谈谈异地多活架构

无论是高可用计算架构,还是高可用存储架构,其本质的设计目的都是为了解决部分服务器故障的场景下,如何保证系统能够继续提供服务。但在一些极端场景下,有可能所有服务器都出现故障。例如,典型的有机房断电、机房火灾、地震、水灾……这些极端情况会导致某个系统所有服务器都故障,或者业务整体瘫痪,而且即使有其他地区的备份,把备份业务系统全部恢复到能够正常提供业务,花费的时间也比较长,可能是半小时,也可能是12小时。因为备份系统平时不对外提供服务,可能会存在很多隐藏的问题没有发现。如果业务期望达到即使在此类灾难性故障的情况下,业务也不受影响,或者在几分钟内就能够很快恢复,那么就需要设计异地多活架构。

应用场景

顾名思义,异地多活架构的关键点就是异地、多活,其中异地就是指地理位置上不同的地方,类似于“不要把鸡蛋都放在同一篮子里”;多活就是指不同地理位置上的系统都能够提供业务服务,这里的“活”是活动、活跃的意思。判断一个系统是否符合异地多活,需要满足两个标准:

  • 正常情况下,用户无论访问哪一个地点的业务系统,都能够得到正确的业务服务。
  • 某个地方业务异常的时候,用户访问其他地方正常的业务系统,能够得到正确的业务服务。

与“活”对应的是字是“备”,备是备份,正常情况下对外是不提供服务的,如果需要提供服务,则需要大量的人工干预和操作,花费大量的时间才能让“备”变成“活”。

单纯从异地多活的描述来看,异地多活很强大,能够保证在灾难的情况下业务都不受影响。那是不是意味着不管什么业务,我们都要去实现异地多活架构呢?其实不然,因为实现异地多活架构不是没有代价的,相反其代价很高,具体表现为:

  • 系统复杂度会发生质的变化,需要设计复杂的异地多活架构。
  • 成本会上升,毕竟要多在一个或者多个机房搭建独立的一套业务系统。

因此,异地多活虽然功能很强大,但也不是每个业务不管三七二十一都要上异地多活。例如,常见的新闻网站、企业内部的IT系统、游戏、博客站点等,如果无法承受异地多活带来的复杂度和成本,是可以不做异地多活的,只需要做异地备份即可。因为这类业务系统即使中断,对用户的影响并不会很大,例如,A新闻网站看不了,用户换个新闻网站即可。而共享单车、滴滴出行、支付宝、微信这类业务,就需要做异地多活了,这类业务系统中断后,对用户的影响很大。例如,支付宝用不了,就没法买东西了;滴滴用不了,用户就打不到车了。

当然,如果业务规模很大,能够做异地多活的情况下还是尽量。首先,这样能够在异常的场景下给用户提供更好的体验;其次,业务规模很大肯定会伴随衍生的收入,例如广告收入,异地多活能够减少异常场景带来的收入损失。同样以新闻网站为例,虽然从业务的角度来看,新闻类网站对用户影响不大,反正用户也可以从其他地方看到基本相同的新闻,甚至用户几个小时不看新闻也没什么问题。但是从网站本身来看,几个小时不可访问肯定会影响用户对网站的口碑;其次几个小时不可访问,网站上的广告收入损失也会很大。

