大型分布式网站技术架构综述

1. 大型网站特点

  • 用户量大,且用户分布广泛

  • 大流量,高访问量,高并发

  • 海量数据,服务具有高可用性

  • 安全环境恶劣,容易成为网络攻击目标

  • 功能多,版本迭代较快

  • 从小到大,渐进发展

  • 以用户为中心

  • 免费服务,付费体验

2. 大型网站架构目标

架构目标

3. 大型网站架构模式

  • 分层:一般可将网站分为应用层、服务层、数据层、管理层、分析层等;

  • 分割:一般按照业务/模块/功能特点进行划分,比如应用层分为首页、用户中心、产品中心、交易中心等功能模块。

  • 分布式:对应用采用分布式部署(如通过云平台、容器等方式),通过远程过程调用(RPC)协同工作。

  • 集群:一个应用/模块/功能通过高可用的集群方式部署,通过负载均衡方式提供对外访问地址。

  • 缓存:将数据放在距离应用或用户最近的位置,加快访问速度,提高应用效率。

  • 异步:将同步的操作异步化。客户端发出请求,不等待服务端响应,等服务端处理完毕后,使用通知或轮询的方式告知请求方。一般指:***请求——响应——通知 ***模式。

  • 冗余:增加副本,提高可用性、安全性与应用性能。

  • 安全:对已知问题有有效的解决方案,对未知/潜在问题建立发现和防御机制。

  • 自动化:将重复的、不需要人工参与的事情,通过自动化工具的方式来自动完成相应的应用操作。

  • 敏捷性:积极接受需求变更、支持灰度发布方式,快速响应业务发展需求。

4. 高性能架构

以用户为中心,为用户提供快速的页面访问体验,主要参数有响应时间短、并发处理能力强、高吞吐量及稳定的性能参数。架构可分为前端优化、应用层优化、代码层优化与存储层优化等。

  • 前端优化:网站业务逻辑之前的部分;在浏览器端减少Http请求数,可以使用浏览器缓存、启用页面压缩、Css Js位置放在页面最后、采用Javascript异步请求、减少请求Cookie传输;提供CDN加速,使用反向代理;

  • 应用优化:优化处理网站业务的服务器,通过使用缓存、异步、集群部署方式提供应用响应速度。

  • 代码优化:合理的架构,多线程处理、资源复用(对象池,线程池等),良好的数据结构和设计械,针对Java代码的JVM性能调优、单例,代码中引入Cache机制等;

  • 存储优化:存储硬件缓存、使用固态硬盘、采用光纤传输(成本比较高)、优化读写性能、磁盘冗余配置或采用分布式存储(HDFS)、采用NOSQL数据库等。

5. 高可用架构

大型网站应该在任何时候都可以正常访问,并对外提供7 * 24小时服务。因为大型网站的复杂性、分布式、应用涉及层面多(数据库、操作系统、服务器)等特点,需要保证高可用是很困难的,也就是说网站的故障是不可避免的。

如何提高可用性,就是需要迫切解决的问题。首先,需要从架构层面上进行综合考虑,在应用规划时,就应该考虑应用的高可用性。行业内一般用几个9来对可用性指标进行衡量,比如四个9(99.99%),表示一年内允许的不可用时间是53分钟。

不同层级使用的策略不同,一般方式可采用冗余备份和失效转移解决高可用问题。

  • 应用层:一般设计为无状态的,对于每次请求,使用哪一台服务器处理是没有影响的。一般采用负载均衡技术(需解决Session同步问题),实现高可用。

  • 服务层:负载均衡、服务分级管理、快速失效(超时设置)、服务异步调用、服务降级、幂等设计等。

  • 数据层:冗余备份(冷,热备[同步,异步],温备)、失效转移(确认,转移,恢复)。数据高可用方面著名的理论基础是CAP理论(持久性、可用性、数据一致性理论)

6. 可伸缩架构

伸缩性是指在不改变原有架构设计的基础上,通过添加/减少硬件(服务器)的方式,提高/降低系统的处理能力。

  • 应用层:对应用进行垂直或水平切分。然后针对单一功能进行负载均衡(DNS、HTTP[反向代理]、IP、链路层)。

  • 服务层:与应用层类似;

  • 数据层:分库、分表、NOSQL等;常用算法Hash,一致性Hash。

7. 可扩展性架构

应用可以方便的进行功能模块的扩展或移除,提供代码与模块级别良好的可扩展性。

  • 模块化(组件化)设计:高内聚、内耦合,提高应用的复用性和扩展性。

  • 稳定接口设计:定义稳定的接口,在接口不变的情况下,内部结构可以“随意”变化。

  • 设计模式:应用面向对象思想与原则,使用设计模式,进行代码层面的设计。

  • 消息队列:模块化的系统,通过消息队列进行交互,使模块之间的依赖解耦。

  • 分布式服务:公用模块服务化,可供其他系统使用,提高服务的可重用性和扩展性。

8. 安全性架构

对已知的安全问题有有效的解决方案,对于未知或潜在的安全问题建立发现和防御机制。对于安全问题,首先要提高整体的安全意识,建立一个有效的安全机制,从政策层面、组织层面提高安全保障意识。比如针对服务器的安全策略,应保证服务器密码不能泄露,对密码每月更新,并且三次内不能重复;每周安全扫描等。以制度化的方式,加强安全体系的建设。同时,需要注意与安全有关的各个环节。安全问题不容忽视。安全性架构包括基础设施安全、应用系统安全、数据保密安全等。

  • 基础设施安全:硬件采购、操作系统、网络环境方面的安全。一般采用正规渠道购买高质量的产品,并选择安全的、提供正版化授权的操作系统,及时修补硬件或操作系统漏洞,提供杀毒软件防火墙支持。安全措施包括设置防火墙策略,建立DDOS防御系统,使用攻击检测系统,进行子网隔离等手段。

  • 应用系统安全:在程序开发时,对已知常用问题,使用正确的方式,在代码层面解决掉。防止跨站脚本攻击(XSS)、注入攻击(SQL注入攻击)、跨站请求伪造(CSRF)、错误信息响应、代码泄漏、HTML注释、文件上传、目录(路径)遍历等应用层漏洞。还可以使用Web应用防火墙(比如:Imperva等),定期进行安全漏洞扫描等措施,加强应用级别的安全。

  • 数据保密安全:存储安全、安全保管(重要的信息加密保存,选择合适的人员复杂保存和检测等)、传输安全(防止数据窃取和数据篡改)、常用的加解密算法(单项散列加密[MD5,SHA],对称加密[DES,3DES,RC]),非对称加密[RSA]等。

9. 敏捷性架构

网站的架构设计时应注重运维管理的变化,网站架构设计时应考虑应用监控、告警和日志分析,提供高伸缩性、高扩展性,使应用支持灰度发布方式,应用设计时可考虑引入容器技术,能够快速扩展应用,以方便的应对快速的业务发展,突增高流量访问等要求。

除上面介绍的架构要素外,还需要引入敏捷管理和开发的思想,使业务、产品、技术和运维统一起来,随需应变,快速响应。

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