大型网站技术架构

主要来自李智慧的《大型网站技术架构：核心原理与案例分析》

大型网站系统的特点

高并发，大流量

需要面对高并发用户，大流量访问。Google 日均 PV 35 亿，日 IP 访问数 3 亿；腾讯 QQ 的最大在线用户数 1.4 亿（2011年数据）。

高可用

系统 7 x 24 小时不间断服务。例如：2010年百度域名被黑客劫持导致不能访问，成为重大新闻热点。

海量数据

需要存储、管理海量数据，需要使用大量服务器。Facebook 每周上传的照片数量接近 10 亿，百度收录的网页数目有数百亿，Google 有近百万台服务器为全球用户提供服务。

用户分布广泛，网络情况复杂

许多大型互联网站都是为全球用户提供服务的，用户分布范围广，各地网络情况千差万别。在国内，还有各个运营商网络互通难的问题。

安全环境恶劣

由于互联网的开放性，使得互联网站更容易受到攻击，大型网站几乎每天都会被黑客攻击。

需求快速变更，发布频繁

和传统软件的版本发布频率不同，互联网产品为快速适应市场，满足用户需求，其产品发布频率极高。一般大型网站的产品每周都有新版本发布上线，中小型网站的发布更频繁，有时候一天会发布几十次。

渐进式发展

几乎所有的大型互联网网站都是从一个小网站开始，渐进地发展起来的。Facebook 是扎克伯格同学在哈佛大学的宿舍里开发的；Google 的第一台服务器部署在斯坦福大学的实验室；阿里巴巴是在马云家的客厅诞生的。好的互联网产品都是慢慢运营出来的，不是一开始就开发好的，这也正好与网站架构的发展演化过程对应。

大型网站架构演化发展历程

大型网站的技术挑战主要来自于庞大的用户，高并发的访问和海量的数据，任何简单的业务一旦需要处理数以 P 计的数据和面对数以亿计的用户，问题就会变得很棘手。大型网站架构主要解决这类问题。

初始阶段的网站架构

大型网站都是从小型网站发展而来，网站架构也是一样，是从小型网站架构逐步演化而来。小型网站最开始没有太多人访问，只需要一台服务器就绰绰有余，这时的网站架构如下图所示：

应用程序、数据库、文件等所有资源都在一台服务器上。

应用服务和数据服务分离

随着网站业务的发展，一台服务器逐渐不能满足需求：越来越多的用户访问导致性能越来越差，越来越多的数据导致存储空间不足。这时就需要将应用和数据分离。应用和数据分离后整个网站使用3台服务器：应用服务器、文件服务器和数据库服务器。这 3 台服务器对硬件资源的要求各不相同：

• 应用服务器需要处理大量的业务逻辑，因此需要更快更强大的CPU；
  
• 数据库服务器需要快速磁盘检索和数据缓存，因此需要更快的磁盘和更大的内存；
  
• 文件服务器需要存储大量用户上传的文件，因此需要更大的硬盘。
  

此时，网站系统的架构如下图所示：

应用和数据分离后，不同特性的服务器承担不同的服务角色，网站的并发处理能力和数据存储空间得到了很大改善，支持网站业务进一步发展。但是随着用户逐渐增多，网站又一次面临挑战：数据库压力太大导致访问延迟，进而影响整个网站的性能，用户体验受到影响。这时需要对网站架构进一步优化。

使用缓存改善网站性能

网站访问的特点和现实世界的财富分配一样遵循二八定律：80% 的业务访问集中在20% 的数据上。既然大部分业务访问集中在一小部分数据上，那么如果把这一小部分数据缓存在内存中，就可以减少数据库的访问压力，提高整个网站的数据访问速度，改善数据库的写入性能了。 网站使用的缓存可以分为两种：缓存在应用服务器上的本地缓存和缓存在专门的分布式缓存服务器上的远程缓存。