架构模式

根据地理位置上的距离来划分,异地多活架构可以分为同城异区、跨城异地、跨国异地。接下来我详细解释一下每一种架构的细节与优缺点。

  1. 同城异区 同城异区指的是将业务部署在同一个城市不同区的多个机房。例如,在北京部署两个机房,一个机房在海淀区,一个在通州区,然后将两个机房用专用的高速网络连接在一起。 如果我们考虑一些极端场景(例如,美加大停电、新奥尔良水灾),同城异区似乎没什么作用,那为何我们还要设计同城异区这种架构呢?答案就在于“同城”。 同城的两个机房,距离上一般大约就是几十千米,通过搭建高速的网络,同城异区的两个机房能够实现和同一个机房内几乎一样的网络传输速度。这就意味着虽然是两个不同地理位置上的机房,但逻辑上我们可以将它们看作同一个机房,这样的设计大大降低了复杂度,减少了异地多活的设计和实现复杂度及成本。 那如果采用了同城异区架构,一旦发生新奥尔良水灾这种灾难怎么办呢?很遗憾,答案是无能为力。但我们需要考虑的是,这种极端灾难发生概率是比较低的,可能几年或者十几年才发生一次。其次,除了这类灾难,机房火灾、机房停电、机房空调故障这类问题发生的概率更高,而且破坏力一样很大。而这些故障场景,同城异区架构都可以很好地解决。因此,结合复杂度、成本、故障发生概率来综合考虑,同城异区是应对机房级别故障的最优架构
  2. 跨城异地 跨城异地指的是业务部署在不同城市的多个机房,而且距离最好要远一些。例如,将业务部署在北京和广州两个机房,而不是将业务部署在广州和深圳的两个机房。 为何跨城异地要强调距离要远呢?前面我在介绍同城异区的架构时提到同城异区不能解决新奥尔良水灾这种问题,而两个城市离得太近又无法应对如美加大停电这种问题,跨城异地其实就是为了解决这两类问题的,因此需要在距离上比较远,才能有效应对这类极端灾难事件。 跨城异地虽然能够有效应对极端灾难事件,但“距离较远”这点并不只是一个距离数字上的变化,而是量变引起了质变,导致了跨城异地的架构复杂度大大上升。距离增加带来的最主要问题是两个机房的网络传输速度会降低,这不是以人的意志为转移的,而是物理定律决定的,即光速真空传播大约是每秒30万千米,在光纤中传输的速度大约是每秒20万千米,再加上传输中的各种网络设备的处理,实际还远远达不到理论上的速度。 除了距离上的限制,中间传输各种不可控的因素也非常多。例如,挖掘机把光纤挖断、中美海底电缆被拖船扯断、骨干网故障等,这些线路很多是第三方维护,针对故障我们根本无能为力也无法预知。例如,广州机房到北京机房,正常情况下RTT大约是50毫秒左右,遇到网络波动之类的情况,RTT可能飙升到500毫秒甚至1秒,更不用说经常发生的线路丢包问题,那延迟可能就是几秒几十秒了。 以上描述的问题,虽然同城异区理论上也会遇到,但由于同城异区距离较短,中间经过的线路和设备较少,问题发生的概率会低很多。而且同城异区距离短,即使是搭建多条互联通道,成本也不会太高,而跨城异区距离太远,搭建或者使用多通道的成本会高不少。 跨城异地距离较远带来的网络传输延迟问题,给异地多活架构设计带来了复杂性,如果要做到真正意义上的多活,业务系统需要考虑部署在不同地点的两个机房,在数据短时间不一致的情况下,还能够正常提供业务。这就引入了一个看似矛盾的地方:数据不一致业务肯定不会正常,但跨城异地肯定会导致数据不一致。 如何解决这个问题呢?重点还是在“数据”上,即根据数据的特性来做不同的架构。如果是强一致性要求的数据,例如银行存款余额、支付宝余额等,这类数据实际上是无法做到跨城异地多活的。我们来看一个假设的例子,假如我们做一个互联网金融的业务,用户余额支持跨城异地多活,我们的系统分别部署在广州和北京,那么如果挖掘机挖断光缆后,会出现如下场景:
  • 用户A余额有10000元钱,北京和广州机房都是这个数据。
  • 用户A向用户B转了5000元钱,这个操作是在广州机房完成的,完成后用户A在广州机房的余额是5000元。
  • 由于广州和北京机房网络被挖掘机挖断,广州机房无法将余额变动通知北京机房,此时北京机房用户A的余额还是10000元。
  • 用户A到北京机房又发起转账,此时他看到自己的余额还有10000元,于是向用户C转账10000元,转账完成后用户A的余额变为0。
  • 用户A到广州机房一看,余额怎么还有5000元?于是赶紧又发起转账,转账5000元给用户D;此时广州机房用户A的余额也变为0了。
  • 最终,本来余额10000元的用户A,却转了20000元出去给其他用户。

对于以上这种假设场景,虽然普通用户很难这样自如地操作,但如果真的这么做,被黑客发现后,后果不堪设想。正因为如此,支付宝等金融相关的系统,对余额这类数据,一般不会做跨城异地的多活架构,而只能采用同城异区这种架构

对数据一致性要求不那么高,或者数据不怎么改变,或者即使数据丢失影响也不大的业务,跨城异地多活就能够派上用场了。例如,用户登录(数据不一致时用户重新登录即可)、新闻类网站(一天内的新闻数据变化较少)、微博类网站(丢失用户发布的微博或者评论影响不大),这些业务采用跨城异地多活,能够很好地应对极端灾难的场景。

