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阿里面试宝典(一):分布式

本帖最后由 levycui 于 2020-11-18 00:23 编辑
问题导读:
1、大型网站系统有哪些特点?
2、大型网站架构演化发展历程有哪些?
3、应用服务和数据服务如何分离操作?
4、数据库读写分离如何实现?



分布式

一、大型网站系统的特点

高并发,大流量

需要面对高并发用户,大流量访问。Google 日均 PV 35 亿,日 IP 访问数 3 亿;腾讯 QQ 的最大在线用户数 1.4 亿(2011年数据)。

高可用

系统 7 x 24 小时不间断服务。

海量数据

需要存储、管理海量数据,需要使用大量服务器。Facebook 每周上传的照片数量接近 10 亿,百度收录的网页数目有数百亿,Google 有近百万台服务器为全球用户提供服务。

用户分布广泛,网络情况复杂

许多大型互联网站都是为全球用户提供服务的,用户分布范围广,各地网络情况千差万别。在国内,还有各个运营
商网络互通难的问题。

安全环境恶劣

由于互联网的开放性,使得互联网站更容易受到攻击,大型网站几乎每天都会被黑客攻击。

需求快速变更,发布频繁

和传统软件的版本发布频率不同,互联网产品为快速适应市场,满足用户需求,其产品发布频率极高。一般大型网
站的产品每周都有新版本发布上线,中小型网站的发布更频繁,有时候一天会发布几十次。

渐进式发展

几乎所有的大型互联网网站都是从一个小网站开始,渐进地发展起来的。Facebook 是扎克伯格同学在哈佛大学的宿舍里开发的;Google 的第一台服务器部署在斯坦福大学的实验室;阿里巴巴是在马云家的客厅诞生的。好的互联网产品都是慢慢运营出来的,不是一开始就开发好的,这也正好与网站架构的发展演化过程对应。

二、大型网站架构演化发展历程

大型网站的技术挑战主要来自于庞大的用户,高并发的访问和海量的数据,任何简单的业务一旦需要处理数以 P 计的数据和面对数以亿计的用户,问题就会变得很棘手。大型网站架构主要解决这类问题。

初始阶段的网站架构

大型网站都是从小型网站发展而来,网站架构也是一样,是从小型网站架构逐步演化而来。小型网站最开始没有太
多人访问,只需要一台服务器就绰绰有余,这时的网站架构如下图所示:

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应用程序、数据库、文件等所有资源都在一台服务器上。

应用服务和数据服务分离

随着网站业务的发展,一台服务器逐渐不能满足需求:越来越多的用户访问导致性能越来越差,越来越多的数据导致存储空间不足。这时就需要将应用和数据分离。应用和数据分离后整个网站使用3台服务器:应用服务器、文件服务器和数据库服务器。这 3 台服务器对硬件资源的要求各不相同:

应用服务器需要处理大量的业务逻辑,因此需要更快更强大的CPU;

数据库服务器需要快速磁盘检索和数据缓存,因此需要更快的磁盘和更大的内存;

文件服务器需要存储大量用户上传的文件,因此需要更大的硬盘。

此时,网站系统的架构如下图所示:

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应用和数据分离后,不同特性的服务器承担不同的服务角色,网站的并发处理能力和数据存储空间得到了很大改
善,支持网站业务进一步发展。但是随着用户逐渐增多,网站又一次面临挑战:数据库压力太大导致访问延迟,进
而影响整个网站的性能,用户体验受到影响。这时需要对网站架构进一步优化。

使用缓存改善网站性能

网站访问的特点和现实世界的财富分配一样遵循二八定律:80% 的业务访问集中在20% 的数据上。既然大部分业务访问集中在一小部分数据上,那么如果把这一小部分数据缓存在内存中,就可以减少数据库的访问压力,提高整个网站的数据访问速度,改善数据库的写入性能了。 网站使用的缓存可以分为两种:缓存在应用服务器上的本地缓存和缓存在专门的分布式缓存服务器上的远程缓存。

本地缓存的访问速度更快一些,但是受应用服务器内存限制,其缓存数据量有限,而且会出现和应用程序争用内存的情况。

远程分布式缓存可以使用集群的方式,部署大内存的服务器作为专门的缓存服务器,可以在理论上做到不受内存容量限制的缓存服务。

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使用缓存后,数据访问压力得到有效缓解,但是单一应用服务器能够处理的请求连接有限,在网站访问高峰期,应
用服务器成为整个网站的瓶颈。

使用应用服务器集群改善网站的并发处理能力

使用集群是网站解决高并发、海量数据问题的常用手段。当一台服务器的处理能力、存储空间不足时,不要企图去更换更强大的服务器,对大型网站而言,不管多么强大的服务器,都满足不了网站持续增长的业务需求。这种情况下,更恰当的做法是增加一台服务器分担原有服务器的访问及存储压力。 对网站架构而言,只要能通过增加一台服务器的方式改善负载压力,就可以以同样的方式持续增加服务器不断改善系统性能,从而实现系统的可伸缩性。应用服务器实现集群是网站可伸缩架构设计中较为简单成熟的一种,如下图所示:


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通过负载均衡调度服务器,可以将来自用户浏览器的访问请求分发到应用服务器集群中的任何一台服务器上,如果
有更多用户,就在集群中加入更多的应用服务器,使应用服务器的压力不再成为整个网站的瓶颈。

数据库读写分离

网站在使用缓存后,使对大部分数据读操作访问都可以不通过数据库就能完成,但是仍有一部分读操作(缓存访问不命中、缓存过期)和全部的写操作都需要访问数据库,在网站的用户达到一定规模后,数据库因为负载压力过高而成为网站的瓶颈。 目前大部分的主流数据库都提供主从热备功能,通过配置两台数据库主从关系,可以将一台数据库服务器的数据更新同步到另一台服务器上。网站利用数据库的这一功能,实现数据库读写分离,从而改善数据库负载压力。如下图所示:


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应用服务器在写数据的时候,访问主数据库,主数据库通过主从复制机制将数据更新同步到从数据库,这样当应用服务器读数据的时候,就可以通过从数据库获得数据。为了便于应用程序访问读写分离后的数据库,通常在应用服务器端使用专门的数据访问模块,使数据库读写分离对应用透明。

使用反向代理和 CDN 加速网站响应

随着网站业务不断发展,用户规模越来越大,由于中国复杂的网络环境,不同地区的用户访问网站时,速度差别也极大。有研究表明,网站访问延迟和用户流失率正相关,网站访问越慢,用户越容易失去耐心而离开。为了提供更好的用户体验,留住用户,网站需要加速网站访问速度。主要手段有使用 CDN 和方向代理。如下图所示:


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CDN 和反向代理的基本原理都是缓存。

CDN 部署在网络提供商的机房,使用户在请求网站服务时,可以从距离自己最近的网络提供商机房获取数据

反向代理则部署在网站的中心机房,当用户请求到达中心机房后,首先访问的服务器是反向代理服务器,如
果反向代理服务器中缓存着用户请求的资源,就将其直接返回给用户

使用 CDN 和反向代理的目的都是尽早返回数据给用户,一方面加快用户访问速度,另一方面也减轻后端服务器的负载压力。


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