网易面试：请设计一个高可用性的软件架构，说明设计思路

标签：服务 系统 故障 高可用性 软件架构 设计 确保

有一位粉丝留言说，他前几年面试网易的研发时，面试官问到这样一个问题：**你怎么设计一个高可用性的架构？**当时这位粉丝列举了集群、数据库主从等方面，但是没有说全，面试结果不理想。应这位粉丝的要求，小编将给小伙伴们分享一期常见的高可用性设计，让大家以后能够规避这类问题。

一、 什么是高可用

高可用指的是系统能够长时间持续稳定运行，并在出现故障时能够迅速恢复，以最小的停机时间提供服务，高可用性是衡量系统可靠性的关键指标。业界通常用多个9来衡量系统的可用性，如下表：

一般而言，如果系统达到4个9就非常优秀了，需要在设计上做足功夫。

二、 代码规范

研发规范层面这个是大家容易忽视的一个点，但是，我们所有的设计，都是研发人员来完成的，包括从设计文档到编码到发布上线，因此，研发层面也是有一个规范流程和套路，来让我们更好的去研发和维护一个高可用的系统，以下我总结重要的几项规范：

1. 代码规范：

• 制定代码风格指南，包括命名约定、缩进、空格使用、注释规范等。
  • 使用自动化工具（如ESLint、Prettier、Flake8等）来强制执行代码风格。

2. 版本控制：

• 制定Git等版本控制系统的使用规范，包括分支策略、提交信息格式、合并请求（MR）流程等。
  • 确保所有代码更改都通过版本控制系统进行管理。

3. 文档编写：

• 要求编写清晰的文档，包括设计文档、用户手册、API文档等。
  • 鼓励使用文档生成工具（如Swagger、Javadoc、Sphinx等）来自动化文档生成。

4. 代码审查：

• 实施代码审查流程，确保代码质量并促进知识共享。
  • 使用代码审查工具（如Gerrit、CodeReview、GitHub Pull Requests等）来管理审查过程。

5. 测试规范：

• 制定测试策略，包括单元测试、集成测试、性能测试和安全测试。
  • 要求测试覆盖率达标，并使用自动化测试工具（如JUnit、pytest、Selenium等）。

6. 依赖管理：

• 制定依赖管理策略，包括依赖更新、版本锁定和安全检查。
  • 使用依赖管理工具（如npm、Maven等）来管理项目依赖。

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三、 应用服务的高可用

1.负载均衡设计

在微服务架构中（springcloud），服务发现和负载均衡是构建高可用系统的核心组件。大多数微服务框架都内置了这些功能，它们提供了一套完整的机制，包括服务注册与发现、智能流量分配、健康检查以及自动故障剔除。当服务实例发生故障时，系统能够自动将其从服务池中移除，以避免影响用户体验。同时，当有新的服务实例加入时，系统也会自动将其纳入服务池，确保服务的连续性和扩展性。

对于那些不采用微服务框架的项目，我们可以通过专业的负载均衡代理服务来实现类似的功能。例如，使用LVS（Linux Virtual Server）或Nginx这样的工具，它们能够提供强大的负载均衡能力，帮助我们根据预设的策略分配流量，确保系统在高负载下的性能和稳定性。这些工具通常还具备健康检查功能，能够自动检测服务实例的状态，并在必要时进行流量的重新分配，从而提高整个系统的容错能力。

2.弹性扩缩容设计

弹性扩缩容设计是现代云计算环境中的一项关键技术，它为我们提供了一种灵活应对流量波动的有效策略，同时也是确保服务高可用性的重要保障。

那么，如何实现这种弹性扩缩容呢？在当前的云原生时代，许多公司都倾向于采用容器化技术（如Kubernetes，简称K8s）进行应用部署。

对于非容器化的环境，比如物理机部署，实现弹性扩缩容则需要公司具备较强的基础设施建设能力。这通常意味着需要在运营平台上集成监控工具，实时跟踪服务的关键性能指标，如CPU使用率或每秒查询率（QPS）。一旦这些指标超过预设的阈值，系统便能够自动触发扩容或缩容操作。

无论是在容器化还是非容器化的环境中，弹性扩缩容都需要精心设计和持续优化，以确保系统能够在保持高性能的同时，灵活应对各种流量挑战，从而为用户提供稳定可靠的服务体验。

3.异步解耦和削峰设计（消息队列）

为了构建一个高可用的系统，从架构设计的角度出发，我们需要采取分层和模块化的方法。这种设计策略不仅有助于系统的维护和扩展，而且通过在各模块之间实施异步处理和解耦，可以显著提高整个系统的稳定性和可靠性。异步处理和解耦的目的是确保各个组件能够独立运行，不会因为相互依赖而影响整体的可用性。

在架构层面，异步解耦可以通过引入消息队列来实现，例如广泛使用的Kafka。消息队列不仅是一种有效的异步通信机制，还具有削峰填谷的能力，这两者共同作用，可以极大提升架构的可用性。

4.故障和容错设计

在构建服务时，我们必须认识到没有任何服务能够保证100%的完美运行。在线服务总会遇到各种预料之外的问题，这些问题可能会导致服务出现故障。因此，业界通常使用服务等级协议（SLA）来衡量服务的可用性，以“几个9”来表示，比如99.99%的可用性，即所谓的“四个9”。

为了应对这种现实，我们的设计理念应当遵循“为失败而设计”（design for failure）的原则。这意味着我们需要构建一个能够容忍错误并从中恢复的系统。以下是一些关键的设计建议：