  1. 跨国异地

跨国异地指的是业务部署在不同国家的多个机房。相比跨城异地,跨国异地的距离就更远了,因此数据同步的延时会更长,正常情况下可能就有几秒钟了。这种程度的延迟已经无法满足异地多活标准的第一条:“正常情况下,用户无论访问哪一个地点的业务系统,都能够得到正确的业务服务”。例如,假设有一个微博类网站,分别在中国的上海和美国的纽约都建了机房,用户A在上海机房发表了一篇微博,此时如果他的一个关注者B用户访问到美国的机房,很可能无法看到用户A刚刚发表的微博。虽然跨城异地也会有此类同步延时问题,但正常情况下几十毫秒的延时对用户来说基本无感知的;而延时达到几秒钟就感觉比较明显了。

因此,跨国异地的“多活”,和跨城异地的“多活”,实际的含义并不完全一致。跨国异地多活的主要应用场景一般有这几种情况:

  • 为不同地区用户提供服务

例如,亚马逊中国是为中国用户服务的,而亚马逊美国是为美国用户服务的,亚马逊中国的用户如果访问美国亚马逊,是无法用亚马逊中国的账号登录美国亚马逊的。

  • 只读类业务做多活

例如,谷歌的搜索业务,由于用户搜索资料时,这些资料都已经存在于谷歌的搜索引擎上面,无论是访问英国谷歌,还是访问美国谷歌,搜索结果基本相同,并且对用户来说,也不需要搜索到最新的实时资料,跨国异地的几秒钟网络延迟,对搜索结果是没有什么影响的。

跨城架构设计技巧

每个架构的关键点:

  • 同城异区 关键在于搭建高速网络将两个机房连接起来,达到近似一个本地机房的效果。架构设计上可以将两个机房当作本地机房来设计,无须额外考虑。
  • 跨城异地 关键在于数据不一致的情况下,业务不受影响或者影响很小,这从逻辑的角度上来说其实是矛盾的,架构设计的主要目的就是为了解决这个矛盾。
  • 跨国异地 主要是面向不同地区用户提供业务,或者提供只读业务,对架构设计要求不高。

基于这个分析,跨城异地多活是架构设计复杂度最高的一种,接下来将介绍跨城异地多活架构设计的一些技巧

技巧1:保证核心业务的异地多活

“异地多活”是为了保证业务的高可用,但很多架构师在考虑这个“业务”时,会不自觉地陷入一个思维误区:我要保证所有业务都能“异地多活”!

假设我们需要做一个“用户子系统”,这个子系统负责“注册”“登录”“用户信息”三个业务。为了支持海量用户,我们设计了一个“用户分区”的架构,即正常情况下用户属于某个主分区,每个分区都有其他数据的备份,用户用邮箱或者手机号注册,路由层拿到邮箱或者手机号后,通过Hash计算属于哪个中心,然后请求对应的业务中心。基本的架构如下:

这样一个系统,如果3个业务要同时实现异地多活,会发现这些难以解决的问题:

  • 注册问题 A中心注册了用户,数据还未同步到B中心,此时A中心宕机,为了支持注册业务多活,可以挑选B中心让用户去重新注册。看起来很容易就支持多活了,但仔细思考一下会发现这样做会有问题:一个手机号只能注册一个账号,A中心的数据没有同步过来,B中心无法判断这个手机号是否重复,如果B中心让用户注册,后来A中心恢复了,发现数据有冲突,怎么解决?实际上是无法解决的,因为同一个手机号注册的账号不能以后一次注册为准;而如果B中心不支持本来属于A中心的业务进行注册,注册业务的多活又成了空谈。 如果我们修改业务规则,允许一个手机号注册多个账号不就可以了吗? 这样做是不可行的,类似一个手机号只能注册一个账号这种规则,是核心业务规则,修改核心业务规则的代价非常大,几乎所有的业务都要重新设计,为了架构设计去改变业务规则(而且是这么核心的业务规则)是得不偿失的。
  • 用户信息问题 用户信息的修改和注册有类似的问题,即A、B两个中心在异常的情况下都修改了用户信息,如何处理冲突? 由于用户信息并没有账号那么关键,一种简单的处理方式是按照时间合并,即最后修改的生效。业务逻辑上没问题,但实际操作也有一个很关键的“坑”:怎么保证多个中心所有机器时间绝对一致?在异地多中心的网络下,这个是无法保证的,即使有时间同步也无法完全保证,只要两个中心的时间误差超过1秒,数据就可能出现混乱,即先修改的反而生效。 还有一种方式是生成全局唯一递增ID,这个方案的成本很高,因为这个全局唯一递增ID的系统本身又要考虑异地多活,同样涉及数据一致性和冲突的问题。

