[計(jì)算機(jī)]大型網(wǎng)站架構(gòu)演變和知識體系

1、大型網(wǎng)站架構(gòu)演變和知識體系(整理/轉(zhuǎn))desperado之前也有一些介紹大型網(wǎng)站架構(gòu)演變的文章，例如livejournal的、ebay的，都是非常值得參考的，不過感覺他們講的更多的是每次演變的結(jié)果，而沒有很詳細(xì)的講為什么需要做這樣的演變，再加上近來感覺有不少同學(xué)都很難明白為什么一個網(wǎng)站需要那么復(fù)雜的技術(shù)，于是有了寫這篇文章的想法，在這篇文章中 將闡述一個普通的網(wǎng)站發(fā)展成大型網(wǎng)站過程中的一種較為典型的架構(gòu)演變歷程和所需掌握的知識體系，希望能給想從事互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的同學(xué)一點(diǎn)初步的概念，:)，文中的不對之處也請各位多給點(diǎn)建議，讓本文真正起到拋磚引玉的效果。架構(gòu)演變第一步：物理分離webserver和數(shù)據(jù)

2、庫/url最 開始，由于某些想法，于是在互聯(lián)網(wǎng)上搭建了一個網(wǎng)站，這個時候甚至有可能主機(jī)都是租借的，但由于這篇文章我們只關(guān)注架構(gòu)的演變歷程，因此就假設(shè)這個時候已 經(jīng)是托管了一臺主機(jī)，并且有一定的帶寬了，這個時候由于網(wǎng)站具備了一定的特色，吸引了部分人訪問，逐漸你發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力越來越高，響應(yīng)速度越來越慢，而這 個時候比較明顯的是數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用互 相影響，應(yīng)用出問題了，數(shù)據(jù)庫也很容易出現(xiàn)問題，而數(shù)據(jù)庫出問題的時候，應(yīng)用也容易出問題，于是進(jìn)入了第一步演變階段：將應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫從物理上分離，變成 了兩臺機(jī)器，這個時候技術(shù)上沒有什么新的要求，但你發(fā)現(xiàn)確實(shí)起到效果了，系統(tǒng)又恢復(fù)到以前的響應(yīng)速度了，并且支撐住了更高

3、的流量，并且不會因?yàn)閿?shù)據(jù)庫和應(yīng) 用形成互相的影響?？纯催@一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：這一步架構(gòu)演變對技術(shù)上的知識體系基本沒有要求。架構(gòu)演變第二步：增加頁面緩存好 景不長，隨著訪問的人越來越多，你發(fā)現(xiàn)響應(yīng)速度又開始變慢了，查找原因，發(fā)現(xiàn)是訪問數(shù)據(jù)庫的操作太多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)連接競爭激烈，所以響應(yīng)變慢，但數(shù)據(jù)庫連接 又不能開太多，否則數(shù)據(jù)庫機(jī)器壓力會很高，因此考慮采用緩存機(jī)制來減少數(shù)據(jù)庫連接資源的競爭和對數(shù)據(jù)庫讀的壓力，這個時候首先也許會選擇采用squid 等類似的機(jī)制來將系統(tǒng)中相對靜態(tài)的頁面（例如一兩天才會有更新的頁面）進(jìn)行緩存（當(dāng)然，也可以采用將頁面靜態(tài)化的方案），這樣程序上可

4、以不做修改，就能夠 很好的減少對webserver的壓力以及減少數(shù)據(jù)庫連接資源的競爭，ok，于是開始采用squid來做相對靜態(tài)的頁面的緩存。看看這一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：前端頁面緩存技術(shù)，例如squid，如想用好的話還得深入掌握下squid的實(shí)現(xiàn)方式以及緩存的失效算法等。架構(gòu)演變第三步：增加頁面片段緩存增 加了squid做緩存后，整體系統(tǒng)的速度確實(shí)是提升了，webserver的壓力也開始下降了，但隨著訪問量的增加，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)又開始變的有些慢了，在嘗 到了squid之類的動態(tài)緩存帶來的好處后，開始想能不能讓現(xiàn)在那些動態(tài)頁面里相對靜態(tài)的部分也緩存起來呢，因此考慮采用類似es

