詳解大型網(wǎng)站系統(tǒng)的特點(diǎn)和架構(gòu)演化發(fā)展歷程

時(shí)間：2022-05-25 00:00:02 | 來源：網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷

時(shí)間：2022-05-25 00:00:02 來源：網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷

隨著國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的高速發(fā)展，我國(guó)的大型網(wǎng)站系統(tǒng)的特點(diǎn)也更加鮮明和集中了，而目前，發(fā)展最快、用戶量最大的莫過于電商網(wǎng)站和生活服務(wù)網(wǎng)站了。

大型網(wǎng)站的挑戰(zhàn)主要來自龐大的用戶，高并發(fā)的訪問和海量數(shù)據(jù)，任何簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)一旦需要處理數(shù)以P計(jì)的數(shù)據(jù)和面對(duì)數(shù)以億計(jì)的用戶，問題就會(huì)變得棘手，大型網(wǎng)站架構(gòu)主要就是解決這類問題。

大型網(wǎng)站不是從無到有一步就搭建好一個(gè)大型網(wǎng)站，而是能夠伴隨小型網(wǎng)站業(yè)務(wù)的漸進(jìn)發(fā)展，慢慢地演化成一個(gè)大型網(wǎng)站。

一、大型網(wǎng)站系統(tǒng)的特點(diǎn)

俗話說的好：“汝欲得之，必先知之”，換而言之也是一個(gè)道理，想要使用大型網(wǎng)站系統(tǒng)，你得先清楚大型網(wǎng)站系統(tǒng)的特點(diǎn)。

1、高并發(fā)，大流量

需要面對(duì)高并發(fā)用戶，大流量訪問。Google 日均 PV 35 億，日IP訪問數(shù)3億；騰訊QQ的最大在線用戶數(shù)1.4億（2011年數(shù)據(jù)）。

2、高可用

系統(tǒng)7 x 24小時(shí)不間斷服務(wù)。

3、海量數(shù)據(jù)

需要存儲(chǔ)、管理海量數(shù)據(jù)，需要使用大量服務(wù)器。Facebook每周上傳的照片數(shù)量接近10億，百度收錄的網(wǎng)頁數(shù)目有數(shù)百億，Google有近百萬臺(tái)服務(wù)器為全球用戶提供服務(wù)。

4、用戶分布廣泛，網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜

許多大型互聯(lián)網(wǎng)站都是為全球用戶提供服務(wù)的，用戶分布范圍廣，各地網(wǎng)絡(luò)情況千差萬別。在國(guó)內(nèi)，還有各個(gè)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)互通難的問題。

5、安全環(huán)境惡劣

由于互聯(lián)網(wǎng)的開放性，使得互聯(lián)網(wǎng)站更容易受到攻擊，大型網(wǎng)站幾乎每天都會(huì)被黑客攻擊。

6、需求快速變更，發(fā)布頻繁

和傳統(tǒng)軟件的版本發(fā)布頻率不同，互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品為快速適應(yīng)市場(chǎng)，滿足用戶需求，其產(chǎn)品發(fā)布頻率極高。一般大型網(wǎng)站的產(chǎn)品每周都有新版本發(fā)布上線，中小型網(wǎng)站的發(fā)布更頻繁，有時(shí)候一天會(huì)發(fā)布幾十次。

7、漸進(jìn)式發(fā)展

幾乎所有的大型互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站都是從一個(gè)小網(wǎng)站開始，漸進(jìn)地發(fā)展起來的。Facebook 是扎克伯格同學(xué)在哈佛大學(xué)的宿舍里開發(fā)的；Google的第一臺(tái)服務(wù)器部署在斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室；阿里巴巴是在馬云家的客廳誕生的。

好的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都是慢慢運(yùn)營(yíng)出來的，不是一開始就開發(fā)好的，這也正好與網(wǎng)站架構(gòu)的發(fā)展演化過程對(duì)應(yīng)（具體可查看億企邦《一個(gè)普通網(wǎng)站發(fā)展成大型網(wǎng)站的架構(gòu)演變歷程》的相關(guān)介紹）。

