互联网高可用架构探讨

高可用指标与问题

高可用，英文单词High Availability，缩写HA，它是分布式系统架构设计中一个重要的度量。业界通常用多个9来衡量系统的可用性，如下表：

既然有可用率，有一定会存在不可用的情况。系统宕机一般分为有计划的和无计划的，有计划的如日常维护、系统升级等，无计划的如设备故障、突发断电等。我们对此作如下分类：

1.设备故障：机房断电、硬盘损坏、交换机故障。

2.网络故障：网络带宽拥堵、网络连接中断。

3.安全问题：利用系统漏洞进行网络攻击。

4.性能问题：CPU利用率太高、内存不足、磁盘IO过载、数据库慢SQL。

5.升级维护：由于业务变更或技术改进而引起的系统升级。

6.系统问题：分布式系统中存在服务的依赖而导致数据的不一致性，或是核心服务出现异常。

高可用主要手段

负载均衡

负载均衡（Load Balance），它将工作任务分发到多个工作单元上进行运行，它可以提高网络设备的带宽，提升网络数据处理能力，增强网络的稳定性。可防止机房断电、网络设备故障等问题。

负载均衡的实现可分为硬件负载与软件负载。硬件负载由专门的设备完成专门的任务，这种方式性能较高同时成本也高；软件负载通过软件代码实现，此种方式耗费操作系统资源，性能较低，容易出现BUG，也容易引起安全问题。

负载策略一般有轮询策略、随机策略、最小连接策略以及最短响应时间策略。

轮询策略：讲用户请求轮流分配给服务器，这种算法比较简单。

随机策略：随机选择一台服务器来执行任务。

最小连接策略：把请求分配给活动连接数最小的后端服务器。

最短响应时间策略：将请求分配给平均响应时间最短的服务器。

限流

限流就是避免服务过载，随着流量的提高，无论负载策略如何高效，系统的某个环节总会过载。就如木桶能装多少水取决于最短的那块木板，我们是无法保证系统的每个部分都保持同样的高吞吐量，因此要考虑如何优雅地提供有损服务。

常用的三种限流算法：计数器算法、滑动窗口算法、漏桶算法、令牌桶算法。

计数器算法：使用计数器在一定周期内累加某个接口的访问次数，当达到限流阈值时，触发限流策略，进入下一个周期后，重新开始计数。此算法较为简单，但会降低服务器的负载能力。

滑动窗口算法：将时间周期划分成更小的周期，按小周期来进行计数，根据时间滑动删除过期的小周期。这种算法使得周期划分得越小服务器的负载能力越高。

漏桶算法：将请求直接放入漏桶中，如果当前访问量超出漏桶的限流值，则把后来的请求予以丢弃，这样可以最大限度地提高服务器的负载能力。

令牌桶算法：以（时间周期/限流值）的速度向令牌桶里增加令牌，直到装满桶的容量，当请求到达时，分配一个令牌让其通过，如果没有获取到令牌则触发限流机制。

### 异步调用

异步调用一般有两种方式：一种是异步回调，一种是消息队列。消息队列方式也算是限流的一种手段，可以让请求一个一个地被处理，避免并发太高而引起的应用无法及时处理。这种方式相对与限流来讲，是一种无损的解决方案。但这种方案仅适用于非实时响应的业务。

### 超时重试与幂等设计

很多文章把超时重试与幂等设计分开来讨论，但我却认为它们是相辅相成，密切相关的。在设计超时重试时，一定要考虑幂等设计

超时重试机制：由于服务器宕机、网络延时、服务器线程死锁等原因，导致应用程序无法先限定时间内对服务调用方进行响应。因此当发生调用超时后，应用程序可根据调度策略进行重试。被调用的服务没有及时响应，可能会存在两种情况，一是服务内部发生异常，导致执行失败，没有返回任何消息；一是执行的服务耗时太长，没有及时响应，但实际已经执行成功。所以针对第二种情况要做幂等设计。

幂等设计：多次相同参数的请求对系统造成的作业都是相同的。常见的幂等方案有：MCVV多版本并发、唯一索引、token机制、悲观锁、状态机幂等、只读操作等。

降级与熔断

服务降级与服务熔断都是为了解决服务雪崩的问题，但不要把他们混为一谈，它们是有本质区别的。

降级是对系统的某个功能进行降级，可以只提供部分功能也可以完全停止该功能。降级一般由开关来进行控制，在不重启服务的情况下，对功能进行降级。它常常发生在高并发时段、机器卡顿、下游不太重要的服务异常等情况下。

熔断没有开关，它是一个框架级的设计，常常被称作断路器。它的主要作用是，当下游的服务因为某种原因变得不可用或服务不及时，为了保证整体服务的可用性，不再调用目标服务，直接返回默认处理或容错处理，从而使得整体服务可以快速响应。例如SpringCloud中的Hystrix。

降级与熔断的主要区别是手动与自动。降级主要是通过配置中心的热刷新功能，人为地对开关进行打开与关闭操作。而熔断则是根据事先设计好的策略，系统自动地根据策略来进行开关操作。但它们都是对功能进行关闭。

架构模式

主备模式

实际是一主多备，master负责提供读写服务，slave作为数据备份，一旦主机宕机，将其中一个备节点作为主节点。

主从复制

实际是一主多从，master对外提供读写服务，slave作为数据备份提供只读服务。主机定期复制数据给从机。多副本的关键问题是保证数据一致性，通常需要考虑数据同步延时的问题。

集群分片

集群分片是为了解决每台机器上存储全量数据的问题，面对大数据单机的存储量总是有上限的，当面对PB级数据时，单机是无法支撑的，因此就需要对数据进行分片。

异地多活

异地就是指在地理位置上不同的地方，可分为同城异地、跨城异地、跨国异地，多活就是指不同地理位置上的系统都能够提供服务。这种架构的复杂度较高，且部署成本也会提高。

设计原则：

1、 只把核心业务设计为异地多活，比如流量大、盈利高的业务

2、 保证核心数据的一致性与实时性，且可丢失、可恢复

3、 可采用多种数据同步的方案，比如存储系统同步、消息队列同步

4、 异地多活仅适用于大部分用户，以地区来论，覆盖主要城区

总结

在互联网架构设计中，高可用是必不可少的环节，要从网络架构、服务架构、数据架构以及软硬件架构等多方面来分析设计，是架构师必备的技能之一。

作者：京东零售 谷伟

来源：京东云开发者社区