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為了解決大型網(wǎng)站面臨的高并發(fā)訪問、海量數(shù)據(jù)處理、高可靠運行等一系列問題與挑戰(zhàn)，大型互聯(lián)網(wǎng)公司在實踐中提出了許多解決方案，以實現(xiàn)網(wǎng)站高性能、高可用、易伸縮、可擴展、安全等各種技術(shù)架構(gòu)目標(biāo)。這些解決方案又被更多網(wǎng)站重復(fù)使用，從而逐漸形成大型網(wǎng)站架構(gòu)模式。

分層

分層是企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中常見的一種架構(gòu)模式，將系統(tǒng)在橫向維度上切分成幾個部分，每個部分負(fù)責(zé)一部分相對比較單一的職責(zé)，然后通過上層對下層的依賴和調(diào)用組成一個完整的系統(tǒng)。分層結(jié)構(gòu)在計算機世界中無處不在，網(wǎng)絡(luò)的7層通信協(xié)議是一種分層結(jié)構(gòu)；計算機硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件也可以看作是一種分層結(jié)構(gòu)。在大型網(wǎng)站架構(gòu)中也采用分層結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)站軟件系統(tǒng)分為應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層。

                                                  網(wǎng)站分層架構(gòu)

應(yīng)用層：負(fù)責(zé)具體業(yè)務(wù)和視圖展示，如網(wǎng)站首頁及搜索輸入和結(jié)果展示

服務(wù)層：為應(yīng)用層提供服務(wù)支持，如用戶管理服務(wù)，購物車服務(wù)等

數(shù)據(jù)層：提供數(shù)據(jù)存儲訪問服務(wù)，如數(shù)據(jù)庫、緩存、文件、搜索引擎等

通過分層，可以更好地將一個龐大的軟件系統(tǒng)切分成不同的部分，便于分工合作開發(fā)和維護(hù)；各層之間具有一定的獨立性，只要維持調(diào)用接口不變，各層可以根據(jù)具體問題獨立演化發(fā)展而不需要其他層必須做出相應(yīng)調(diào)整。

但是分層架構(gòu)也有一些挑戰(zhàn)，就是必須合理規(guī)劃層次邊界和接口，在開發(fā)過程中，嚴(yán)格遵循分層架構(gòu)的約束，禁止跨層次的調(diào)用（應(yīng)用層直接調(diào)用數(shù)據(jù)層）及逆向調(diào)用（數(shù)據(jù)層調(diào)用服務(wù)層，或者服務(wù)層調(diào)用應(yīng)用層）。

在實踐中，大的分層結(jié)構(gòu)內(nèi)部還可以繼續(xù)分層，如應(yīng)用層可以再細(xì)分為視圖層（美工負(fù)責(zé)）和業(yè)務(wù)邏輯層（工程師負(fù)責(zé)）；服務(wù)層也可以細(xì)分為數(shù)據(jù)接口層（適配各種輸入和輸出的數(shù)據(jù)格式）和邏輯處理層。分層架構(gòu)是邏輯上的，在物理部署上，三層結(jié)構(gòu)可以部署在同一個物理機器上，但是隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)的發(fā)展，必然需要對已經(jīng)分層的模塊分離部署，即三層結(jié)構(gòu)分別部署在不同的服務(wù)器上，使網(wǎng)站擁有更多的計算資源以應(yīng)對越來越多的用戶訪問。所以雖然分層架構(gòu)模式初的目的是規(guī)劃軟件清晰的邏輯結(jié)構(gòu)便于開發(fā)維護(hù)，但在網(wǎng)站的發(fā)展過程中，分層結(jié)構(gòu)對網(wǎng)站支持高并發(fā)向分布式方向發(fā)展至關(guān)重要。因此在網(wǎng)站規(guī)模還很小的時候就應(yīng)該采用分層的架構(gòu)，這樣將來網(wǎng)站做大時才能有更好地應(yīng)對。