二、大型網(wǎng)站架構(gòu)演化發(fā)展歷程

大型網(wǎng)站的技術(shù)挑戰(zhàn)主要來自于龐大的用戶，高并發(fā)的訪問和海量的數(shù)據(jù)，任何簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)一旦需要處理數(shù)以P計(jì)的數(shù)據(jù)和面對(duì)數(shù)以億計(jì)的用戶，問題就會(huì)變得很棘手。

簡(jiǎn)單來說，大型網(wǎng)站架構(gòu)演化發(fā)展歷程有以下這些階段：

1、初始階段的網(wǎng)站架構(gòu)

大型網(wǎng)站都是從小型網(wǎng)站發(fā)展而來，網(wǎng)站架構(gòu)也是一樣，是從小型網(wǎng)站架構(gòu)逐步演化而來。

小型網(wǎng)站最開始沒有太多人訪問，只需要一臺(tái)服務(wù)器就綽綽有余，這時(shí)的網(wǎng)站架構(gòu)如下圖所示：

應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件等所有資源都在一臺(tái)服務(wù)器上。

2、應(yīng)用服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)分離

隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)的發(fā)展，一臺(tái)服務(wù)器逐漸不能滿足需求：越來越多的用戶訪問導(dǎo)致性能越來越差，越來越多的數(shù)據(jù)導(dǎo)致存儲(chǔ)空間不足，這時(shí)就需要將應(yīng)用和數(shù)據(jù)分離。

應(yīng)用和數(shù)據(jù)分離后整個(gè)網(wǎng)站使用3臺(tái)服務(wù)器：應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。這3臺(tái)服務(wù)器對(duì)硬件資源的要求各不相同：

（1）、應(yīng)用服務(wù)器需要處理大量的業(yè)務(wù)邏輯，因此需要更快更強(qiáng)大的CPU。

（2）、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器需要快速磁盤檢索和數(shù)據(jù)緩存，因此需要更快的磁盤和更大的內(nèi)存。

（3）、文件服務(wù)器需要存儲(chǔ)大量用戶上傳的文件，因此需要更大的硬盤。

此時(shí)，網(wǎng)站系統(tǒng)的架構(gòu)如下圖所示：

應(yīng)用和數(shù)據(jù)分離后，不同特性的服務(wù)器承擔(dān)不同的服務(wù)角色，網(wǎng)站的并發(fā)處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間得到了很大改善，支持網(wǎng)站業(yè)務(wù)進(jìn)一步發(fā)展。

但是隨著用戶逐漸增多，網(wǎng)站又一次面臨挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)庫(kù)壓力太大導(dǎo)致訪問延遲，進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)站的性能，用戶體驗(yàn)受到影響，這時(shí)需要對(duì)網(wǎng)站架構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化（具體可查看億企邦《資深架構(gòu)師如何看待大型網(wǎng)站系統(tǒng)架構(gòu)》的相關(guān)介紹）。

3、使用緩存改善網(wǎng)站性能

網(wǎng)站訪問的特點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)世界的財(cái)富分配一樣遵循二八定律：80%的業(yè)務(wù)訪問集中在20%的數(shù)據(jù)上。

既然大部分業(yè)務(wù)訪問集中在一小部分?jǐn)?shù)據(jù)上，那么如果把這一小部分?jǐn)?shù)據(jù)緩存在內(nèi)存中，就可以減少數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問壓力，提高整個(gè)網(wǎng)站的數(shù)據(jù)訪問速度，改善數(shù)據(jù)庫(kù)的寫入性能了。

網(wǎng)站使用的緩存可以分為兩種：緩存在應(yīng)用服務(wù)器上的本地緩存和緩存在專門的分布式緩存服務(wù)器上的遠(yuǎn)程緩存。

本地緩存的訪問速度更快一些，但是受應(yīng)用服務(wù)器內(nèi)存限制，其緩存數(shù)據(jù)量有限，而且會(huì)出現(xiàn)和應(yīng)用程序爭(zhēng)用內(nèi)存的情況。

遠(yuǎn)程分布式緩存可以使用集群的方式，部署大內(nèi)存的服務(wù)器作為專門的緩存服務(wù)器，可以在理論上做到不受內(nèi)存容量限制的緩存服務(wù)。