综合上面的简单分析可以发现,如果“注册”“登录”“用户信息”全部都要支持异地多活,实际上是挺难的,有的问题甚至是无解的。那这种情况下我们应该如何考虑“异地多活”的架构设计呢?答案其实很简单:优先实现核心业务的异地多活架构!

对于这个模拟案例来说,“登录”才是最核心的业务,“注册”和“用户信息”虽然也是主要业务,但并不一定要实现异地多活,主要原因在于业务影响不同。对于一个日活1000万的业务来说,每天注册用户可能是几万,修改用户信息的可能还不到1万,但登录用户是1000万,很明显我们应该保证登录的异地多活。

对于新用户来说,注册不了的影响并不明显,因为他还没有真正开始使用业务。用户信息修改也类似,暂时修改不了用户信息,对于其业务不会有很大影响。而如果有几百万用户登录不了,就相当于几百万用户无法使用业务,对业务的影响就非常大了:公司的客服热线很快就被打爆,微博、微信上到处都在传业务宕机,论坛里面到处是抱怨的用户,那就是互联网大事件了!

而登录实现“异地多活”恰恰是最简单的,因为每个中心都有所有用户的账号和密码信息,用户在哪个中心都可以登录。用户在A中心登录,A中心宕机后,用户到B中心重新登录即可。

如果某个用户在A中心修改了密码,此时数据还没有同步到B中心,用户到B中心登录是无法登录的,这个怎么处理?这个问题其实就涉及另外一个设计技巧了,稍后再谈。

技巧2:保证核心数据最终一致性

异地多活本质上是通过异地的数据冗余,来保证在极端异常的情况下业务也能够正常提供给用户,因此数据同步是异地多活架构设计的核心。但大部分架构师在考虑数据同步方案时,会不知不觉地陷入完美主义误区:我要所有数据都实时同步!

数据冗余是要将数据从A地同步到B地,从业务的角度来看是越快越好,最好和本地机房一样的速度最好。但让人头疼的问题正在这里:异地多活理论上就不可能很快,因为这是物理定律决定的。

因此异地多活架构面临一个无法彻底解决的矛盾:业务上要求数据快速同步,物理上正好做不到数据快速同步,因此所有数据都实时同步,实际上是一个无法达到的目标。

既然是无法彻底解决的矛盾,那就只能想办法尽量减少影响。有几种方法可以参考:

  • 尽量减少异地多活机房的距离,搭建高速网络 和同城异区架构类似,但搭建跨城异地的高速网络成本远远超过同城异区的高速网络,成本巨大,一般只有巨头公司才能承担。
  • 尽量减少数据同步,只同步核心业务相关的数据 简单来说就是不重要的数据不同步,同步后没用的数据不同步,只同步核心业务相关的数据。 以前面的“用户子系统”为例,用户登录所产生的token或者session信息,数据量很大,但其实并不需要同步到其他业务中心,因为这些数据丢失后重新登录就可以再次获取了。 这时你可能会想到:这些数据丢失后要求用户重新登录,影响用户体验! 确实如此,毕竟需要用户重新输入账户和密码信息,或者至少要弹出登录界面让用户点击一次,但相比为了同步所有数据带来的代价,这个影响完全可以接受。为什么这么说呢,还是卖个关子我会在后面分析。
  • 保证最终一致性,不保证实时一致性 最终一致性就是BASE理论,即业务不依赖数据同步的实时性,只要数据最终能一致即可。例如,A机房注册了一个用户,业务上不要求能够在50毫秒内就同步到所有机房,正常情况下要求5分钟同步到所有机房即可,异常情况下甚至可以允许1小时或者1天后能够一致。 最终一致性在具体实现时,还需要根据不同的数据特征,进行差异化的处理,以满足业务需要。例如,对“账号”信息来说,如果在A机房新注册的用户5分钟内正好跑到B机房了,此时B机房还没有这个用户的信息,为了保证业务的正确,B机房就需要根据路由规则到A机房请求数据。 而对“用户信息”来说,5分钟后同步也没有问题,也不需要采取其他措施来弥补,但还是会影响用户体验,即用户看到了旧的用户信息,这个问题怎么解决呢?好像又是一个解决不了的问题,在最后会给出答案。