5、i之類的頁面片段緩存策 略，ok，于是開始采用esi來做動態(tài)頁面中相對靜態(tài)的片段部分的緩存?？纯催@一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：頁面片段緩存技術(shù)，例如esi等，想用好的話同樣需要掌握esi的實(shí)現(xiàn)方式等；架構(gòu)演變第四步：數(shù)據(jù)緩存在 采用esi之類的技術(shù)再次提高了系統(tǒng)的緩存效果后，系統(tǒng)的壓力確實(shí)進(jìn)一步降低了，但同樣，隨著訪問量的增加，系統(tǒng)還是開始變慢，經(jīng)過查找，可能會發(fā)現(xiàn)系 統(tǒng)中存在一些重復(fù)獲取數(shù)據(jù)信息的地方，像獲取用戶信息等，這個時候開始考慮是不是可以將這些數(shù)據(jù)信息也緩存起來呢，于是將這些數(shù)據(jù)緩存到本地內(nèi)存，改變完 畢后，完全符合預(yù)期，系統(tǒng)的響應(yīng)速度又恢復(fù)了，數(shù)據(jù)庫的壓力也再

6、度降低了不少。看看這一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：緩存技術(shù)，包括像map數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、緩存算法、所選用的框架本身的實(shí)現(xiàn)機(jī)制等。架構(gòu)演變第五步： 增加webserver好 景不長，發(fā)現(xiàn)隨著系統(tǒng)訪問量的再度增加，webserver機(jī)器的壓力在高峰期會上升到比較高，這個時候開始考慮增加一臺webserver，這也是為了 同時解決可用性的問題，避免單臺的webserver down機(jī)的話就沒法使用了，在做了這些考慮后，決定增加一臺webserver，增加一臺webserver時，會碰到一些問題，典型的有：1、如何讓訪問分配到這兩臺機(jī)器上，這個時候通常會考慮的方案是apache自帶的負(fù)載

7、均衡方案，或lvs這類的軟件負(fù)載均衡方案；2、如何保持狀態(tài)信息的同步，例如用戶session等，這個時候會考慮的方案有寫入數(shù)據(jù)庫、寫入存儲、cookie或同步session信息等機(jī)制等；3、如何保持?jǐn)?shù)據(jù)緩存信息的同步，例如之前緩存的用戶數(shù)據(jù)等，這個時候通常會考慮的機(jī)制有緩存同步或分布式緩存；4、如何讓上傳文件這些類似的功能繼續(xù)正常，這個時候通常會考慮的機(jī)制是使用共享文件系統(tǒng)或存儲等；在解決了這些問題后，終于是把webserver增加為了兩臺，系統(tǒng)終于是又恢復(fù)到了以往的速度?？纯催@一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：負(fù)載均衡技術(shù)（包括但不限于硬件負(fù)載均衡、軟件負(fù)載均衡、負(fù)載算法、l

8、inux轉(zhuǎn) 發(fā)協(xié)議、所選用的技術(shù)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)等）、主備技術(shù)（包括但不限于arp欺騙、linux heart-beat等）、狀態(tài)信息或緩存同步技術(shù)（包括但不限于cookie技術(shù)、udp協(xié)議、狀態(tài)信息廣播、所選用的緩存同步技術(shù)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)等）、共 享文件技術(shù)（包括但不限于nfs等）、存儲技術(shù)（包括但不限于存儲設(shè)備等）。架構(gòu)演變第六步：分庫享 受了一段時間的系統(tǒng)訪問量高速增長的幸福后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)又開始變慢了，這次又是什么狀況呢，經(jīng)過查找，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫寫入、更新的這些操作的部分?jǐn)?shù)據(jù)庫連接的資 源競爭非常激烈，導(dǎo)致了系統(tǒng)變慢，這下怎么辦呢，此時可選的方案有數(shù)據(jù)庫集群和分庫策略，集群方面像有些數(shù)據(jù)庫支持的并不是很

9、好，因此分庫會成為比較普遍 的策略，分庫也就意味著要對原有程序進(jìn)行修改，一通修改實(shí)現(xiàn)分庫后，不錯，目標(biāo)達(dá)到了，系統(tǒng)恢復(fù)甚至速度比以前還快了?？纯催@一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：這一步更多的是需要從業(yè)務(wù)上做合理的劃分，以實(shí)現(xiàn)分庫，具體技術(shù)細(xì)節(jié)上沒有其他的要求；但同時隨著數(shù)據(jù)量的增大和分庫的進(jìn)行，在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、調(diào)優(yōu)以及維護(hù)上需要做的更好，因此對這些方面的技術(shù)還是提出了很高的要求的。架構(gòu)演變第七步：分表、dal和分布式緩存隨著系統(tǒng)的不斷運(yùn)行，數(shù)據(jù)量開始大幅度增長，這個時候發(fā)現(xiàn)分庫后查詢?nèi)匀粫行┞?，于是按照分庫的思想開始做分表的工作， 當(dāng)然，這不可避免的會需要對程序進(jìn)行一些修改