分割

如果說分層是將軟件在橫向方面進(jìn)行切分，那么分割就是在縱向方面對軟件進(jìn)行切分。

網(wǎng)站越大，功能越復(fù)雜，服務(wù)和數(shù)據(jù)處理的種類也越多，將這些不同的功能和服務(wù)分割開來，包裝成高內(nèi)聚低耦合的模塊單元，一方面有助于軟件的開發(fā)和維護(hù)；另一方面，便于不同模塊的分布式部署，提高網(wǎng)站的并發(fā)處理能力和功能擴展能力。大型網(wǎng)站分割的粒度可能會很小。比如在應(yīng)用層，將不同業(yè)務(wù)進(jìn)行分割，例如將購物、論壇、搜索、廣告分割成不同的應(yīng)用，由獨立的團(tuán)隊負(fù)責(zé)，部署在不同的服務(wù)器上；在同一個應(yīng)用內(nèi)部，如果規(guī)模龐大業(yè)務(wù)復(fù)雜，會繼續(xù)進(jìn)行分割，比如購物業(yè)務(wù)，可以進(jìn)一步分割成機票酒店業(yè)務(wù)、3C業(yè)務(wù)，小商品業(yè)務(wù)等更細(xì)小的粒度。而即使在這個粒度上，還是可以繼續(xù)分割成首頁、搜索列表、商品詳情等模塊，這些模塊不管在邏輯上還是物理部署上，都可以是獨立的。同樣在服務(wù)層也可以根據(jù)需要將服務(wù)分割成合適的模塊。

分布式

對于大型網(wǎng)站，分層和分割的一個主要目的是為了切分后的模塊便于分布式部署，即將不同模塊部署在不同的服務(wù)器上，通過遠(yuǎn)程調(diào)用協(xié)同工作。分布式意味著可以使用更多的計算機完成同樣的功能，計算機越多，CPU、內(nèi)存、存儲資源也就越多，能夠處理的并發(fā)訪問和數(shù)據(jù)量就越大，進(jìn)而能夠為更多的用戶提供服務(wù)。

但分布式在解決網(wǎng)站高并發(fā)問題的同時也帶來了其他問題。首先，分布式意味著服務(wù)調(diào)用必須通過網(wǎng)絡(luò)，這可能會對性能造成比較嚴(yán)重的影響；其次，服務(wù)器越多，服務(wù)器宕機的概率也就越大，一臺服務(wù)器宕機造成的服務(wù)不可用可能會導(dǎo)致很多應(yīng)用不可訪問，使網(wǎng)站可用性降低；另外，數(shù)據(jù)在分布式的環(huán)境中保持?jǐn)?shù)據(jù)一致性也非常困難，分布式事務(wù)也難以保證，這對網(wǎng)站業(yè)務(wù)正確性和業(yè)務(wù)流程有可能造成很大影響；分布式還導(dǎo)致網(wǎng)站依賴錯綜復(fù)雜，開發(fā)管理維護(hù)困難。因此分布式設(shè)計要根據(jù)具體情況量力而行，切莫為了分布式而分布式。在網(wǎng)站應(yīng)用中，常用的分布式方案有以下幾種。

分布式應(yīng)用和服務(wù)：將分層和分割后的應(yīng)用和服務(wù)模塊分布式部署，除了可以改善網(wǎng)站性能和并發(fā)性、加快開發(fā)和發(fā)布速度、減少數(shù)據(jù)庫連接資源消耗外；還可以使不同應(yīng)用復(fù)用共同的服務(wù)，便于業(yè)務(wù)功能擴展。

分布式靜態(tài)資源：網(wǎng)站的靜態(tài)資源如JS，CSS，Logo圖片等資源獨立分布式部署，并采用獨立的域名，即人們常說的動靜分離。靜態(tài)資源分布式部署可以減輕應(yīng)用服務(wù)器的負(fù)載壓力；通過使用獨立域名加快瀏覽器并發(fā)加載的速度；由負(fù)責(zé)用戶體驗的團(tuán)隊進(jìn)行開發(fā)維護(hù)有利于網(wǎng)站分工合作，使不同技術(shù)工種術(shù)業(yè)有專攻。

分布式數(shù)據(jù)和存儲：大型網(wǎng)站需要處理以P為單位的海量數(shù)據(jù)，單臺計算機無法提供如此大的存儲空間，這些數(shù)據(jù)需要分布式存儲。除了對傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分布式部署外，為網(wǎng)站應(yīng)用而生的各種NoSQL產(chǎn)品幾乎都是分布式的。

