大型网站软件系统架构演进过程

在我们的生活中,通常会使用大型网站系统,比如购物网站淘宝,京东,阿里1688;大型搜索引擎网站百度,社交类的如腾讯旗下的微信,QQ及新浪旗下的微博等,他们通常都有一下特点:

高并发、大流量：这些系统必须能够处理成千上万甚至数百万的并发用户请求，以及持续的大流量访问。例如，Google、腾讯等网站每天可能需要应对亿级别的页面浏览量。

高可用性：系统设计需要保证7×24小时不间断的服务，以确保任何时候用户都能访问。这通常意味着需要有冗余的服务器集群、负载均衡、故障切换等机制来防止服务中断。

海量数据：大型网站需要存储和管理巨大的数据量，包括文本、图像、视频和其他多媒体内容。这些数据通常分布在多个服务器或数据中心中，以提高存储效率和数据访问速度。

用户分布广泛，网络情况复杂：互联网用户遍布全球，网络状况可能因地理位置、互联网服务提供商(ISP)等因素而有很大差异。大型网站必须优化其架构以适应各种网络条件。

安全环境恶劣：由于互联网的开放性，网站容易遭受各种形式的攻击，如DDoS攻击、SQL注入、跨站脚本(XSS)等。因此，安全防护措施是必不可少的。

需求快速变更，发布频繁：与传统软件开发不同，大型网站需要快速响应市场变化和用户需求，这要求系统具有高度的灵活性和可扩展性，并能频繁更新和迭代。

渐进式发展：许多大型网站都是从小规模开始，逐步增长到大规模。因此，系统架构需要能够平滑地从较小的规模扩展到较大的规模，同时保持性能和稳定性。

为了应对上述的特点,大型网站通常采用分布式计算、微服务架构、容器化、云服务、缓存策略、数据库分片、CDN(Content Delivery Network)等技术和方法来构建其基础架构。

大型网站的初期配置:

网站的初期,用户访问量相对比较少,只需要一台服务器就绰绰有余，应用程序、数据库、文件等所有的资源都在一台服务器上。

应用服务和数据库服务分离:

出现的问题:

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。

解决办法:

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三台服务器：应用服务器、文件服务器和数据库服务器。

这三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，因此需要更快的硬盘和更大的内存；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。

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。

使用缓存改善网站的性能:

出现的问题:

大型网站系统访问的特点,80％的业务访问集中在20％的数据上。

解决办法:

既然大部分的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，是不是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呢？

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.

使用应用服务器集群改善网站的并发处理能力:

出现的问题:

一台服务器的处理能力、存储空间不足时，不要企图去换更强大的服务器，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。

解决方案:

使用集群是网站解决高并发、海量数据问题的常用手段,应用服务器实现集群是网站可伸缩集群架构设计中较为简单成熟的一种.

通过负载均衡调度服务器，可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，如果有更多的用户，就在集群中加入更多的应用服务器，使应用服务器的负载压力不再成为整个网站的瓶颈。

数据库读写分离:

出现的问题:

网站在使用缓存后，使绝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。

解决的方法:

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.

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:

出现的问题:

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。

解决的方案:

主要手段有使用CDN和反向代理,CDN和反向代理的基本原理都是缓存，区别在于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；而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。

使用分布式文件系统和分布式数据库系统:

出现的问题:

任何强大的单一服务器都满足不了大型网站持续增长的业务需求。数据库经过读写分离后，从一台服务器拆分成两台服务器，但是随着网站业务的发展依然不能满足需求.

解决的方案:

需要使用分布式数据库及文件系统服务器,分布式数据库是网站数据库拆分的最后手段，只有在单表数据规模非常庞大的时候才使用。不到不得已时，网站更常用的数据库拆分手段是业务分库，将不同业务的数据库部署在不同的物理服务器上。

使用NoSQL和搜索引擎:

出现的问题:

随着网站业务越来越复杂，对数据存储和检索的需求也越来越复杂.

解决的方案:

网站需要采用一些非关系数据库技术如NoSQL和非数据库查询技术如搜索引擎,NoSQL和搜索引擎都是源自互联网的技术手段，对可伸缩的分布式特性具有更好的支持。应用服务器则通过一个统一数据访问模块访问各种数据，减轻应用程序管理诸多数据源的麻烦。

业务拆分:

出现的问题:

大型网站软件系统遇到了日益复杂的业务场景.

解决的方案:

通过使用分而治之的手段将整个网站业务分成不同的产品线，如大型购物交易网站就会将首页、商铺、订单、买家、卖家等拆分成不同的产品线，分归不同的业务团队负责,具体到技术上，也会根据产品线划分，将一个网站拆分成许多不同的应用，每个应用独立部署维护。应用之间可以通过一个超链接建立关系（在首页上的导航链接每个都指向不同的应用地址），也可以通过消息队列进行数据分发，当然最多的还是通过访问同一个数据存储系统来构成一个关联的完整系统.

分布式服务:

出现的问题:

随着业务拆分越来越小，存储系统越来越庞大，应用系统的整体复杂度呈指数级增加，部署维护越来越困难。由于所有应用要和所有数据库系统连接，在数万台服务器规模的网站中，这些连接的数目是服务器规模的平方，导致存数据库接资源不足，拒绝服务。

解决的方案:

既然每一个应用系统都需要执行许多相同的业务操作，比如用户管理、商品管理等，那么可以将这些共用的业务提取出来，独立部署。由这些可复用的业务连接数据库，提供共用业务服务，而应用系统只需要管理用户界面，通过分布式服务调用共用业务服务完成具体业务操作,大型网站的架构演化到这里，基本上大多数的技术问题都得以解决，诸如跨数据中心的实时数据同步和具体网站业务相关的问题也都可以通过组合改进现有技术架构来解决。