10、，也許在這個時候就會發(fā)現(xiàn)應(yīng)用自己要關(guān)心分庫分表的規(guī)則等，還是有些復(fù)雜的，于是萌生能否增加一個通用的框架 來實(shí)現(xiàn)分庫分表的數(shù)據(jù)訪問，這個在ebay的架構(gòu)中對應(yīng)的就是dal，這個演變的過程相對而言需要花費(fèi)較長的時間，當(dāng)然，也有可能這個通用的框架會等到分 表做完后才開始做，同時，在這個階段可能會發(fā)現(xiàn)之前的緩存同步方案出現(xiàn)問題，因?yàn)閿?shù)據(jù)量太大，導(dǎo)致現(xiàn)在不太可能將緩存存在本地，然后同步的方式，需要采用 分布式緩存方案了，于是，又是一通考察和折磨，終于是將大量的數(shù)據(jù)緩存轉(zhuǎn)移到分布式緩存上了?？纯催@一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：分表更多的同樣是業(yè)務(wù)上的劃分，技術(shù)上涉及到的會有動態(tài)hash

11、算法、consistent hash算法等；dal涉及到比較多的復(fù)雜技術(shù)，例如數(shù)據(jù)庫連接的管理（超時、異常）、數(shù)據(jù)庫操作的控制（超時、異常）、分庫分表規(guī)則的封裝等；架構(gòu)演變第八步：增加更多的webserver在做完分庫分表這些工作后，數(shù)據(jù)庫上的壓力已經(jīng)降到比較低了，又開始過著每天看著訪問量暴增的幸福生活了，突然有一天，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的訪問又開始有變慢的趨勢了，這個時候首先查看數(shù)據(jù)庫，壓力一切正常，之后查看webserver，發(fā)現(xiàn)apache阻塞了很多的請求，而應(yīng)用服務(wù)器對每個請求也是比較快的，看來 是請求數(shù)太高導(dǎo)致需要排隊(duì)等待，響應(yīng)速度變慢，這還好辦，一般來說，這個時候也會有些錢了，于是添加一些we

12、bserver服務(wù)器，在這個添加 webserver服務(wù)器的過程，有可能會出現(xiàn)幾種挑戰(zhàn)：1、 apache的軟負(fù)載或lvs軟負(fù)載等無法承擔(dān)巨大的web訪問量（請求連接數(shù)、網(wǎng)絡(luò)流量等）的調(diào)度了，這個時候如果經(jīng)費(fèi)允許的話，會采取的方案是購 買硬件負(fù)載，例如f5、netsclar、athelon之類的，如經(jīng)費(fèi)不允許的話，會采取的方案是將應(yīng)用從邏輯上做一定的分類，然后分散到不同的軟負(fù)載 集群中；2、原有的一些狀態(tài)信息同步、文件共享等方案可能會出現(xiàn)瓶頸，需要進(jìn)行改進(jìn)，也許這個時候會根據(jù)情況編寫符合網(wǎng)站業(yè)務(wù)需求的分布式文件系統(tǒng)等；在做完這些工作后，開始進(jìn)入一個看似完美的無限伸縮的時代，當(dāng)網(wǎng)站流量增加時，應(yīng)

13、對的解決方案就是不斷的添加webserver。看看這一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：到了這一步，隨著機(jī)器數(shù)的不斷增長、數(shù)據(jù)量的不斷增長和對系統(tǒng)可用性的要求越來越高，這個時候要求對所采用的技術(shù)都要有更為深入的理解，并需要根據(jù)網(wǎng)站的需求來做更加定制性質(zhì)的產(chǎn)品。架構(gòu)演變第九步：數(shù)據(jù)讀寫分離和廉價存儲方案突 然有一天，發(fā)現(xiàn)這個完美的時代也要結(jié)束了，數(shù)據(jù)庫的噩夢又一次出現(xiàn)在眼前了，由于添加的webserver太多了，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫連接的資源還是不夠用，而這 個時候又已經(jīng)分庫分表了，開始分析數(shù)據(jù)庫的壓力狀況，可能會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的讀寫比很高，這個時候通常會想到數(shù)據(jù)讀寫分離的方案，當(dāng)然，這個方案要