分布式計算：嚴(yán)格說來，應(yīng)用、服務(wù)、實時數(shù)據(jù)處理都是計算，網(wǎng)站除了要處理這些在線業(yè)務(wù)，還有很大一部分用戶沒有直觀感受的后臺業(yè)務(wù)要處理，包括搜索引擎的索引構(gòu)建、數(shù)據(jù)倉庫的數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計等。這些業(yè)務(wù)的計算規(guī)模非常龐大，目前網(wǎng)站普遍使用Hadoop及其MapReduce分布式計算框架進(jìn)行此類批處理計算，其特點是移動計算而不是移動數(shù)據(jù)，將計算程序分發(fā)到數(shù)據(jù)所在的位置以加速計算和分布式計算。

此外，還有可以支持網(wǎng)站線上服務(wù)器配置實時更新的分布式配置；分布式環(huán)境下實現(xiàn)并發(fā)和協(xié)同的分布式鎖；支持云存儲的分布式文件系統(tǒng)等。

集群

使用分布式雖然已經(jīng)將分層和分割后的模塊獨立部署，但是對于用戶訪問集中的模塊（比如網(wǎng)站的首頁），還需要將獨立部署的服務(wù)器集群化，即多臺服務(wù)器部署相同應(yīng)用構(gòu)成一個集群，通過負(fù)載均衡設(shè)備共同對外提供服務(wù)。

因為服務(wù)器集群有更多服務(wù)器提供相同服務(wù)，因此可以提供更好的并發(fā)特性，當(dāng)有更多用戶訪問的時候，只需要向集群中加入新的機器即可。同時因為一個應(yīng)用由多臺服務(wù)器提供，當(dāng)某臺服務(wù)器發(fā)生故障時，負(fù)載均衡設(shè)備或者系統(tǒng)的失效轉(zhuǎn)移機制會將請求轉(zhuǎn)發(fā)到集群中其他服務(wù)器上，使服務(wù)器故障不影響用戶使用。所以在網(wǎng)站應(yīng)用中，即使是訪問量很小的分布式應(yīng)用和服務(wù)，也至少要部署兩臺服務(wù)器構(gòu)成一個小的集群，目的就是提高系統(tǒng)的可用性。

緩存

緩存就是將數(shù)據(jù)存放在距離計算近的位置以加快處理速度。緩存是改善軟件性能的第一手段，現(xiàn)代CPU越來越快的一個重要因素就是使用了更多的緩存，在復(fù)雜的軟件設(shè)計中，緩存幾乎無處不在。大型網(wǎng)站架構(gòu)設(shè)計在很多方面都使用了緩存設(shè)計。

CDN：即內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，部署在距離終端用戶近的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商，用戶的網(wǎng)絡(luò)請求總是先到達(dá)他的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商那里，在這里緩存網(wǎng)站的一些靜態(tài)資源（較少變化的數(shù)據(jù)），可以就近以快速度返回給用戶，如視頻網(wǎng)站和門戶網(wǎng)站會將用戶訪問量大的熱點內(nèi)容緩存在CDN。

反向代理：反向代理屬于網(wǎng)站前端架構(gòu)的一部分，部署在網(wǎng)站的前端，當(dāng)用戶請求到達(dá)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)中心時，先訪問到的就是反向代理服務(wù)器，這里緩存網(wǎng)站的靜態(tài)資源，無需將請求繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器就能返回給用戶。

