高并发高负载网站的系统架构浅析

 

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再数据库中，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MemoryCache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，PHP有Pear的Cache模块，Java就更多了，.net不是很熟悉，相信也肯定有。

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 VirtualServer，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

很不错的一篇文章，基本上一个大型网站需要做的事情都已经提及了。我自己也曾任职于三大门户之一，管理超过 100 台的 SQUID 服务器等，希望可以也分享一下我的经验和看法。

1、图片服务器分离
这个观点是我一直以来都非常支持的。特别是如果程序与图片都放在同一个 APAHCE 的服务器下，每一个图片的请求都有可能导致一个 HTTPD 进程的调用，而 HTTPD 如果包含有 PHP 模块的的时候，就会占用过多的内存，而这个是没有任何必要的。

使用独立的图片服务器不但可以避免以上这个情况，更可以对不同的使用性质的图片设置不同的过期时间，以便同一个用户在不同页面访问相同图片时不会再次从服务器（基于是缓存服务器）取数据，不但止快速，而且还省了带宽。还有就是，对于缓存的时间上，亦可以做调立的调节。

在我过往所管理的图片服务器中，不但止是将图片与应用及页面中分离出来，还是为不同性质的图片启用不同的域名。以缓解不同性质图片带来的压力。例如 photo.img.domain.com 这个域名是为了摄影服务的，平时使用 5 台 CACHE，但到了 5.1 长假期后，就有可能需要独立为他增加至 10 台。而增加的这 5 台可以从其他负载较低的图片服务器中调动过来临时使用。

2、数据库集群
一套 ORACLE RAC 的集群布置大概在 40W 左右，这个价格对于一般公司来说，是没有必要的。因为 WEB 的应用逻辑相对较简单，而 ORACLE 这些大型数据库的价值在于数据挖掘，而不在于简单的存储。所以选择 MySQL 或 PostgreSQL 会实际一些。

简单的 MySQL 复制就可以实现较好的效果。读的时候从 SLAVE 读，写的时候才到 MASTER 上更新。实际的情况下，MySQL 的复制性能非常好，基本上不会带来太高的更新延时。使用 balance （http://www.inlab.de/balance.html）这个软件，在本地（127.0.0.1）监听 3306 端口，再映射多个 SLAVE 数据库，可以实现读取的负载均衡。

3、图片保存于磁盘还是数据库？
对于这个问题，我亦有认真地考虑过。如果是在 ext3 的文件系统下，建 3W 个目录就到极限了，而使用 xfs 的话就没有这个限制。图片的存储，如果需要是大量的保存，必须要分隔成很多个小目录，否则就会有 ext3 只能建 3W 目录的限制，而且文件数及目录数太多会影响磁盘性能。还没有算上空间占用浪费等问题。

更更重要的是，对于一个大量小文件的数据备份，要占用极大的资源和非常长的时间。在这些问题前面，可能将图片保存在数据库是个另外的选择。

可以尝试将图片保存到数据库，前端用 PHP 程序返回实际的图片，再在前端放置一个 SQUID 的服务器，可以避免性能问题。那么图片的备份问题，亦可以利用MySQL 的数据复制机制来实现。这个问题就可以得到较好的解决了。

4、页面的静态化我就不说了，我自己做的 wordpress 就完全实现了静态化，同时能很好地兼顾动态数据的生成。

5、缓存
提出过使用 memcached，但实际使用中不是非常特别的理想。当然，各个应用环境不一致会有不一致的使用结果，这个并不重要。只要自己觉得好用就用。

6、软件四层交换
LVS 的性能非常好，我有朋友的网站使用了 LVS 来做负责均衡的调度器，数据量非常大都可以轻松支撑。当然是使用了 DR 的方式。

其实我自己还想过可以用 LVS 来做 CDN 的调度。例如北京的 BGP 机房接受用户的请求，然后通过 LVS 的 TUN 方式，将请求调度到电信或网通机房的实际物理服务器上，直接向用户返回数据。

这种是 WAN 的调度，F5 这些硬件设备也应用这样的技术。不过使用 LVS 来实现费用就大大降低。

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大型动态应用系统平台主要是针对于大流 量、高并发网站建立的底层系统架构。大型网站的运行需要一个可靠、安全、可扩展、易维护的应用系统平台做为支撑，以保证网站应用的平稳运行。

大型动态应用系统又可分为几个子系统：

l         Web前 端系统

l         负 载均衡系统

l         数 据库集群系统

l         缓 存系统

l         分 布式存储系统

l         分 布式服务器管理系统

l         代 码分发系统

Web前端系统

结构图：

 

 