14、實(shí)現(xiàn)并不 容易，另外，可能會發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫上有些浪費(fèi)，或者說過于占用數(shù)據(jù)庫資源，因此在這個階段可能會形成的架構(gòu)演變是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫分離，同時編寫一 些更為廉價的存儲方案，例如bigtable這種。看看這一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：數(shù)據(jù)讀寫分離要求對數(shù)據(jù)庫的復(fù)制、standby等策略有深入的掌握和理解，同時會要求具備自行實(shí)現(xiàn)的技術(shù)；廉價存儲方案要求對os的文件存儲有深入的掌握和理解，同時要求對采用的語言在文件這塊的實(shí)現(xiàn)有深入的掌握。架構(gòu)演變第十步：進(jìn)入大型分布式應(yīng)用時代和廉價服務(wù)器群夢想時代經(jīng) 過上面這個漫長而痛苦的過程，終于是再度迎來了完美的時代，不斷的增加web

15、server就可以支撐越來越高的訪問量了，對于大型網(wǎng)站而言，人氣的重要毋 庸置疑，隨著人氣的越來越高，各種各樣的功能需求也開始爆發(fā)性的增長，這個時候突然發(fā)現(xiàn)，原來部署在webserver上的那個web應(yīng)用已經(jīng)非常龐大 了，當(dāng)多個團(tuán)隊(duì)都開始對其進(jìn)行改動時，可真是相當(dāng)?shù)牟环奖?，?fù)用性也相當(dāng)糟糕，基本是每個團(tuán)隊(duì)都做了或多或少重復(fù)的事情，而且部署和維護(hù)也是相當(dāng)?shù)穆闊?因?yàn)辇嫶蟮膽?yīng)用包在n臺機(jī)器上復(fù)制、啟動都需要耗費(fèi)不少的時間，出問題的時候也不是很好查，另外一個更糟糕的狀況是很有可能會出現(xiàn)某個應(yīng)用上的bug就導(dǎo) 致了全站都不可用，還有其他的像調(diào)優(yōu)不好操作（因?yàn)闄C(jī)器上部署的應(yīng)用什么都要做，根本就無法進(jìn)行

16、針對性的調(diào)優(yōu)）等因素，根據(jù)這樣的分析，開始痛下決心，將 系統(tǒng)根據(jù)職責(zé)進(jìn)行拆分，于是一個大型的分布式應(yīng)用就誕生了，通常，這個步驟需要耗費(fèi)相當(dāng)長的時間，因?yàn)闀龅胶芏嗟奶魬?zhàn)：1、拆成分布式后需要提供一個高性能、穩(wěn)定的通信框架，并且需要支持多種不同的通信和遠(yuǎn)程調(diào)用方式；2、將一個龐大的應(yīng)用拆分需要耗費(fèi)很長的時間，需要進(jìn)行業(yè)務(wù)的整理和系統(tǒng)依賴關(guān)系的控制等；3、如何運(yùn)維（依賴管理、運(yùn)行狀況管理、錯誤追蹤、調(diào)優(yōu)、監(jiān)控和報警等）好這個龐大的分布式應(yīng)用。經(jīng)過這一步，差不多系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)入相對穩(wěn)定的階段，同時也能開始采用大量的廉價機(jī)器來支撐著巨大的訪問量和數(shù)據(jù)量，結(jié)合這套架構(gòu)以及這么多次演變過程吸取的經(jīng)驗(yàn)來采用其他各種各樣的方法來支撐著越來越高的訪問量?？纯催@一步完成后系統(tǒng)的圖示：這一步涉及到了這些知識體系：這一步涉及的知識體系非常的多，要求對通信、遠(yuǎn)程調(diào)用、消息機(jī)制等有深入的理解和掌握，要求的都是從理論、硬件級、操作系統(tǒng)級以及所采用的語言的實(shí)現(xiàn)都有清楚的理解。運(yùn)維這塊涉及的知識體系也非常的多，多數(shù)情況下需要掌握分布式并行計(jì)算、報表、監(jiān)控技術(shù)以及規(guī)則策略等等。說 起來確實(shí)不怎么費(fèi)力，整個網(wǎng)站架構(gòu)的經(jīng)典演變過程都和上面比較的類似，當(dāng)然，每步采取