本地緩存：在應(yīng)用服務(wù)器本地緩存著熱點數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序可以在本機內(nèi)存中直接訪問數(shù)據(jù)，而無需訪問數(shù)據(jù)庫。分布式緩存：大型網(wǎng)站的數(shù)據(jù)量非常龐大，即使只緩存一小部分，需要的內(nèi)存空間也不是單機能承受的，所以除了本地緩存，還需要分布式緩存，將數(shù)據(jù)緩存在一個專門的分布式緩存集群中，應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)通信訪問緩存數(shù)據(jù)。使用緩存有兩個前提條件，一是數(shù)據(jù)訪問熱點不均衡，某些數(shù)據(jù)會被更頻繁的訪問，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該放在緩存中；二是數(shù)據(jù)在某個時間段內(nèi)有效，不會很快過期，否則緩存的數(shù)據(jù)就會因已經(jīng)失效而產(chǎn)生臟讀，影響結(jié)果的正確性。網(wǎng)站應(yīng)用中，緩存除了可以加快數(shù)據(jù)訪問速度，還可以減輕后端應(yīng)用和數(shù)據(jù)存儲的負(fù)載壓力，這一點對網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫架構(gòu)至關(guān)重要，網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫幾乎都是按照有緩存的前提進(jìn)行負(fù)載能力設(shè)計的。2.1.6 異步計算機軟件發(fā)展的一個重要目標(biāo)和驅(qū)動力是降低軟件耦合性。事物之間直接關(guān)系越少，就越少被彼此影響，越可以獨立發(fā)展。大型網(wǎng)站架構(gòu)中，系統(tǒng)解耦合的手段除了前面提到的分層、分割、分布等，還有一個重要手段是異步，業(yè)務(wù)之間的消息傳遞不是同步調(diào)用，而是將一個業(yè)務(wù)操作分成多個階段，每個階段之間通過共享數(shù)據(jù)的方式異步執(zhí)行進(jìn)行協(xié)作。在單一服務(wù)器內(nèi)部可通過多線程共享內(nèi)存隊列的方式實現(xiàn)異步，處在業(yè)務(wù)操作前面的線程將輸出寫入到隊列，后面的線程從隊列中讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；在分布式系統(tǒng)中，多個服務(wù)器集群通過分布式消息隊列實現(xiàn)異步，分布式消息隊列可以看作內(nèi)存隊列的分布式部署。異步架構(gòu)是典型的生產(chǎn)者消費者模式，兩者不存在直接調(diào)用，只要保持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不變，彼此功能實現(xiàn)可以隨意變化而不互相影響，這對網(wǎng)站擴展新功能非常便利。除此之外，使用異步消息隊列還有如下特性。

提高系統(tǒng)可用性。消費者服務(wù)器發(fā)生故障，數(shù)據(jù)會在消息隊列服務(wù)器中存儲堆積，生產(chǎn)者服務(wù)器可以繼續(xù)處理業(yè)務(wù)請求，系統(tǒng)整體表現(xiàn)無故障。消費者服務(wù)器恢復(fù)正常后，繼續(xù)處理消息隊列中的數(shù)據(jù)。加快網(wǎng)站響應(yīng)速度。處在業(yè)務(wù)處理前端的生產(chǎn)者服務(wù)器在處理完業(yè)務(wù)請求后，將數(shù)據(jù)寫入消息隊列，不需要等待消費者服務(wù)器處理就可以返回，響應(yīng)延遲減少。消除并發(fā)訪問高峰。用戶訪問網(wǎng)站是隨機的，存在訪問高峰和低谷，即使網(wǎng)站按照一般訪問高峰進(jìn)行規(guī)劃和部署，也依然會出現(xiàn)突發(fā)事件，比如購物網(wǎng)站的促銷活動，微博上的熱點事件，都會造成網(wǎng)站并發(fā)訪問突然增大，這可能會造成整個網(wǎng)站負(fù)載過重，響應(yīng)延遲，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)服務(wù)宕機的情況。使用消息隊列將突然增加的訪問請求數(shù)據(jù)放入消息隊列中，等待消費者服務(wù)器依次處理，就不會對整個網(wǎng)站負(fù)載造成太大壓力。