本地缓存的访问速度更快一些，但是受应用服务器内存限制，其缓存数据量有限，而且会出现和应用程序争用内存的情况。 远程分布式缓存可以使用集群的方式，部署大内存的服务器作为专门的缓存服务器，可以在理论上做到不受内存容量限制的缓存服务。

使用缓存后，数据访问压力得到有效缓解，但是单一应用服务器能够处理的请求连接有限，在网站访问高峰期，应用服务器成为整个网站的瓶颈。

使用应用服务器集群改善网站的并发处理能力

使用集群是网站解决高并发、海量数据问题的常用手段。当一台服务器的处理能力、存储空间不足时，不要企图去更换更强大的服务器，对大型网站而言，不管多么强大的服务器，都满足不了网站持续增长的业务需求。这种情况下，更恰当的做法是增加一台服务器分担原有服务器的访问及存储压力。 对网站架构而言，只要能通过增加一台服务器的方式改善负载压力，就可以以同样的方式持续增加服务器不断改善系统性能，从而实现系统的可伸缩性。应用服务器实现集群是网站可伸缩架构设计中较为简单成熟的一种，如下图所示：

通过负载均衡调度服务器，可以将来自用户浏览器的访问请求分发到应用服务器集群中的任何一台服务器上，如果有更多用户，就在集群中加入更多的应用服务器，使应用服务器的压力不再成为整个网站的瓶颈。

数据库读写分离

网站在使用缓存后，使对大部分数据读操作访问都可以不通过数据库就能完成，但是仍有一部分读操作（缓存访问不命中、缓存过期）和全部的写操作都需要访问数据库，在网站的用户达到一定规模后，数据库因为负载压力过高而成为网站的瓶颈。 目前大部分的主流数据库都提供主从热备功能，通过配置两台数据库主从关系，可以将一台数据库服务器的数据更新同步到另一台服务器上。网站利用数据库的这一功能，实现数据库读写分离，从而改善数据库负载压力。如下图所示：

应用服务器在写数据的时候，访问主数据库，主数据库通过主从复制机制将数据更新同步到从数据库，这样当应用服务器读数据的时候，就可以通过从数据库获得数据。为了便于应用程序访问读写分离后的数据库，通常在应用服务器端使用专门的数据访问模块，使数据库读写分离对应用透明。

使用反向代理和 CDN 加速网站响应

随着网站业务不断发展，用户规模越来越大，由于中国复杂的网络环境，不同地区的用户访问网站时，速度差别也极大。有研究表明，网站访问延迟和用户流失率正相关，网站访问越慢，用户越容易失去耐心而离开。为了提供更好的用户体验，留住用户，网站需要加速网站访问速度。主要手段有使用 CDN 和方向代理。如下图所示：

CDN 和反向代理的基本原理都是缓存。

• CDN 部署在网络提供商的机房，使用户在请求网站服务时，可以从距离自己最近的网络提供商机房获取数据
  
• 反向代理则部署在网站的中心机房，当用户请求到达中心机房后，首先访问的服务器是反向代理服务器，如果反向代理服务器中缓存着用户请求的资源，就将其直接返回给用户
  

使用 CDN 和反向代理的目的都是尽早返回数据给用户，一方面加快用户访问速度，另一方面也减轻后端服务器的负载压力。

使用分布式文件系统和分布式数据库系统

任何强大的单一服务器都满足不了大型网站持续增长的业务需求。数据库经过读写分离后，从一台服务器拆分成两台服务器，但是随着网站业务的发展依然不能满足需求，这时需要使用分布式数据库。文件系统也一样，需要使用分布式文件系统。如下图所示：

分布式数据库是网站数据库拆分的最后手段，只有在单表数据规模非常庞大的时候才使用。不到不得已时，网站更常用的数据库拆分手段是业务分库，将不同业务的数据部署在不同的物理服务器上。

使用 NoSQL 和搜索引擎

随着网站业务越来越复杂，对数据存储和检索的需求也越来越复杂，网站需要采用一些非关系数据库技术如 NoSQL 和非数据库查询技术如搜索引擎。如下图所示：

NoSQL 和搜索引擎都是源自互联网的技术手段，对可伸缩的分布式特性具有更好的支持。应用服务器则通过一个统一数据访问模块访问各种数据，减轻应用程序管理诸多数据源的麻烦。

