網(wǎng)站建設(shè)：Web設(shè)計(jì)分布式系統(tǒng)的四個(gè)核心原則

2023-05-21 分類：網(wǎng)站建設(shè)

Web分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則。開源軟件已經(jīng)成為許多大型網(wǎng)站的基本組成部分，隨著這些網(wǎng)站的逐步壯大，他們的網(wǎng)站架構(gòu)和一些指導(dǎo)原則也出現(xiàn)在開發(fā)者們的面前，給予切實(shí)有用的指導(dǎo)和幫助。本文旨在介紹一些核心問題以及通過構(gòu)建模塊來制作大型網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)終目標(biāo)。

構(gòu)建并運(yùn)營(yíng)一個(gè)可伸縮的Web站點(diǎn)或應(yīng)用程序到底指的是什么？在初，僅是通過互聯(lián)網(wǎng)連接用戶和訪問遠(yuǎn)程資源。

和大多數(shù)事情一樣，當(dāng)構(gòu)建一個(gè)Web服務(wù)時(shí)，需要提前抽出時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃。了解大型網(wǎng)站創(chuàng)建背后的注意事項(xiàng)以及權(quán)衡可能會(huì)給你帶來更加明智的決策，當(dāng)你在創(chuàng)建小網(wǎng)站時(shí)。下面是設(shè)計(jì)大型Web系統(tǒng)時(shí)，需要注意的一些核心原則：

1.可用性

2.性能

3.可靠性

4.可擴(kuò)展

5.易管理

6.成本

上面的這些原則給設(shè)計(jì)分布式Web架構(gòu)提供了一定的基礎(chǔ)和理論指導(dǎo)。然而，它們也可能彼此相左，例如實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的代價(jià)是犧牲成本。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：選擇地址容量，僅通過添加更多的服務(wù)器（可伸縮性），這個(gè)可能以易管理（你不得不操作額外的服務(wù)器）和成本作為代價(jià)（服務(wù)器價(jià)格）。

無論你想設(shè)計(jì)哪種類型的Web應(yīng)用程序，這些原則都是非常重要的，甚至這些原則之間也會(huì)互相羈絆，做好它們之間的權(quán)衡也非常重要。

一、基礎(chǔ)

當(dāng)涉及到系統(tǒng)架構(gòu)問題時(shí)，這幾件事情是必須要考慮清楚的：什么樣的模塊比較合適？如何把它們組合在一起？如何進(jìn)行恰當(dāng)?shù)貦?quán)衡？在擴(kuò)大投資之前，它通常需要的并不是一個(gè)精明的商業(yè)命題，然而，一些深謀遠(yuǎn)慮的設(shè)計(jì)可以幫你在未來節(jié)省大量的時(shí)間和資源。

討論的重點(diǎn)幾乎是構(gòu)建所有大型Web應(yīng)用程序的核心：服務(wù)、冗余、分區(qū)和故障處理能力。這里的每個(gè)因素都會(huì)涉及到選擇和妥協(xié)，特別是前面所討論的那些原則。解釋這些核心的佳辦法就是舉例子。

圖片托管應(yīng)用程序

有時(shí)，你會(huì)在線上傳圖片，而一些大型網(wǎng)站需要托管和傳送大量的圖片，這對(duì)于構(gòu)建一個(gè)具有成本效益、高可用性并具有低延時(shí)（快速檢索）的架構(gòu)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

在一個(gè)圖片系統(tǒng)中，用戶可以上傳圖片到一個(gè)中央服務(wù)器里，通過網(wǎng)絡(luò)連接或API對(duì)這些圖片進(jìn)行請(qǐng)求，就像Flickr或者Picasa。簡(jiǎn)單點(diǎn)，我們就假設(shè)這個(gè)應(yīng)用程序只包含兩個(gè)核心部分：上傳（寫）圖片和檢索圖片。圖片上傳時(shí)好能夠做到高效，傳輸速度也是我們關(guān)心的，當(dāng)有人向圖片發(fā)出請(qǐng)求時(shí)（例如是一個(gè)Web頁面或其他應(yīng)用程序）。這是非常相似的功能，提供Web服務(wù)或內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（一個(gè)CDN服務(wù)器可以在許多地方存儲(chǔ)內(nèi)容，所以無論是在地理上還是物理上都更加接近用戶，從而導(dǎo)致更快的性能）邊緣服務(wù)器。

