浅析大型网站架构设计及技术分析

一个小型的网站,比如个人网站,可以使用最简单的html静态页面就实现了,配合一 些图片达到美化效果,所有的页面均存放在一个目录下,这样的网站对系统架构、性能的要求都很简单,随着互联网业务的不断丰富,网站相关的技术经过这些年的 发展,已经细分到很细的方方面面,尤其对于大型网站来说,所采用的技术更是涉及面非常广,从硬件到软件、编程语言、数据库、WebServer、防火墙等 各个领域都有了很高的要求,已经不是原来简单的html静态网站所能比拟的。
   大型网站,比如门户网站。在面对大量用户访问、高并发请求方面,基本的解决方案集中在这样几个环节:使用高性能的服务器、高性能的数据库、高效率的编程语言、还有高性能的Web容器。但是除了这几个方面,还没法根本解决大型网站面临的高负载和高并发问题。
   上面提供的几个解决思路在一定程度上也意味着更大的投入,并且这样的解决思路具备瓶颈,没有很好的扩展性,下面我从低成本、高性能和高扩张性的角度来说说我的一些经验 。
1、HTML静态化
   其实大家都知道,效率最高、消耗最小的就是纯静态化的html页面,所以我们尽可能使我们的网站上的页面采用静态页面来实现,这个最简单的方法其实也是最 有效的方法。但是对于大量内容并且频繁更新的网站,我们无法全部手动去挨个实现,于是出现了我们常见的信息发布系统CMS ,像我们常访问的各个门户站点的新闻频道,甚至他们的其他频道,都是通过信息发布系统来管理和实现的,信息发布系统可以实现最简单的信息录入自动生成静态 页面,还能具备频道管理、权限管理、自动抓取等功能,对于一个大型网站来说,拥有一套高效、可管理的CMS是必不可少的。
   除了门户和信息发布类型的网站,对于交互性要求很高的社区类型网站来说,尽可能的静态化也是提高性能的必要手段,将社区内的帖子、文章进行实时的静态化,有更新的时候再重新静态化也是大量使用的策略,像Mop的大杂烩就是使用了这样的策略,网易社区等也是如此。
   同时,html静态化也是某些缓存策略使用的手段,对于系统中频繁使用数据库查询但是内容更新很小的应用,可以考虑使用html静态化来实现,比如论坛中 论坛的公用设置信息,这些信息目前的主流论坛都可以进行后台管理并且存储在数据库中,这些信息其实大量被前台程序调用,但是更新频率很小,可以考虑将这部 分内容进行后台更新的时候进行静态化,这样避免了大量的数据库访问请求。
2、图片服务器分离
   大家知道,对于Web服务器来说,不管是Apache、IIS还是其他容器,图片是最消耗资源的,于是我们有必要将图片与页面进行分离,这是基本上大型网 站都会采用的策略,他们都有独立的图片服务器,甚至很多台图片服务器。这样的架构可以降低提供页面访问请求的服务器系统压力,并且可以保证系统不会因为图 片问题而崩溃,在应用服务器和图片服务器上,可以进行不同的配置优化,比如apache在配置ContentType的时候可以尽量少支持,尽可能少的 LoadModule,保证更高的系统消耗和执行效率。
3、数据库集群和库表散列
   大型网站都有复杂的应用,这些应用必须使用数据库,那么在面对大量访问的时候,数据库的瓶颈很快就能显现出来,这时一台数据库将很快无法满足应用,于是我 们需要使用数据库集群或者库表散列。在数据库集群方面,很多数据库都有自己的解决方案, Oracle、Sybase等都有很好的方案,常用的MySQL提供的Master/Slave也是类似的方案,您使用了什么样的DB,就参考相应的解决 方案来实施即可。
   上面提到的数据库集群由于在架构、成本、扩张性方面都会受到所采用DB类型的限制,于是我们需要从应用程序的角度来考虑改善系统架构,库表散列是常用并且 最有效的解决方案。我们在应用程序中安装业务和应用或者功能模块将数据库进行分离,不同的模块对应不同的数据库或者表,再按照一定的策略对某个页面或者功 能进行更小的数据库散列,比如用户表,按照用户ID进行表散列,这样就能够低成本的提升系统的性能并且有很好的扩展性。sohu的论坛就是采用了这样的架 构,将论坛的用户、设置、帖子等信息进行数据库分离,然后对帖子、用户按照板块和ID进行散列数据库和表,最终可以在配置文件中进行简单的配置便能让系统 随时增加一台低成本的数据库进来补充系统性能。