使用緩存后，數(shù)據(jù)訪問壓力得到有效緩解，但是單一應(yīng)用服務(wù)器能夠處理的請(qǐng)求連接有限，在網(wǎng)站訪問高峰期，應(yīng)用服務(wù)器成為整個(gè)網(wǎng)站的瓶頸。

4、使用應(yīng)用服務(wù)器集群改善網(wǎng)站的并發(fā)處理能力

使用集群是網(wǎng)站解決高并發(fā)、海量數(shù)據(jù)問題的常用手段。當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器的處理能力、存儲(chǔ)空間不足時(shí)，不要企圖去更換更強(qiáng)大的服務(wù)器，對(duì)大型網(wǎng)站而言，不管多么強(qiáng)大的服務(wù)器，都滿足不了網(wǎng)站持續(xù)增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。這種情況下，更恰當(dāng)?shù)淖龇ㄊ窃黾右慌_(tái)服務(wù)器分擔(dān)原有服務(wù)器的訪問及存儲(chǔ)壓力。

對(duì)網(wǎng)站架構(gòu)而言，只要能通過增加一臺(tái)服務(wù)器的方式改善負(fù)載壓力，就可以以同樣的方式持續(xù)增加服務(wù)器不斷改善系統(tǒng)性能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可伸縮性。

應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)集群是網(wǎng)站可伸縮架構(gòu)設(shè)計(jì)中較為簡(jiǎn)單成熟的一種，如下圖所示：

通過負(fù)載均衡調(diào)度服務(wù)器，可以將來自用戶瀏覽器的訪問請(qǐng)求分發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器集群中的任何一臺(tái)服務(wù)器上，如果有更多用戶，就在集群中加入更多的應(yīng)用服務(wù)器，使應(yīng)用服務(wù)器的壓力不再成為整個(gè)網(wǎng)站的瓶頸。

5、數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離

網(wǎng)站在使用緩存后，使對(duì)大部分?jǐn)?shù)據(jù)讀操作訪問都可以不通過數(shù)據(jù)庫(kù)就能完成，但是仍有一部分讀操作（緩存訪問不命中、緩存過期）和全部的寫操作都需要訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，在網(wǎng)站的用戶達(dá)到一定規(guī)模后，數(shù)據(jù)庫(kù)因?yàn)樨?fù)載壓力過高而成為網(wǎng)站的瓶頸。

目前大部分的主流數(shù)據(jù)庫(kù)都提供主從熱備功能，通過配置兩臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)主從關(guān)系，可以將一臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)更新同步到另一臺(tái)服務(wù)器上。網(wǎng)站利用數(shù)據(jù)庫(kù)的這一功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離，從而改善數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)載壓力。如下圖所示：

應(yīng)用服務(wù)器在寫數(shù)據(jù)的時(shí)候，訪問主數(shù)據(jù)庫(kù)，主數(shù)據(jù)庫(kù)通過主從復(fù)制機(jī)制將數(shù)據(jù)更新同步到從數(shù)據(jù)庫(kù)，這樣當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器讀數(shù)據(jù)的時(shí)候，就可以通過從數(shù)據(jù)庫(kù)獲得數(shù)據(jù)。

為了便于應(yīng)用程序訪問讀寫分離后的數(shù)據(jù)庫(kù)，通常在應(yīng)用服務(wù)器端使用專門的數(shù)據(jù)訪問模塊，使數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫分離對(duì)應(yīng)用透明。

6、使用反向代理和CDN加速網(wǎng)站響應(yīng)

隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)不斷發(fā)展，用戶規(guī)模越來越大，由于中國(guó)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不同地區(qū)的用戶訪問網(wǎng)站時(shí)，速度差別也極大。

有研究表明，網(wǎng)站訪問延遲和用戶流失率正相關(guān)，網(wǎng)站訪問越慢，用戶越容易失去耐心而離開。為了提供更好的用戶體驗(yàn)，留住用戶，網(wǎng)站需要加速網(wǎng)站訪問速度，主要手段有使用CDN和方向代理。如下圖所示：