技巧3:采用多种手段同步数据

数据同步是异地多活架构设计的核心,幸运的是基本上存储系统本身都会有同步的功能。例如,MySQL的主备复制、Redis的Cluster功能、Elasticsearch的集群功能。这些系统本身的同步功能已经比较强大,能够直接拿来就用,但这也无形中将我们引入了一个思维误区:只使用存储系统的同步功能!

既然说存储系统本身就有同步功能,而且同步功能还很强大,为何说只使用存储系统是一个思维误区呢?因为虽然绝大部分场景下,存储系统本身的同步功能基本上也够用了,但在某些比较极端的情况下,存储系统本身的同步功能可能难以满足业务需求

以MySQL为例,MySQL 5.1版本的复制是单线程的复制,在网络抖动或者大量数据同步时,经常发生延迟较长的问题,短则延迟十几秒,长则可能达到十几分钟。而且即使我们通过监控的手段知道了MySQL同步时延较长,也难以采取什么措施,只能干等。

Redis又是另外一个问题,Redis 3.0之前没有Cluster功能,只有主从复制功能,而为了设计上的简单,Redis 2.8之前的版本,主从复制有一个比较大的隐患:从机宕机或者和主机断开连接都需要重新连接主机,重新连接主机都会触发全量的主从复制。这时主机会生成内存快照,主机依然可以对外提供服务,但是作为读的从机,就无法提供对外服务了,如果数据量大,恢复的时间会相当长。

综合上面的案例可以看出,存储系统本身自带的同步功能,在某些场景下是无法满足业务需要的。尤其是异地多机房这种部署,各种各样的异常情况都可能出现,当我们只考虑存储系统本身的同步功能时,就会发现无法做到真正的异地多活。

解决的方案就是拓开思路,避免只使用存储系统的同步功能,可以将多种手段配合存储系统的同步来使用,甚至可以不采用存储系统的同步方案,改用自己的同步方案。

还是以前面的“用户子系统”为例,我们可以采用如下几种方式同步数据:

  • 消息队列方式 对于账号数据,由于账号只会创建,不会修改和删除(假设我们不提供删除功能),我们可以将账号数据通过消息队列同步到其他业务中心。
  • 二次读取方式 某些情况下可能出现消息队列同步也延迟了,用户在A中心注册,然后访问B中心的业务,此时B中心本地拿不到用户的账号数据。为了解决这个问题,B中心在读取本地数据失败时,可以根据路由规则,再去A中心访问一次(这就是所谓的二次读取,第一次读取本地,本地失败后第二次读取对端),这样就能够解决异常情况下同步延迟的问题。
  • 存储系统同步方式 对于密码数据,由于用户改密码频率较低,而且用户不可能在1秒内连续改多次密码,所以通过数据库的同步机制将数据复制到其他业务中心即可,用户信息数据和密码类似。
  • 回源读取方式 对于登录的session数据,由于数据量很大,我们可以不同步数据;但当用户在A中心登录后,然后又在B中心登录,B中心拿到用户上传的session id后,根据路由判断session属于A中心,直接去A中心请求session数据即可;反之亦然,A中心也可以到B中心去获取session数据。
  • 重新生成数据方式 对于“回源读取”场景,如果异常情况下,A中心宕机了,B中心请求session数据失败,此时就只能登录失败,让用户重新在B中心登录,生成新的session数据。

注意:以上方案仅仅是示意,实际的设计方案要比这个复杂一些,还有很多细节要考虑。

综合上述的各种措施,最后“用户子系统”同步方式整体如下:

技巧4:只保证绝大部分用户的异地多活

前面在给出每个思维误区对应的解决方案时,留下了几个小尾巴:某些场景下我们无法保证100%的业务可用性,总是会有一定的损失。例如,密码不同步导致无法登录、用户信息不同步导致用户看到旧的信息等,这个问题怎么解决呢?

其实这个问题涉及异地多活架构设计中一个典型的思维误区:我要保证业务100%可用!但极端情况下就是会丢一部分数据,就是会有一部分数据不能同步,有没有什么巧妙能做到100%可用呢?