业务拆分

大型网站为了应对日益复杂的业务场景，通过使用分而治之的手段将整个网站业务分成不同的产品线。如大型购物交易网站都会将首页、商铺、订单、买家、卖家等拆分成不同的产品线，分归不同的业务团队负责。

具体到技术上，也会根据产品线划分，将一个网站拆分成许多不同的应用，每个应用独立部署。应用之间可以通过一个超链接建立关系（在首页上的导航链接每个都指向不同的应用地址），也可以通过消息队列进行数据分发，当然最多的还是通过访问同一个数据存储系统来构成一个关联的完整系统，如下图所示：

分布式服务

随着业务拆分越来越小，存储系统越来越庞大，应用系统的整体复杂度呈指数级增加，部署维护越来越困难。由于所有应用要和所有数据库系统连接，在数万台服务器规模的网站中，这些连接的数目是服务器规模的平方，导致数据库连接资源不足，拒绝服务。

既然每一个应用系统都需要执行许多相同的业务操作，比如用户管理、商品管理等，那么可以将这些共用的业务提取出来，独立部署。由这些可复用的业务连接数据库，提供共用业务服务，而应用系统只需要管理用户界面，通过分布式服务调用共用业务服务完成具体业务操作。如下图所示：

大型网站的架构演化到这里，基本上大多数的技术问题都得以解决，诸如跨数据中心的实时数据同步和具体网站业务相关的问题也都可以通过组合改进现有技术架构解决。

网站架构设计误区

• 一味追随大公司的解决方案
  
• 为了技术而技术
  
• 企图用技术解决所有问题
  

网站架构模式

分层

分层是企业应用系统中最常见的一种架构牧师，将系统在横向维度上切分成几个部分，每个部分负责一部分相对简单并比较单一的职责，然后通过上层对下层的依赖和调度组成一个完整的系统。

分层架构不仅仅是为了规划软件的逻辑结构以便于开发维护，随着网站的发展，分层架构对网站的高并发分布式架构来说尤为重要，进行了分层以后，接下来可以从纵向进行业务分割，根据不同的业务模块一个项目划分成不同的模块交给单独的团队去开发部署，完成后分别部署在不同的服务器上，通过链接进行互联。再根据不同情况来对不同的节点进行冗余来保证网站的高可用性，接下来进行缓存，CDN，反向代理等等的优化。

分割

分层是将软件在横向方面进行切分，分割就是在纵向方面对软件进行切分。
网站越大，功能越复杂，服务和数据处理的种类也越多，将这些不同的功能和服务分隔开来，包装成高内聚低耦合的模块单元，不仅有助于软件的开发维护也便于不同模块的分布式部署，提高网站的并发处理能力和功能扩展能力。
大型网站分隔的粒度可能会很小。比如在应用层，将不同业务进行分隔，例如将购物、论坛、搜索、广告分隔成不同的应用，有对立的团队负责，部署在不同的服务器上。

分布式

对于大型网站，分层和分隔的一个主要目的是为了切分后的模块便于分布式部署，即将不同模块部署在不同的服务器上，通过远程调用协同工作。分布式意味着可以使用更多的计算机完同样的工作，计算机越多，CPU、内存、存储资源就越多，能过处理的并发访问和数据量就越大，进而能够为更多的用户提供服务。

• 分布式应用和服务
  
• 分布式静态资源
  
• 分布式数据和存储
  
• 分布式计算
  

  集群

  对于用户访问集中的模块需要将独立部署的服务器集群化，即多台服务器部署相同的应用构成一个集群，通过负载均衡设备共同对外提供服务。
  服务器集群能够为相同的服务提供更多的并发支持，因此当有更多的用户访问时，只需要向集群中加入新的机器即可；另外可以实现当其中的某台服务器发生故障时，可以通过负载均衡的失效转移机制将请求转移至集群中其他的服务器上，因此可以提高系统的可用性。