CDN和反向代理的基本原理都是緩存。

（1）、CDN部署在網(wǎng)絡(luò)提供商的機(jī)房，使用戶在請(qǐng)求網(wǎng)站服務(wù)時(shí)，可以從距離自己最近的網(wǎng)絡(luò)提供商機(jī)房獲取數(shù)據(jù)。

（2）、反向代理則部署在網(wǎng)站的中心機(jī)房，當(dāng)用戶請(qǐng)求到達(dá)中心機(jī)房后，首先訪問的服務(wù)器是反向代理服務(wù)器，如果反向代理服務(wù)器中緩存著用戶請(qǐng)求的資源，就將其直接返回給用戶。

使用CDN和反向代理的目的都是盡早返回?cái)?shù)據(jù)給用戶，一方面加快用戶訪問速度，另一方面也減輕后端服務(wù)器的負(fù)載壓力（具體可查看億企邦《關(guān)于大型網(wǎng)站架構(gòu)的負(fù)載均衡技術(shù)詳解》的相關(guān)介紹）。

7、使用分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

任何強(qiáng)大的單一服務(wù)器都滿足不了大型網(wǎng)站持續(xù)增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求。數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)過讀寫分離后，從一臺(tái)服務(wù)器拆分成兩臺(tái)服務(wù)器，但是隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)的發(fā)展依然不能滿足需求，這時(shí)需要使用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。文件系統(tǒng)也一樣，需要使用分布式文件系統(tǒng)。如下圖所示：

分布式數(shù)據(jù)庫(kù)是網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫(kù)拆分的最后手段，只有在單表數(shù)據(jù)規(guī)模非常龐大的時(shí)候才使用。不到不得已時(shí)，網(wǎng)站更常用的數(shù)據(jù)庫(kù)拆分手段是業(yè)務(wù)分庫(kù)，將不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)部署在不同的物理服務(wù)器上。

8、使用NoSQL和搜索引擎

隨著網(wǎng)站業(yè)務(wù)越來越復(fù)雜，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索的需求也越來越復(fù)雜，網(wǎng)站需要采用一些非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)如NoSQL和非數(shù)據(jù)庫(kù)查詢技術(shù)如搜索引擎。如下圖所示：

NoSQL和搜索引擎都是源自互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段，對(duì)可伸縮的分布式特性具有更好的支持。

應(yīng)用服務(wù)器則通過一個(gè)統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問模塊訪問各種數(shù)據(jù)，減輕應(yīng)用程序管理諸多數(shù)據(jù)源的麻煩。

9、業(yè)務(wù)拆分

大型網(wǎng)站為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，通過使用分而治之的手段將整個(gè)網(wǎng)站業(yè)務(wù)分成不同的產(chǎn)品線。如大型購(gòu)物交易網(wǎng)站都會(huì)將首頁、商鋪、訂單、買家、賣家等拆分成不同的產(chǎn)品線，分歸不同的業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)。

具體到技術(shù)上，也會(huì)根據(jù)產(chǎn)品線劃分，將一個(gè)網(wǎng)站拆分成許多不同的應(yīng)用，每個(gè)應(yīng)用獨(dú)立部署。

應(yīng)用之間可以通過一個(gè)超鏈接建立關(guān)系（在首頁上的導(dǎo)航鏈接每個(gè)都指向不同的應(yīng)用地址），也可以通過消息隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，當(dāng)然最多的還是通過訪問同一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)來構(gòu)成一個(gè)關(guān)聯(lián)的完整系統(tǒng)。

10、分布式服務(wù)

隨著業(yè)務(wù)拆分越來越小，存儲(chǔ)系統(tǒng)越來越龐大，應(yīng)用系統(tǒng)的整體復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)增加，部署維護(hù)越來越困難。

由于所有應(yīng)用要和所有數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)連接，在數(shù)萬臺(tái)服務(wù)器規(guī)模的網(wǎng)站中，這些連接的數(shù)目是服務(wù)器規(guī)模的平方，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)連接資源不足，拒絕服務(wù)。

