读的频率高于写的频率。这个方案的好处是保证了一致性,因为数据只能被单实例写入,之后把写入数据同步到其他部分即可。缺点是我们仍然只有一个写数据库实例。

这对于中小型的Web应用来说没问题, 但是像Facebook这样的则不会这样做了。我们会在第九节中研究扩展数据库的步骤。

5.微服务

到目前为止,我们的付款、订单、库存、用户管理等等这些功能都在一台服务器上。

这也不是坏事,单个服务器同时意味着更低的复杂性。随着规模的增加,事情会变得复杂和低效:

  • 开发团队随着应用的发展而增长。但是随着越来越多的开发人员工作在同一台服务器上,发生冲突的可能性很大。
  • 仅有一台服务器,意味着每当我们发布新版本时,必须要等所有工作完成后才能发布。当一个团队想快速地发布而另外一个团队只完成了一半工作的时候,这种互相依赖性很危险。

对于这些问题的解决方案是一个新的架构范式:微服务, 它已经在开发人员中掀起了风暴。

  • 每个服务都可以单独扩展,更好地适应需求
  • 开发团队之间相互独立,每个团队都负责自己的微服务生命周期(创建,部署,更新等)
  • 每个微服务都有自己的资源,比如数据库,进一步缓解了第4节中的问题。

6.缓存和内容分发网络(CDN)

有什么方式能使服务更高效? 网络应用的很大一部由静态资源构成,如图片、CSS样式文件、JavaScript脚本以及一些针对特定产品提前渲染好的页面等等。

我们使用缓存而不是对每个请求都重新处理,缓存用于记住最后一次的结果并交由其他服务或者客户端,这样就不用每次都请求后端服务了。

缓存的加强版叫内容分发网络(Content Delivery Network),遍布全球的大量缓存。 这使得用户可以从物理上靠近他们的地方来获取网页内容,而不是每次都把数据从源头搬到用户那里。

7.消息队列

你去过游乐园吗?你是否走到售票柜台去买票?也许不是这样,可能是排队等候。政府机构、邮局、游乐园入口都属于并行概念的例子,多个售票亭同时售票,但似乎也永远不足以为每个人立即服务,于是队列形成了。

队列同样也是用于大型Web应用。每分钟都有成千上万的图片上传到Instagram、Facebook每个图片都需要处理,调整大小,分析与打标签,这些都是耗时的处理过程。

因此,不要让用户等到完成所有步骤,图片接收服务只需要做以下三件事:

  • 存储原始的、未处理的图片
  • 向用户确认图片已经上传
  • 创建一个待办的任务

这个待办事项列表中的任务可以被其他任意数量服务接收,每个服务完成其中一个任务,直到所有的待办事项完成。管理这些“待办事项列表”的称为消息队列。使用这样的队列有许多优点:

  • 解耦了任务和处理过程。有时需要处理大量的图片,有时很少。有时有大量服务可用,有时很少可用。简单地把任务添加到待办事项而不是直接处理它们,这确保了系统保持响应并且任务也不会丢失。
  • 可以按需扩展。启动大量的服务比较耗时,所以当有大量用户上传图片时再去启动服务,这已经太晚了。我们把任务添加到队列中,我们可以推迟提供额外的处理能力。

好了,如果按照我们上面的所有步骤操作下来,我们的系统已经做好提供大流量服务的准备了。但是如果还想提供更大量的,该怎么做呢?还有一些可以做:

8.分片,分片,还是分片

什么是分片?好吧,深呼吸一下,准备好了吗?我们看下定义:

"Sharding is a technique of parallelizing an application's stacks by separating them into multiple units, each responsible for a certain key or namespace"

哎呦...... 分片究竟是是什么意思呢?

其实也很简单:Facebook上需要为20亿用户提供个人资料, 可以把你的应用架构分解为 26个mini-Facebook, 用户名如果以A开头,会被mini-facebook A处理, 用户名如果以B开头,会被mini-facebook B来处理……

分片不一定按字母顺序,根据业务需要,你可以基于任何数量的因素,比如位置、使用频率(特权用户被路由到好的硬件)等等。你可以根据需要以这种方式切分服务器、数据库或其他方面。

9. 对负载均衡器进行负载均衡

到目前为止,我们一直使用一个负载均衡器,即使你购买的一些功能强悍(且其价格极其昂贵)的硬件负载均衡器,但是他们可以处理的请求量也存在硬件限制。

幸运地是,我们可以有一个全球性、分散且稳定的层,用于在请求达到负载均衡器之前对请求负载均衡。最棒的地方是免费,这是域名系统或简称DNS。DNS将域名(如arcentry.com)映射到IP,143.204.47.77。DNS允许我们为域名指定多个IP,每个IP都会解析到不同的负载均衡器。

你看,扩展Web应用确实需要考虑很多东西,感谢你和我们一起待了这么久。我希望这篇文章能给你一些有用的东西。但是如果你做任何IT领域相关的工作,你在阅读本文的时候,可能有个问题一直萦绕在你的脑海:"云服务是怎样的呢?"

Cloud Computing / Serverless

但是云服务如何呢?确实,它是上面许多问题最有效的解决方案。

你无需解决这些难题。相反,这些难题留给了云厂商,他们为我们提供一个系统,可以根据需求进行扩展,而不用担心错综复杂的问题。

例如。Arcentry网站不会执行上述讨论的任何操作(除了数据库的读写分离),而只是把这些难题留给Amazon Web Service Lambda函数处理了,用户省去了烦恼。

本文分享自微信公众号 - 人人都是极客(rrgeek)

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原始发表时间:2019-05-03

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