很遗憾,答案是没有!异地多活也无法保证100%的业务可用,这是由物理规律决定的,光速和网络的传播速度、硬盘的读写速度、极端异常情况的不可控等,都是无法100%解决的。所以针对这个思维误区,我的答案是“忍”!也就是说我们要忍受这一小部分用户或者业务上的损失,否则本来想为了保证最后的0.01%的用户的可用性,做一个完美方案,结果却发现99.99%的用户都保证不了了。

对于某些实时强一致性的业务,实际上受影响的用户会更多,甚至可能达到1/3的用户。以银行转账这个业务为例,假设小明在北京XX银行开了账号,如果小明要转账,一定要北京的银行业务中心才可用,否则就不允许小明自己转账。如果不这样的话,假设在北京和上海两个业务中心实现了实时转账的异地多活,某些异常情况下就可能出现小明只有1万元存款,他在北京转给了张三1万元,然后又到上海转给了李四1万元,两次转账都成功了。这种漏洞如果被人利用,后果不堪设想。

当然,针对银行转账这个业务,虽然无法做到“实时转账”的异地多活,但可以通过特殊的业务手段让转账业务也能实现异地多活。例如,转账业务除了“实时转账”外,还提供“转账申请”业务,即小明在上海业务中心提交转账请求,但上海的业务中心并不立即转账,而是记录这个转账请求,然后后台异步发起真正的转账操作,如果此时北京业务中心不可用,转账请求就可以继续等待重试;假设等待2个小时后北京业务中心恢复了,此时上海业务中心去请求转账,发现余额不够,这个转账请求就失败了。小明再登录上来就会看到转账申请失败,原因是“余额不足”。

不过需要注意的是“转账申请”的这种方式虽然有助于实现异地多活,但其实还是牺牲了用户体验的,对于小明来说,本来一次操作的事情,需要分为两次:一次提交转账申请,另外一次是要确认是否转账成功。

虽然我们无法做到100%可用性,但并不意味着我们什么都不能做,为了让用户心里更好受一些,我们可以采取一些措施进行安抚或者补偿,例如:

  • 挂公告 说明现在有问题和基本的问题原因,如果不明确原因或者不方便说出原因,可以发布“技术哥哥正在紧急处理”这类比较轻松和有趣的公告。
  • 事后对用户进行补偿 例如,送一些业务上可用的代金券、小礼包等,减少用户的抱怨。
  • 补充体验 对于为了做异地多活而带来的体验损失,可以想一些方法减少或者规避。以“转账申请”为例,为了让用户不用确认转账申请是否成功,我们可以在转账成功或者失败后直接给用户发个短信,告诉他转账结果,这样用户就不用时不时地登录系统来确认转账是否成功了。

核心思想

异地多活设计的理念可以总结为一句话:采用多种手段,保证绝大部分用户的核心业务异地多活!

跨城架构设计步骤

第1步:业务分级

按照一定的标准将业务进行分级,挑选出核心的业务,只为核心业务设计异地多活,降低方案整体复杂度和实现成本。

常见的分级标准有下面几种:

  • 访问量大的业务 以用户管理系统为例,业务包括登录、注册、用户信息管理,其中登录的访问量肯定是最大的。
  • 核心业务 以QQ为例,QQ的主场景是聊天,QQ空间虽然也是重要业务,但和聊天相比,重要性就会低一些,如果要从聊天和QQ空间两个业务里面挑选一个做异地多活,那明显聊天要更重要(当然,此类公司如腾讯,应该是两个都实现了异地多活的)。
  • 产生大量收入的业务 同样以QQ为例,聊天可能很难为腾讯带来收益,因为聊天没法插入广告;而QQ空间反而可能带来更多收益,因为QQ空间可以插入很多广告,因此如果从收入的角度来看,QQ空间做异地多活的优先级反而高于QQ聊天了。

以我们一直在举例的用户管理系统为例,“登录”业务符合“访问量大的业务”和“核心业务”这两条标准,因此我们将登录业务作为核心业务。

第2步:数据分类

挑选出核心业务后,需要对核心业务相关的数据进一步分析,目的在于识别所有的数据及数据特征,这些数据特征会影响后面的方案设计。

常见的数据特征分析维度有:

  • 数据量 这里的数据量包括总的数据量和新增、修改、删除的量。对异地多活架构来说,新增、修改、删除的数据就是可能要同步的数据,数据量越大,同步延迟的几率越高,同步方案需要考虑相应的解决方案。
  • 唯一性 唯一性指数据是否要求多个异地机房产生的同类数据必须保证唯一。例如用户ID,如果两个机房的两个不同用户注册后生成了一样的用户ID,这样业务上就出错了。 数据的唯一性影响业务的多活设计,如果数据不需要唯一,那就说明两个地方都产生同类数据是可能的;如果数据要求必须唯一,要么只能一个中心点产生数据,要么需要设计一个数据唯一生成的算法。
  • 实时性 实时性指如果在A机房修改了数据,要求多长时间必须同步到B机房,实时性要求越高,对同步的要求越高,方案越复杂。
  • 可丢失性 可丢失性指数据是否可以丢失。例如,写入A机房的数据还没有同步到B机房,此时A机房机器宕机会导致数据丢失,那这部分丢失的数据是否对业务会产生重大影响。 例如,登录过程中产生的session数据就是可丢失的,因为用户只要重新登录就可以生成新的session;而用户ID数据是不可丢失的,丢失后用户就会失去所有和用户ID相关的数据,例如用户的好友、用户的钱等。
  • 可恢复性 可恢复性指数据丢失后,是否可以通过某种手段进行恢复,如果数据可以恢复,至少说明对业务的影响不会那么大,这样可以相应地降低异地多活架构设计的复杂度。 例如,用户的微博丢失后,用户重新发一篇一模一样的微博,这个就是可恢复的;或者用户密码丢失,用户可以通过找回密码来重新设置一个新密码,这也算是可以恢复的;而用户账号如果丢失,用户无法登录系统,系统也无法通过其他途径来恢复这个账号,这就是不可恢复的数据。

我们同样以用户管理系统的登录业务为例,简单分析如下表所示。

第3步:数据同步

确定数据的特点后,我们可以根据不同的数据设计不同的同步方案。常见的数据同步方案有:

  • 存储系统同步 这是最常用也是最简单的同步方式。例如,使用MySQL的数据主从数据同步、主主数据同步。 这类数据同步的优点是使用简单,因为几乎主流的存储系统都会有自己的同步方案;缺点是这类同步方案都是通用的,无法针对业务数据特点做定制化的控制。例如,无论需要同步的数据量有多大,MySQL都只有一个同步通道。因为要保证事务性,一旦数据量比较大,或者网络有延迟,则同步延迟就会比较严重。
  • 消息队列同步 采用独立消息队列进行数据同步,常见的消息队列有Kafka、ActiveMQ、RocketMQ等。 消息队列同步适合无事务性或者无时序性要求的数据。例如,用户账号,两个用户先后注册了账号A和B,如果同步时先把B同步到异地机房,再同步A到异地机房,业务上是没有问题的。而如果是用户密码,用户先改了密码为m,然后改了密码为n,同步时必须先保证同步m到异地机房,再同步n到异地机房;如果反过来,同步后用户的密码就不对了。因此,对于新注册的用户账号,我们可以采用消息队列同步了;而对于用户密码,就不能采用消息队列同步了(也可以使用加一个时间数据块的方法实现,但过于复杂)。
  • 重复生成 数据不同步到异地机房,每个机房都可以生成数据,这个方案适合于可以重复生成的数据。例如,登录产生的cookie、session数据、缓存数据等。

我们同样以用户管理系统的登录业务为例,针对不同的数据特点设计不同的同步方案,如下表所示。

第4步:异常处理

无论数据同步方案如何设计,一旦出现极端异常的情况,总是会有部分数据出现异常的。例如,同步延迟、数据丢失、数据不一致等。异常处理就是假设在出现这些问题时,系统将采取什么措施来应对。异常处理主要有以下几个目的:

  • 问题发生时,避免少量数据异常导致整体业务不可用。
  • 问题恢复后,将异常的数据进行修正。
  • 对用户进行安抚,弥补用户损失。

常见的异常处理措施有这几类:

1. 多通道同步

多通道同步的含义是采取多种方式来进行数据同步,其中某条通道故障的情况下,系统可以通过其他方式来进行同步,这种方式可以应对同步通道处故障的情况。

以用户管理系统中的用户账号数据为例,我们的设计方案一开始挑选了消息队列的方式进行同步,考虑异常情况下,消息队列同步通道可能中断,也可能延迟很严重;为了保证新注册账号能够快速同步到异地机房,我们再增加一种MySQL同步这种方式作为备份。这样针对用户账号数据同步,系统就有两种同步方式:MySQL主从同步和消息队列同步。除非两个通道同时故障,否则用户账号数据在其中一个通道异常的情况下,能够通过另外一个通道继续同步到异地机房,如下图所示。