既然每一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)都需要執(zhí)行許多相同的業(yè)務(wù)操作，比如用戶管理、商品管理等，那么可以將這些共用的業(yè)務(wù)提取出來，獨(dú)立部署。由這些可復(fù)用的業(yè)務(wù)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，提供共用業(yè)務(wù)服務(wù)，而應(yīng)用系統(tǒng)只需要管理用戶界面，通過分布式服務(wù)調(diào)用共用業(yè)務(wù)服務(wù)完成具體業(yè)務(wù)操作。如下圖所示：

大型網(wǎng)站的架構(gòu)演化到這里，基本上大多數(shù)的技術(shù)問題都得以解決，諸如跨數(shù)據(jù)中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步和具體網(wǎng)站業(yè)務(wù)相關(guān)的問題也都可以通過組合改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)架構(gòu)解決。

三、大型網(wǎng)站架構(gòu)的模式

最后，我們?cè)诹牧淖畛Ｒ姷募軜?gòu)模式，主要就是將系統(tǒng)在橫向維度上切分成幾個(gè)部分，每個(gè)部分單一職責(zé)。

1、分層

分層是應(yīng)用系統(tǒng)中最常見的一種架構(gòu)模式，在計(jì)算機(jī)世界中無處不在，可以更好的把龐大的軟件系統(tǒng)切分成不同的部分，便于分工合作和維護(hù)。

分層中的挑戰(zhàn)就是合理規(guī)劃層次的邊界和接口，嚴(yán)格遵守分層的約束，禁止跨層次的調(diào)用以及逆向調(diào)用。

2、分割

分割在縱向?qū)用鎸?duì)軟件進(jìn)行切分。比如網(wǎng)購(gòu)系統(tǒng)，在應(yīng)用層，分割為交易、物流、優(yōu)惠、庫(kù)存等系統(tǒng)。

3、分布式

分割和分層便于切分后的模塊能夠便于分布式部署。分布式應(yīng)用和服務(wù)、分布式文件系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)、分布式計(jì)算、分布式配置、分布式鎖。

4、集群

多臺(tái)服務(wù)器部署相同的應(yīng)用構(gòu)成一個(gè)集群，保證負(fù)載均衡的同時(shí)來提升系統(tǒng)的可用性，互相災(zāi)備。

5、緩存

CDN、反向代理、本地緩存、分布式緩存、數(shù)據(jù)庫(kù)緩存、瀏覽器緩存。

6、異步

異步架構(gòu)中最典型的就是生產(chǎn)者和消費(fèi)者模式，要解耦，就用異步，異步離不開隊(duì)列，有效的利用異步，能夠消除并發(fā)訪問的高峰。

7、冗余

在集群中機(jī)器數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量的時(shí)候，部分機(jī)器宕機(jī)會(huì)是常態(tài)，因此需要數(shù)據(jù)冗余備份，數(shù)據(jù)庫(kù)定期備份稱之為冷備份，主從分離實(shí)時(shí)同步稱之為熱備份。

8、自動(dòng)化

發(fā)布過程自動(dòng)化、代碼管理自動(dòng)化、自動(dòng)化測(cè)試、自動(dòng)化安全掃描、自動(dòng)化低級(jí)bug掃描、自動(dòng)化監(jiān)控、自動(dòng)化報(bào)警、自動(dòng)化失效轉(zhuǎn)移、自動(dòng)化降級(jí)。

9、安全

互聯(lián)網(wǎng)開放的特性注定了在安全方面提升了很大的挑戰(zhàn)。

好的設(shè)計(jì)絕對(duì)不是模仿，不是生搬硬套一個(gè)特定的模式，而是對(duì)問題深刻理解之上的創(chuàng)造和創(chuàng)新。

億企邦點(diǎn)評(píng)：

架構(gòu)師最大的價(jià)值不在于掌握了多少先進(jìn)的技術(shù)，而在于將一個(gè)大系統(tǒng)切分為N個(gè)低耦合的子模塊的能力，這些子模塊包含橫向的業(yè)務(wù)模塊，也包含縱向的基礎(chǔ)技術(shù)模塊，這種能力一部分源自于專業(yè)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，還有一部分源自架構(gòu)師對(duì)于業(yè)務(wù)場(chǎng)景的理解，對(duì)人性的把握，甚至對(duì)世界的認(rèn)知。