  缓存

  示例：CDN、反向代理、本地缓存、分布式缓存

应用场景：

• 访问数据热点不均衡，即某些频繁访问的数据需要放在缓存中；
  
• 数据在某个时间段内有效，不过很快过期，否在会因为数据过期而脏读，影响数据的正确性。
  

  异步

  使用异步，业务之间的消息传递不是同步调用，而是将一个业务操作分成多个阶段，每个阶段之间通过共享数据的方法异步执行进行协作。具体实现则在单一服务器内部可用通过多线程共享内存对了的方式处理；在分布式系统中可用通过分布式消息队列来实现异步。异步架构的典型就是生产者消费者方式，两者不存在直接调用。

  冗余

  备份

  自动化

  自动化发布过程，自动化代码管理、自动化测试、自动化安全检测、自动化部署、自动化监控、自动化报警、自动化失效转移、自动化失效恢复等。

  安全

  通过密码和手机校验码进行身份认证；登录、交易需要对网络通信进行加密；为了防止机器人程序滥用资源，需要使用验证码进行识别；对常见的XSS攻击、SQL注入需要编码转换；垃圾信息需要过滤等。

核心要素

性能

优化手段：

• 浏览器端：可以通过浏览器缓存、页面压缩传输、合理布局页面、减少Cookie传输等手段，甚至可以使用CDN加速功能。
  
• 应用服务器端：可以使用服务器本地缓存和分布式缓存，也可以通过异步操作方式来加快响应，在高并发请求的情况下，可以将多台应用服务器组成一个集群共同对外服务，提高整体处理能力，改善性能。
  
• 数据库服务器端：可用使用索引、缓存、SQL性能优化等手段，还可以使用NoSQL数据库来优化数据模型、存储结构等。
  

衡量网站性能有一系列指标，重要的有响应时间、TPS、系统性能计数器等，通过这些指标以确定系统设计是否达到目标。

2、可用性

可用性即能够不间断提供服务的时间。一些大型网站可以做到4个9以上的可用性，也就是99.99%。
网站高可用的主要手段就是冗余，应用部署在多台服务器上同时提供服务，数据存储在多台服务器上相互备份，任何一台服务器都不会影响应用的整体可以，通常的实现手段即把多台服务器通过负载均衡设备组成一个集群。
衡量一个系统架构设计是否满足高可用的目标，就是假设系统中任何一台或者多台服务器宕机时，以及出现各种不可预期的问题时，系统整体是否依然可用。

3、伸缩性

大型网站需要面对大量用户的高并发访问和存储海量数据，网站通过集群的方式将多台服务器组成一个整体共同提供服务。所谓伸缩性是指通过不断向集群中加入服务器的手段来缓解不断整体上市用户并发访问压力和不断增长的数据存储需求。
衡量架构伸缩性的主要标准就是是否可用多台服务器构建集群，是否容易向集群中添加新的服务器。加入新的服务器后是否可以提供和原来的服务器无差别的服务。集群中可容纳的总服务器数量是否有限制。

4、扩展性

不同于其他架构要素主要关注非功能性需求，网站的扩展性架构直接关注网站的功能需求。网站快速发展，功能不断扩展，如何设计网站的架构使其能够快速响应需求变化，是网站可扩展架构的主要目标。
衡量网站架构扩展性好坏的主要标准就是在网站增加新的业务产品时，是否可以实现对现有产品透明无影响，不同产品之间是否很少耦合等。
主要手段：

• 事件驱动架构通常利用消息队列实现，通过这种方式将消息生产和处理逻辑分隔开。
  
• 分布式服务则是将业务和可复用服务分离开来，通过分布式服务框架调用。新增加产品可用通过调用可复用的服务来实现自身的业务逻辑，而对现有产品没有任何影响。
  

5、安全性

衡量网站安全架构的标准就是针对现存和潜在的各种攻击和窃密手段，是否有可靠的应对策略。