多通道同步设计的方案关键点有:

  • 一般情况下,采取两通道即可,采取更多通道理论上能够降低风险,但付出的成本也会增加很多。
  • 数据库同步通道和消息队列同步通道不能采用相同的网络连接,否则一旦网络故障,两个通道都同时故障;可以一个走公网连接,一个走内网连接。
  • 需要数据是可以重复覆盖的,即无论哪个通道先到哪个通道后到,最终结果是一样的。例如,新建账号数据就符合这个标准,而密码数据则不符合这个标准。

2. 同步和访问结合

这里的访问指异地机房通过系统的接口来进行数据访问。例如业务部署在异地两个机房A和B,B机房的业务系统通过接口来访问A机房的系统获取账号信息,如下图所示。

同步和访问结合方案的设计关键点有:

  • 接口访问通道和数据库同步通道不能采用相同的网络连接,不能让数据库同步和接口访问都走同一条网络通道,可以采用接口访问走公网连接,数据库同步走内网连接这种方式。
  • 数据有路由规则,可以根据数据来推断应该访问哪个机房的接口来读取数据。例如,有3个机房A、B、C,B机房拿到一个不属于B机房的数据后,需要根据路由规则判断是访问A机房接口,还是访问C机房接口。
  • 由于有同步通道,优先读取本地数据,本地数据无法读取到再通过接口去访问,这样可以大大降低跨机房的异地接口访问数量,适合于实时性要求非常高的数据。

3. 日志记录

日志记录主要用于用户故障恢复后对数据进行恢复,其主要方式是每个关键操作前后都记录相关一条日志,然后将日志保存在一个独立的地方,当故障恢复后,拿出日志跟数据进行对比,对数据进行修复。

为了应对不同级别的故障,日志保存的要求也不一样,常见的日志保存方式有:

  • 服务器上保存日志,数据库中保存数据,这种方式可以应对单台数据库服务器故障或者宕机的情况。
  • 本地独立系统保存日志,这种方式可以应对某业务服务器和数据库同时宕机的情况。例如,服务器和数据库部署在同一个机架,或者同一个电源线路上,就会出现服务器和数据库同时宕机的情况。
  • 日志异地保存,这种方式可以应对机房宕机的情况。

上面不同的日志保存方式,应对的故障越严重,方案本身的复杂度和成本就会越高,实际选择时需要综合考虑成本和收益情况。

4. 用户补偿

无论采用什么样的异常处理措施,都只能最大限度地降低受到影响的范围和程度,无法完全做到没有任何影响。例如,双同步通道有可能同时出现故障、日志记录方案本身日志也可能丢失。因此,无论多么完美的方案,故障的场景下总是可能有一小部分用户业务上出问题,系统无法弥补这部分用户的损失。但我们可以采用人工的方式对用户进行补偿,弥补用户损失,培养用户的忠诚度。简单来说,系统的方案是为了保证99.99%的用户在故障的场景下业务不受影响,人工的补偿是为了弥补0.01%的用户的损失。

常见的补偿措施有送用户代金券、礼包、礼品、红包等,有时为了赢得用户口碑,付出的成本可能还会比较大,但综合最终的收益来看还是很值得的。例如暴雪《炉石传说》2017年回档故障,暴雪给每个用户大约价值人民币200元的补偿,结果玩家都求暴雪再来一次回档,形象地说明了玩家对暴雪补偿的充分认可。

只要在2017年1月18日18点之前登录过国服《炉石传说》的玩家,均可获得与25卡牌包等值的补偿,具体如下:

  • 1000游戏金币;
  • 15个卡牌包:经典卡牌包x5、上古之神的低语卡牌包x5、龙争虎斗加基森卡牌包x5。

来源:小马过河 原文:http://t.cn/EKx65SB 题图:来自谷歌图片搜索 版权:本文版权归原作者所有 投稿:欢迎投稿,投稿邮箱: editor@hi-linux.com

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—— 居里夫人

本文分享自微信公众号 - 运维之美(Hi-Linux)

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原始发表时间:2019-05-20

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