該系統(tǒng)需要考慮的其他重要方面：

1.圖片存儲(chǔ)的數(shù)量是沒有限制的，所以存儲(chǔ)應(yīng)具備可伸縮，另外圖片計(jì)算也需要考慮

2.下載/請(qǐng)求需要做到低延遲

3.用戶上傳一張圖片，那么圖片就應(yīng)該始終在那里（圖片數(shù)據(jù)的可靠性）

4.系統(tǒng)應(yīng)該易于維護(hù)（易管理）

5.由于圖片托管不會(huì)有太高的利潤(rùn)空間，所以系統(tǒng)需要具備成本效益

二、服務(wù)

當(dāng)我們考慮構(gòu)建可伸縮的系統(tǒng)時(shí)，它應(yīng)有助于解耦功能，系統(tǒng)的每個(gè)部分都可以作為自己的服務(wù)并且擁有清晰的接口定義。在實(shí)踐中，這種系統(tǒng)設(shè)計(jì)被稱作面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）。對(duì)于此類系統(tǒng)，每個(gè)服務(wù)都有它自己的獨(dú)特功能，通過一個(gè)抽象接口可以與外面的任何內(nèi)容進(jìn)行互動(dòng)，通常是面向公眾的另一個(gè)服務(wù)API。

把系統(tǒng)分解成一組互補(bǔ)性的服務(wù)，在互相解耦這些操作塊。這種抽象有助于在服務(wù)、基本環(huán)境和消費(fèi)者服務(wù)之間建立非常清晰的關(guān)系。這種分解可以有效地隔離問題，每個(gè)塊也可以互相伸縮。這種面向服務(wù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)非常相似。

快進(jìn)并假設(shè)服務(wù)正在大量使用；在這種情況下，很容易看到寫圖片的時(shí)間對(duì)讀圖片時(shí)間有多大影響（他們兩個(gè)功能在彼此競(jìng)爭(zhēng)共享資源）。根據(jù)各自體系，這種影響會(huì)是巨大的。即使上傳和下載速度相同（這是不可能的，對(duì)于大多數(shù)的IP網(wǎng)絡(luò)來說，下載速度：上傳速度至少是3:1），通常，文件可以從緩存中讀取，而寫入，終是寫到磁盤中（也許在終一致的情況下，可以被多寫幾次）。即使是從緩存或者磁盤（類似SSD）中讀取，數(shù)據(jù)寫入都會(huì)比讀慢（Pole Position，一個(gè)開源DB基準(zhǔn)的開源工具和結(jié)果）。

這種設(shè)計(jì)的另一個(gè)潛在問題是像Apache或者Lighttpd這些Web服務(wù)器通常都會(huì)有一個(gè)并發(fā)連接數(shù)上限（默認(rèn)是500，但也可以更多），這可能會(huì)花費(fèi)高流量，寫可能會(huì)迅速消掉所有。既然讀可以異步或利用其他性能優(yōu)化，比如gzip壓縮或分塊傳輸代碼，Web服務(wù)可以快速切換讀取和客戶端來服務(wù)于更多的請(qǐng)求，超過每秒的成都接數(shù)（Apache的成都接數(shù)設(shè)置為500，這種情況并不常見，每秒可以服務(wù)幾千個(gè)讀取請(qǐng)求）。另一方面，寫通常傾向于保持一個(gè)開放的鏈接進(jìn)行持續(xù)上傳，所以，使用家庭網(wǎng)絡(luò)上傳一個(gè)1 MB的文件花費(fèi)的時(shí)間可能會(huì)超過1秒，所以，這樣的服務(wù)器只能同時(shí)滿足500個(gè)寫請(qǐng)求。

當(dāng)然，如果你有兩個(gè)不同的端點(diǎn)，上面的例子可能會(huì)運(yùn)行的很好（事實(shí)上，這非常類似于幾個(gè)云存儲(chǔ)供應(yīng)商之間的實(shí)現(xiàn)和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）。雖然有很多種方法可以解決這些瓶頸，但每個(gè)人都會(huì)有不同的權(quán)衡，所以采用適合你的方法才是重要的。