1. 快速失败（Fail Fast）：

• 快速失败原则强调在主流程中一旦检测到问题，就应该立即终止流程并返回错误。这种做法有助于避免错误扩散，减少可能的负面影响。通过快速识别和响应问题，我们可以防止小问题演变成大问题。

2. 自我保护机制：

• 当系统依赖的外部服务出现故障时，系统应具备自我保护的能力。这包括及时实施降级策略和兜底方案，以防止问题蔓延，避免因连锁反应导致整个服务瘫痪。例如，如果依赖的数据存储服务出现问题，系统不应持续重试，因为这可能导致服务完全不可访问。相反，系统应该能够优雅地退回到一个安全的运行状态，或者提供一个备选的服务路径。

通过这些设计原则和实践，我们可以构建出更加健壮和可靠的系统，即使在面对失败时也能保持服务的连续性和可用性。

5.过载保护设计（限流、熔断、降级）

过载保护设计是确保系统稳定性和可靠性的关键策略，特别是在面对高流量或异常情况时。过载保护主要包括限流、熔断和降级三个策略，以下是如何实现这些设计的详细步骤：

1. 限流（Rate Limiting）

限流是通过控制请求的速率来保护系统不被过多的请求压垮。

• 使用Nginx、Redis限制每个用户的请求频率，如每秒不超过20次。
• 在服务端，使用Guava的RateLimiter限制对数据库的访问频率。

2. 熔断（Circuit Breaker）

熔断机制类似于电路中的保险丝，当系统下游服务不可用时，自动“断开”服务调用，避免系统过载。

• 使用Hystrix为关键服务（如支付、库存查询）实现熔断机制。
• 当服务失败次数超过阈值时，自动进入熔断状态，拒绝调用。

3. 降级（Fallback）

降级是在系统部分功能不可用时，提供备选方案，以保证核心功能的正常运行。

• 预设降级策略，如当库存查询服务不可用时，返回最近的缓存数据。
• 在服务调用失败时，自动切换到降级策略，保证用户体验。

四、 数据存储高可用

实现数据存储的高可用性是确保数据在任何情况下都能被访问和使用的关键。以下是一些实现数据存储高可用性的策略：

1. 数据冗余：

• 镜像：在不同的物理位置存储数据的多个副本。
• RAID（独立磁盘冗余阵列）：在多个硬盘上分布数据，以提供容错能力。

2. 分布式存储系统：

• 使用如HDFS（Hadoop Distributed File System）、Ceph、GlusterFS等分布式文件系统，它们能够在多个节点上存储数据，并且能够在节点故障时自动恢复。

3. 数据库高可用架构设计：

具体不再阐述，详情请参考如下文章：数据库高可用架构设计，看这篇就够了！

五、运维部署高可用

实现运维部署的高可用性（High Availability, HA）是确保IT基础设施和服务在面对故障时能够持续运行的关键。以下是一些策略和最佳实践：

1. 自动化部署：

• 使用自动化工具（如Ansible、Chef、Puppet、Terraform等）来自动化部署流程，减少人为错误。

2. 容器化：

• 使用Docker、Kubernetes等容器技术来封装应用及其依赖，实现快速部署和扩展。

3. 持续集成/持续部署（CI/CD）：

• 建立CI/CD流程，自动化测试和部署，确保软件的快速迭代和高质量发布。

4. 蓝绿部署：

• 使用蓝绿部署策略，同时运行两个生产环境，一个用于当前版本，另一个用于新版本，以减少部署风险。

5. 滚动更新：

• 实施滚动更新，逐步替换旧版本实例，减少服务中断。

6. 监控和警报：

• 实施全面的监控系统来监控服务状态和性能指标，并设置警报机制。

7. 备份和灾难恢复：

• 定期备份关键数据和配置，并测试恢复流程，确保在数据丢失或灾难情况下能够快速恢复。

8. 定期演练：

• 定期进行故障演练和压力测试，验证高可用性策略的有效性。

9. 反馈和持续改进：

• 收集运维部署的反馈，不断优化和改进部署流程。

通过实施上述策略，可以提高运维部署的高可用性，减少服务中断的风险，并确保业务连续性。

六、异常应急高可用

实现异常应急的高可用性是确保在面对突发事件或系统故障时，系统能够快速恢复并继续提供服务的重要措施。以下是一些关键步骤和最佳实践：

1. 制定应急预案：

• 制定详细的应急预案，包括各种可能的故障场景和相应的响应措施。

2. 建立应急响应团队：

• 组建专门的应急响应团队，负责在发生故障时快速响应和处理。

3. 监控和警报：

• 实施全面的监控系统，实时监控系统状态，一旦发现异常立即发出警报。

4. 故障模拟和演练：

• 定期进行故障模拟和应急演练，提高团队的应急处理能力和系统的恢复速度。

5. 快速切换和故障转移：

.- 配置快速切换和故障转移机制，确保在发生故障时能够迅速切换到备用系统。

6. 灾难恢复计划：

• 制定灾难恢复计划，包括数据备份、系统恢复、业务连续性计划等。

7. 通信和协调机制：

• 建立有效的通信和协调机制，确保在发生故障时，所有相关人员能够及时沟通和协作。

8. 定期审查和更新预案：

定期审查和更新应急预案，确保预案的时效性和有效性。

9. 持续改进和反馈：

• 收集应急响应的反馈，不断优化和改进应急预案和响应流程。

应急预案就是我们需要事先规划好，我们业务系统在各个层级出现问题后，我们需要第一时间怎么恢复，制定好相关规则和流程。当出现异常状况后可以按照既有的流程去执行，这样避免出现问题后手忙脚乱导致事态扩大。

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