为了达到不同应用的服务器共享、避免单点故障、集中管理、统一配置等目的，不以应用划分服 务器，而是将所有服务器做统一使用，每台服务器都可以对多个应用提供服务，当某些应用访问量升高时，通过增加服务器节点达到整个服务器集群的性能提高，同 时使他应用也会受益。该Web前端系统基于Apache/Lighttpd/Eginx等 的虚拟主机平台，提供PHP程序运行环境。服务器对开发人员是透明的，不需要开发人员介入服务器管理

负载均衡系统

 

 

负载均衡系统分为硬件和软件两种。硬件负载均衡效率高，但是价格贵，比如F5等。软件负载均衡系统价格较低或者免费，效率较硬件负载均衡系统 低，不过对于流量一般或稍大些网站来讲也足够使用，比如lvs,nginx。大多数网站都是硬件、软件负载均衡系统并用。

数据库集群系统

结构图：

 

 

由于Web前端采用了负载均衡集群结构提高了服务的有效性和扩展性，因此数据库必须也是高可靠的才能保证整个服务体系的高可靠性，如何构建一个高可靠的、可以提供大规模并发处理的数据库体系？

我们可以采用如上图所示的方案：

1)        使用 MySQL 数据库，考虑到Web应用的数据库读多写少的特点，我们主要对读数据库做了优化，提供专用的读数据库和写数据库，在应用程序中实现读操作和写操作分别访问不同的数据库。

2)        使用 MySQL Replication 机制实现快速将主库（写库）的数据库复制到从库（读库）。一个主库对应多个从库，主库数据实时同步到从库。

3)        写数据库有多台，每台都可以提供多个应用共同使用，这样可以解决写库的性能瓶颈问题和单点故障问题。

4)        读数据库有多台，通过负载均衡设备实现负载均衡，从而达到读数据库的高性能、高可靠和高可扩展性。

5)        数据库服务器和应用服务器分离。

6)        从数据库使用BigIP做负载均衡。

缓存系统

 

 

缓存分为文件缓存、内存缓存、数据库缓存。在大型Web应用中使用最多且效率最高的是内存缓存。最常用的内存缓存工具是Memcachd。使用正确的缓存系统可以达到实现以下目标：

1、   使用缓存系统可以提高访问效率，提高服务器吞吐能力，改善用户体验。

2、   减轻对数据库及存储集服务器的访问压力

3、Memcached服务器有多台，避免单点故障，提供高可靠性和可扩展性，提高性能。

分布式存储系统

结构图：

 

 

WEB系统平台中的存储需求有下面两个特点：

1) 存储量很大，经常会达到单台服务器无法提供的规模，比如相册、视频等应用。因此需要专业的大规模存储系统。

2) 负载均衡cluster中的每个节点都有可能访问任何一个数据对象，每个节点对数据的处理也能被其他节点共享，因此这些节点要操作的数据从逻辑上看只能是一个整体，不是各自独立的数据资源。

因此高性能的分布式存储系统对于大型网站应用来说是非常重要的一环。（这个地方需要加入对某个分布式存储系统的简单介绍。）

分布式服务器管理系统

结构图：

 

 

随着网站访问流量的不断增加，大多的网络服务都是以负载均衡集群的方式对外提供服务，随之集群规模的扩大，原来基于单机的服务器管理模式已经不能够满足我们的需求，新的需求必须能够集中式的、分组的、批量的、自动化的对服务器进行管理，能够批量化的执行计划任务。

在分布式服务器管理系统软件中有一些比较优秀的软件，其中比较理想的一个是 Cfengine。它可以对服务器进行分组，不同的分组可以分别定制系统配置文件、计划任务等配置。它是基于C/S 结构的，所有的服务器配置和管理脚本程序都保存在Cfengine Server上，而被管理的服务器运行着 CfengineClient 程序，Cfengine Client通过SSL加密的连接定期的向服务器端发送请求以获取最新的配置文件和管理命令、脚本程序、补丁安装等任务。

有了Cfengine 这种集中式的服务器管理工具，我们就可以高效的实现大规模的服务器集群管理，被管理服务器和 Cfengine Server 可以分布在任何位置，只要网络可以连通就能实现快速自动化的管理。

代码发布系统

结构图：

 

 

随着网站访问流量的不断增加，大多的网络服务都是以负载均衡集群的方式对外提供服务，随之集群规模的扩大，为了满足集群环境下程序代码的批量分发和更新，我们还需要一个程序代码发布系统。

这个发布系统可以帮我们实现下面的目标：

1) 生产环境的服务器以虚拟主机方式提供服务，不需要开发人员介入维护和直接操作，提供发布系统可以实现不需要登陆服务器就能把程序分发到目标服务器。

2) 我们要实现内部开发、内部测试、生产环境测试、生产环境发布的4个开发阶段的管理，发布系统可以介入各个阶段的代码发布。

3) 我们需要实现源代码管理和版本控制，SVN可以实现该需求。

这里面可以使用常用的工具Rsync，通过开发相应的脚本工具实现服务器集群间代码同步分发。