當(dāng)談到這些系統(tǒng)時(shí)，其實(shí)并沒有非常正確的答案，但有助于我們回到文章開始處的原則上看問題。確定系統(tǒng)需求（大量的讀或?qū)懟蛘邇蓚€(gè)都進(jìn)行、級(jí)別并發(fā)、跨數(shù)據(jù)查詢、范圍、種類等等），選擇不同的基準(zhǔn)、理解系統(tǒng)是如何出錯(cuò)的并且對(duì)以后的故障發(fā)生情況做些扎實(shí)的計(jì)劃。

三、冗余

為了可以正確處理錯(cuò)誤，一個(gè)Web架構(gòu)的服務(wù)和數(shù)據(jù)必須具備適當(dāng)?shù)娜哂唷＠?，如果只有一個(gè)副本文件存儲(chǔ)在這臺(tái)單獨(dú)的服務(wù)器上，那么如果這臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)問題或丟失，那么該文件也隨即一起丟失。丟失數(shù)據(jù)并不是什么好事情，避免數(shù)據(jù)丟失的常用方法就是多創(chuàng)建幾個(gè)文件或副本或冗余。

同樣也適用于服務(wù)器。如果一個(gè)應(yīng)用程序有個(gè)核心功能，應(yīng)確保有多個(gè)副本或版本在同時(shí)運(yùn)行，這樣可以避免單節(jié)點(diǎn)失敗。

在系統(tǒng)中創(chuàng)建冗余，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生危機(jī)時(shí)，如果需要，可以消除單點(diǎn)故障并提供備份或備用功能。例如，這里有兩個(gè)相同的服務(wù)示例在生產(chǎn)環(huán)境中運(yùn)行，如果其中一個(gè)發(fā)生故障或者降低，那么該系統(tǒng)容錯(cuò)轉(zhuǎn)移至那個(gè)健康的副本上。容錯(cuò)轉(zhuǎn)移可以自動(dòng)發(fā)生也可以手動(dòng)干預(yù)。

服務(wù)冗余的另一重要組成部分是創(chuàng)建一個(gè)無共享架構(gòu)。在這種體系結(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能相互獨(dú)立運(yùn)行，并且沒有所謂的中央“大腦”管理狀態(tài)或協(xié)調(diào)活動(dòng)其他節(jié)點(diǎn)。這對(duì)系統(tǒng)的可擴(kuò)展幫助很大，因?yàn)樾鹿?jié)點(diǎn)在沒有特殊要求或知識(shí)的前提下被添加。然而，重要的是，這些系統(tǒng)是沒有單點(diǎn)故障的，所以失敗的彈性就更大。

例如在我們的圖片服務(wù)器應(yīng)用程序中，所有的圖片在另一個(gè)硬件上都有冗余副本（理想情況下是在不同的地理位置，避免在數(shù)據(jù)中心發(fā)生一些火災(zāi)、地震等自然事故），服務(wù)去訪問圖片將被冗余，所有潛在的服務(wù)請(qǐng)求。

四、分區(qū)

數(shù)據(jù)集有可能非常大，無法安裝在一臺(tái)服務(wù)器上。也有可能這樣，某操作需要太多的計(jì)算資源、性能降低并且有必要增加容量。在這兩種情況下，你有兩種選擇：縱向擴(kuò)展或橫向擴(kuò)展。

縱向擴(kuò)展意味著在單個(gè)服務(wù)器上添加更多的資源。所以，對(duì)于一個(gè)非常大的數(shù)據(jù)集來說，這可能意味著添加更多（或更大）的硬件設(shè)備，來使一臺(tái)服務(wù)器能容下整個(gè)數(shù)據(jù)集。在計(jì)算操作下，這可能意味著移動(dòng)計(jì)算到一個(gè)更大的服務(wù)器上，擁有更快的CPU或更大的內(nèi)存。在各種情況下，縱向擴(kuò)展可以通過提升單個(gè)資源的處理能力來完成。

橫向擴(kuò)展在另一方面是添加更多的節(jié)點(diǎn)，在大數(shù)據(jù)集下，這可能會(huì)使用第二服務(wù)器來存儲(chǔ)部分?jǐn)?shù)據(jù)集，對(duì)于計(jì)算資源來說，這意味著分割操作或跨節(jié)點(diǎn)加載。為了充分利用橫向擴(kuò)展，它應(yīng)作為一種內(nèi)在的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則，否則修改或拆分操作將會(huì)非常麻煩。