4、缓存
   缓存一词搞技术的都接触过,很多地方用到缓存。网站架构和网站开发中的缓存也是非常重要。这里先讲述最基本的两种缓存。高级和分布式的缓存在后面讲述。架 构方面的缓存,对Apache比较熟悉的人都能知道Apache提供了自己的缓存模块,也可以使用外加的Squid模块进行缓存,这两种方式均可以有效的 提高Apache的访问响应能力。
   网站程序开发方面的缓存,Linux上提供的Memory Cache是常用的缓存接口,可以在web开发中使 用,比如用Java开发的时候就可以调用MemoryCache对一些数据进行缓存和通讯共享,一些大型社区使用了这样的架构。另外,在使用web语言开 发的时候,各种语言基本都有自己的缓存模块和方法。
5、镜像
   镜像是大型网站常采用的提高性能和数据安全性的方式,镜像的技术可以解决不同网络接入商和地域带来的用户访问速度差异,比如ChinaNet和 EduNet之间的差异就促使了很多网站在教育网内搭建镜像站点,数据进行定时更新或者实时更新。在镜像的细节技术方面,这里不阐述太深,有很多专业的现 成的解决架构和产品可选。也有廉价的通过软件实现的思路,比如Linux上的rsync等工具 。
6、负载均衡
   负载均衡将是大型网站解决高负荷访问和大量并发请求采用的终极解决办法。
   负载均衡技术发展了多年,有很多专业的服务提供商和产品可以选择,我个人接触过一些解决方法,其中有两个架构可以给大家做参考。

硬件四层交换
   第四层交换使用第三层和第四层信息包的报头信息,根据应用区间识别业务流,将整个区间段的业务流分配到合适的应用服务器进行处理。第四层交换功能就象是虚 IP,指向物理服务器。它传输的业务服从的协议多种多样,有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上,需要复杂的 载量平衡算法。在IP世界,业务类型由终端TCP或UDP 端口地址来决定,在第四层交换中的应用区间则由源端和终端IP地址、TCP和UDP端口共同决定。
   在硬件四层交换产品领域,有一些知名的产品可以选择,比如Alteon、F5等,这些产品很昂贵,但是物有所值,能够提供非常优秀的性能和很灵活的管理能力。Yahoo中国当初接近2000台服务器使用了三四台Alteon就搞定了。
软件四层交换
   大家知道了硬件四层交换机的原理后,基于OSI模型来实现的软件四层交换也就应运而生,这样的解决方案实现的原理一致,不过性能稍差。但是满足一定量的压力还是游刃有余的,有人说软件实现方式其实更灵活,处理能力完全看你配置的熟悉能力。
   软件四层交换我们可以使用Linux上常用的LVS来解决,LVS就是Linux Virtual Server,他提供了基于心跳线heartbeat的实时灾难应对解决方案,提高系统的鲁棒性,同时可供了灵活的虚拟VIP配置和管理功能,可以同时满 足多种应用需求,这对于分布式的系统来说必不可少。
   一个典型的使用负载均衡的策略就是,在软件或者硬件四层交换的基础上搭建squid集群,这种思路在很多大型网站包括搜索引擎上被采用,这样的架构低成 本、高性能还有很强的扩张性,随时往架构里面增减节点都非常容易。这样的架构我准备空了专门详细整理一下和大家探讨。
   对于大型网站来说,前面提到的每个方法可能都会被同时使用到,我这里介绍得比较浅显,具体实现过程中很多细节还需要大家慢慢熟悉和体会,有时一个很小的squid参数或者apache参数设置,对于系统性能的影响就会很大,希望大家一起讨论,达到抛砖引玉之效。
讨论大型高并发负载网站的系统架构问题,作者提出了几点建议:
1. HTML静态化,这可以通过CMS 自动实现;
2. 图片服务器分离(类似的,在视频网站中,视频文件也应独立出来);
3. 数据库集群和库表散列,Oracle、MySQL等DBMS都有完美的支持;
4. 缓存,比如使用 Apache的Squid模块,或者是开发语言的缓存模块,;
5. 网站镜像;
6. 负载均衡。
   作者将负载均衡称为“是大型网站解决高负荷访问和大量并发请求采用的终极解决办法”,并提出“一个典型的使用负载均衡的策略就是,在软件或者硬件四层交换 的基础上搭建squid集群”。在实践时可以考虑建立应用服务器集群和Web服务器集群,应用服务器集群可以采用Apache+Tomcat集群和 WebLogic集群等,Web服务器集群可以用反向代理,也可以用NAT的方式,或者多域名解析均可。