但需要注意的是，使用異步方式處理業(yè)務(wù)可能會對用戶體驗、業(yè)務(wù)流程造成影響，需要網(wǎng)站產(chǎn)品設(shè)計方面的支持。2.1.7 冗余網(wǎng)站需要7724小時連續(xù)運行，但是服務(wù)器隨時可能出現(xiàn)故障，特別是服務(wù)器規(guī)模比較大時，出現(xiàn)某臺服務(wù)器宕機是必然事件。要想保證在服務(wù)器宕機的情況下網(wǎng)站依然可以繼續(xù)服務(wù)，不丟失數(shù)據(jù)，就需要一定程度的服務(wù)器冗余運行，數(shù)據(jù)冗余備份，這樣當(dāng)某臺服務(wù)器宕機時，可以將其上的服務(wù)和數(shù)據(jù)訪問轉(zhuǎn)移到其他機器上。訪問和負(fù)載很小的服務(wù)也必須部署至少兩臺服務(wù)器構(gòu)成一個集群，其目的就是通過冗余實現(xiàn)服務(wù)高可用。數(shù)據(jù)庫除了定期備份，存檔保存，實現(xiàn)冷備份外，為了保證在線業(yè)務(wù)高可用，還需要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行主從分離，實時同步實現(xiàn)熱備份。為了抵御地震、海嘯等不可抗力導(dǎo)致的網(wǎng)站完全癱瘓，某些大型網(wǎng)站會對整個數(shù)據(jù)中心進(jìn)行備份，全球范圍內(nèi)部署災(zāi)備數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)站程序和數(shù)據(jù)實時同步到多個災(zāi)備數(shù)據(jù)中心。2.1.8 自動化在無人值守的情況下網(wǎng)站可以正常運行，一切都可以自動化是網(wǎng)站的理想狀態(tài)。目前大型網(wǎng)站的自動化架構(gòu)設(shè)計主要集中在發(fā)布運維方面。發(fā)布對網(wǎng)站都是頭等大事，許多網(wǎng)站故障出在發(fā)布環(huán)節(jié)，網(wǎng)站工程師經(jīng)常加班也是因為發(fā)布不順利。通過減少人為干預(yù)，使發(fā)布過程自動化可有效減少故障。發(fā)布過程包括諸多環(huán)節(jié)。自動化代碼管理，代碼版本控制、代碼分支創(chuàng)建合并等過程自動化，開發(fā)工程師只要提交自己參與開發(fā)的產(chǎn)品代號，系統(tǒng)就會自動為其創(chuàng)建開發(fā)分支，后期會自動進(jìn)行代碼合并；自動化測試，代碼開發(fā)完成，提交測試后，系統(tǒng)自動將代碼部署到測試環(huán)境，啟動自動化測試用例進(jìn)行測試，向相關(guān)人員發(fā)送測試報告，向系統(tǒng)反饋測試結(jié)果；自動化安全檢測，安全檢測工具通過對代碼進(jìn)行靜態(tài)安全掃描及部署到安全測試環(huán)境進(jìn)行安全攻擊測試，評估其安全性；后進(jìn)行自動化部署，將工程代碼自動部署到線上生產(chǎn)環(huán)境。此外，網(wǎng)站在運行過程中可能會遇到各種問題：服務(wù)器宕機、程序Bug、存儲空間不足、突然爆發(fā)的訪問高峰。網(wǎng)站需要對線上生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行自動化監(jiān)控，對服務(wù)器進(jìn)行心跳檢測，并監(jiān)控其各項性能指標(biāo)和應(yīng)用程序的關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)。如果發(fā)現(xiàn)異常、超出預(yù)設(shè)的閾值，就進(jìn)行自動化報警，向相關(guān)人員發(fā)送報警信息，警告故障可能會發(fā)生。在檢測到故障發(fā)生后，系統(tǒng)會進(jìn)行自動化失效轉(zhuǎn)移，將失效的服務(wù)器從集群中隔離出去，不再處理系統(tǒng)中的應(yīng)用請求。待故障消除后，系統(tǒng)進(jìn)行自動化失效恢復(fù)，重新啟動服務(wù)，同步數(shù)據(jù)保證數(shù)據(jù)的一致性。在網(wǎng)站遇到訪問高峰，超出網(wǎng)站大處理能力時，為了保證整個網(wǎng)站的安全可用，還會進(jìn)行自動化降級，通過拒絕部分請求及關(guān)閉部分不重要的服務(wù)將系統(tǒng)負(fù)載降至一個安全的水平，必要時，還需要自動化分配資源，將空閑資源分配給重要的服務(wù)，擴大其部署規(guī)模。2.1.9 安全互聯(lián)網(wǎng)的開放特性使得其從誕生起就面對巨大的安全挑戰(zhàn)，網(wǎng)站在安全架構(gòu)方面也積累了許多模式：通過密碼和手機校驗碼進(jìn)行身份認(rèn)證；登錄、交易等操作需要對網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行加密，網(wǎng)站服務(wù)器上存儲的敏感數(shù)據(jù)如用戶信息等也進(jìn)行加密處理；為了防止機器人程序濫用網(wǎng)絡(luò)資源攻擊網(wǎng)站，網(wǎng)站使用驗證碼進(jìn)行識別；對于常見的用于攻擊網(wǎng)站的XSS攻擊、SQL注入、進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換等相應(yīng)處理；對于垃圾信息、敏感信息進(jìn)行過濾；對交易轉(zhuǎn)賬等重要操作根據(jù)交易模式和交易信息進(jìn)行風(fēng)險控制。