當(dāng)談到橫向擴(kuò)展時(shí)，常見的做法是把服務(wù)進(jìn)行分區(qū)或碎片。分區(qū)可以被派發(fā)，這樣每個(gè)邏輯組的功能就是獨(dú)立的。可以通過地理界限或其他標(biāo)準(zhǔn)，如非付費(fèi)與付費(fèi)用戶來完成分區(qū)。這些方案的優(yōu)點(diǎn)是他們會(huì)隨著容量的增加提供一個(gè)服務(wù)或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

在我們的圖片服務(wù)器案例中，用來存儲(chǔ)圖片的單個(gè)文件服務(wù)器可能被多個(gè)文件服務(wù)器取代，每個(gè)里面都會(huì)包含一套自己獨(dú)特的圖像。這種架構(gòu)將允許系統(tǒng)來填充每一個(gè)文件/圖片服務(wù)器，當(dāng)磁盤填滿時(shí)會(huì)添加額外的服務(wù)器。這樣的設(shè)計(jì)需要一個(gè)命名方案，用來捆綁圖片文件名到其相應(yīng)的服務(wù)器上。圖像名字可以形成一個(gè)一致的哈希方案并映射到整個(gè)服務(wù)器上；或者給每張圖片分配一個(gè)增量ID，當(dāng)客戶端對(duì)圖片發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，圖片檢索服務(wù)只需要檢索映射到每個(gè)服務(wù)器上（例如索引）的ID。

當(dāng)然，跨越多個(gè)服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)或功能進(jìn)行分區(qū)還是有許多挑戰(zhàn)的。其中的關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)本地化。在分布式系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)操作或計(jì)算點(diǎn)越接近，系統(tǒng)性能就會(huì)越好。因此，它也可能是個(gè)潛在問題，當(dāng)數(shù)據(jù)分散在多個(gè)服務(wù)器上時(shí)。有時(shí)數(shù)據(jù)不是在本地，那么就要迫使服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)來獲取所需的信息，這個(gè)獲取的過程就會(huì)設(shè)計(jì)到成本。

另一潛在問題是不一致。當(dāng)這里有多個(gè)服務(wù)對(duì)一個(gè)共享資源執(zhí)行讀寫操作時(shí)，潛在可能會(huì)有另一個(gè)服務(wù)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)參與進(jìn)來，作為競(jìng)選條件——一些數(shù)據(jù)需要更新，但是讀的優(yōu)先級(jí)高于更新——在這種情況下，數(shù)據(jù)就是不一致的。例如在圖片托管方案中，有可能出現(xiàn)的不一致是：如果一個(gè)客戶端發(fā)送更新“狗”圖片請(qǐng)求，進(jìn)行重新命名，把“Dog”改成“Gizmo”，但同時(shí)，另一個(gè)客戶端正在讀這張圖片。在這種情況下，標(biāo)題就是不清楚的。“Dog”或“Gizmo”應(yīng)該被第二個(gè)客戶端接收。

當(dāng)然，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分區(qū)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些障礙，但是分區(qū)允許把每個(gè)問題拆分到管理群里——通過數(shù)據(jù)、負(fù)載、使用模式等。這樣對(duì)可擴(kuò)展和易管理都是有幫助的，但也不是沒有風(fēng)險(xiǎn)的。這里有很多方式來降低風(fēng)險(xiǎn)和故障處理；然而，為了簡(jiǎn)便起見，并未在本文中詳細(xì)說明，如果你有興趣，可以訪問我的博客。

總結(jié)

以上介紹的都是設(shè)計(jì)分布式系統(tǒng)需要考慮的核心要素?？捎眯浴⑿阅?、可靠性、可擴(kuò)展、易管理、成本這幾個(gè)原則非常重要，但在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)以犧牲某個(gè)原則來實(shí)現(xiàn)另外一個(gè)原則，在這個(gè)過程中就要做好權(quán)衡工作，做到因時(shí)制宜。

網(wǎng)頁名稱：網(wǎng)站建設(shè)：Web設(shè)計(jì)分布式系統(tǒng)的四個(gè)核心原則
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