   从提升网站性能的角度出发,静态资源不应和应用服务器放在一起,数据库服务器也应尽 量独立开来。在典型的MVC模式中,由谁来完成数据逻辑处理的,对系统性能有着至关重要的影响。以Java EE为例,在OO的设计思想中,我们强调系统的抽象、重用、可维护性,强调下层的更改不会扩散到上层逻辑,强调系统移植的便捷性, 因而往往存在一种过分抽象的问题,比如在Hibernate的基础上再加入一层DAO的设计。另外一方面,却会忽视利用DBMS本身的优秀特性(存储过 程、触发器)来完成高效的数据处理。诚然,如果客户要求将数据从Oracle移植到MySQL,那么DBMS特性的东西越少,移植便越容易。但事实上,在 实践中,提出类似移植要求的情况非常少见,因此在做架构设计时,不一定为了这种潜在的需求而大幅牺牲系统的性能与稳定性。此外,我不建议采用分布式数据库 管理结构,这样带来的开销太大,数据维护也是个头痛的问题,尽可能采用集中式的数据管理。
   在商业系统中,算法逻辑本身并不复杂,在这种情况下,程序设计本身的好坏不会对系统的性能造成致命的影响。重要的影响因素反而变为软件系统架构本身。在传 统的CORBA、J2EE、DCOM等对象模 型中,我们看到专家们对分布式对象计算的理论偏好,但实践证明,对象的分布带来的恶劣影响远远胜过其积极意义。这也 是现在轻量级的开发框架受推崇的一个重要原因。如果能用简单的,就不要用复杂的,例如能够用Python、RoR完成的任务,是否一定要用Java来做? 我看未必。对于用户来说,他们关心的不是采用什么先进的技术,而是我们提供的产品能否满足他的需求。而且,Python、RoR这些开发工具已经强大到足 以应对大部分网站应用,在各种缓存系统的帮助下,在其他技术的协调配合下,完全能够胜任高负载高并发的网站访问任务。
   在HTML静态化方面,如果是对于更新相对较少的页面,可以这样处理,例如新闻、社区通告、或者类似与淘宝网的产品分类信息。但若数据更新频繁,这样做的意义便不大。
   网站镜像是个传统的技术,更高级的应用来自流媒体领域的CDN(Content Delivery Network),CDN的概念可以由流媒体数据扩展到图片、视频文件等静态资源的传输。不过,在电子商务领域,很少有这样的应用。

开源平台的高并发集群思考目前碰到的高并发应用,需要高性能需求的主要是两个方面:
1。网络
2。数据库
这两个方面的解决方式其实还是一致的
1。充分接近单机的性能瓶颈,自我优化
2。单机搞不定的时候(数据传输瓶颈:单位时间内磁盘读写/网络数据包的收发cpu计算瓶颈),把负荷分担给多台机器,就是所谓的负载均衡
网络方面单机的处理
1。底层包收发处理的模式变化(从select 模式到epoll / kevent)
2。应用模式的变化
2.1 应用层包的构造方式
2.2 应用协议的实现
2.3 包的缓冲模式
2.4 单线程到多线程
网络负载均衡的几个办法
1。代理模式:代理服务器只管收发包,收到包以后转给后面的应用服务器群(服务器群后可能还会有一堆堆的数据库服务器等等),并且把返回的结果再返回给请求端
2。虚拟代理ip:代理服务器收发包还负载太高,那就增加多台代理服务器,都来管包的转发。这些代理服务器可以用统一的虚拟ip,也可以单独的ip
3。p2p:一些广播的数据可以p2p的模式来减轻服务器的网络压力
数据库(指mysql)单 机的处理
1。数据库本身结构的设计优化(分表,分记录,目的在于保证每个表的记录数在可定的范围内)
2。sql语句的优化
3。master + slave模式
数据库集群的处理
1。master + slave模式 (可有效地处理 并发查询)
2。mysql cluster 模式 (可有效地处理并发数据变化)

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《浅析大型网站架构设计及技术分析》常伟华 创作。
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