12306的技术升级

升级的核心是余票查询的升级,余票查询使用存储过程,sybase数据库,结果悲剧了,业务并发性高时,不能横向扩展.

揭秘12306技术改造（三）：传统框架云化迁移到内存数据平台

2012年 改造前的余票计算/查询子系统架构描述

1. 路局“实时”提供售票记录

火车票的席位销售是由每个路局规划和调控（铁路总公司共有18个路局）， 而12306与每个路局是共享同一个“票库”。 换句话说，“线上”的12306是与“线下”的火车站点售票窗口，电话售票，和各地的售票点抢票。每个路局将每张票的销售记录都“实时“传送到12306在铁总数据中心“主数据库服务器”做汇总。

2. 数据库复制到余票集群：

在铁总的数据中心 - 余票计算服务器集群是由“主数据库服务器”和72部Unix小型机组成；主数据库服务器汇总各个路局传输过来的数据后，利用数据库复制的机制，实时将数据“复制“到72部Unix小型机。

3. 并行处理余票计算： 其中8部小型机做售票预处理，再将预处理结果送到64部小型机，64部小型机“同时并行”处理余票计算。

4. 应用缓存服务器： 64部小型机将余票计算后的结果汇总产生余票表，将余票表放置在前端的应用缓存服务器集群；此举是要解决在高并发的情况下，缓存服务器提供更快速的余票查询服务。

5. CDN(Content Delivery Network)服务器：12306最外围部署CDN网络，其目的是使用户可就近取得所需信息，将用户的请求重新导向离用户最近的服务节点解决 Internet网络拥挤的状况，还有调整负载均衡的功能，提高用户访问的响应速度。

6. 余票信息更新机制：余票信息更新是以“车次“为基准，每隔10分钟更新一次。当用户提交“区间站点”的余票查询时，先从CDN服务器查询资料，假如CDN的资料已超过10分钟，会从应用缓存服务器索取最新的数据。同理，当应用缓存服务器的资料超过时效，会触发余票计算流程，重新计算余票产生余票表， 提交给应用缓存服务器。每隔10分钟更新的参数是可调整的。



12306改造原则和目标

（1）设定性能指标：

以余票计算子系统为例，Gemfire集群的余票计算性能指标需要达到10，000 TPS以上， 并可以随着业务成长做弹性扩展。配合应用缓存服务器集群和最前端的CDN负载均衡服务器集群，预估12306可以支持每秒达百万次的余票查询。此部分的系统性能是与服务器CPU类型， 内存大小，Gemfire节点数和x86服务器数量都有关联。

（2）余票计算处理能力可随着虚机的增加而线性增加

余票查询是要反映最新的余票情况，作为购票的依据。 在上篇文章已谈到余票计算的复杂度，需要很强大的CPU处理能力为后盾来计算每个区间站点的余票量；将计算结果放置到缓存数据服务器和CDN服务器。余票计算是利用Gemfire Data Grid和Map Reduce的技术提供巨大CPU处理能力。

（3）在不改变原有的体系框架上增加Gemfire集群， 新旧两套系统并行运算

为确保12306生产环境的稳定性和平稳过渡，新旧两套系统必须同时运行，由最前端的CDN服务器控制访问流量，逐渐将需要余票计算的请求加压到Gemfire集群，测试Gemfire的承载能力，检验可扩展的功能。

（4）系统高可用性（High Availability）

Gemfire的数据节点都有其它节点的备份数据， 也可以将内存数据持久化到硬盘或是同步/异步写到数据库。

（5）x86服务器

考虑未来多数据中心和混合云的部署，必须使用x86服务器为生产机。

根据12306改造设计原则在不改变原有的体系框架上增加Gemfire集群， 在过渡期间，新旧两套系统并行运算，在过渡期后，以Gemfire集群为主。 所以此步的改造是针对上述”改造前的余票计算/查询子系统架构”的第2项和第3项进行分析和改造。

12306改造步骤：

（1）系统架构改造和数据上载

为确保12306生产系统的稳定运行和平稳过渡，在不改变原有的体系框架上增加Gemfire集群， 新旧两套系统并行运算。那就必须考虑如何将数据从数据库实时同步到Gemfire集群做余票计算。

A．数据库复制服务器 ：增加一部数据库服务器，将铁总数据中心“主数据库服务器”汇总的数据实时复制到此部数据库服务器。

B．实时同步机制和SQL解析服务器 ： 此步骤是从数据库取出Log数据并解析SOL语句，因为原来代码是用Stored Procedure开发的。

C．Rabbit MQ服务器 ：同步机制服务器将解析过的SQL语句透过Rabbit MQ传输给Gemfire集群做余票计算。

D．Gemfire集群将余票计算结果汇总后，提交给前端的应用缓存服务器提供余票快速查询。

（2）系统数据结构分析

数据结构分析和设计是在改造过程中最关键的一步，影响到后续性能的提升； 利用“数据网格Share Nothing”的特性, 将数据切割, 把 “数据关联性强”的数据放在同一个Gemfire 数据节点，再配合业务逻辑的设计，降低节点之间数据交换的延迟，提高系统处理能力。

（3）Benchmark （基准点）测试

    进行Benchmark测试, 评估每部Gemfire服务器的TPS和余票计算反应时间
    -验证Gemfire集群性能可随着x86虚机的增加而线性增加
    测试“实时同步”机制, 量测数据同步到Gemfire集群的稳定性，延迟和吞吐量

（4）系统稳定性, 安全性和HA设计

在Gemfire的数据节点都有其它节点的备份数据来达到HA的目的，也可以将内存数据持久化到硬盘或是数据库。

使用Gemfire改造的实施流程：

1. 需求分析阶段：

    需求调研，确定改造方案、
    分析数据表结构、样本数据、数据量及应用访问特性信息

2. 架构设计：

    设计Region结构，确定分区方式，和 设计二级索引
    数据切割（partition）放在Gemfire的节点， 每个节点数据量大小是根据物理机内存来决定。例如， 在阿里云的节点一般是30G左右，在铁总数据中心的节点是60G-120G左右。 从项目经验来说，Gemfire数据节点以不超过128G可得到最佳效果。
    利用Data Grid和Map Reduce的分布式技术提供强大的CPU处理能力。
    使用到的Gemfire功能参考下列描述

3. 编码和单元测试：

    12306是采用Stored Procedure开发，必须将Stored Procedure解析， 采用Java开发和编码，并将业务逻辑代码和数据都放在Gemfire节点， 此举可以达到最高的系统性能
    单元测试

4. 集成测试/准确度测试/性能调优：

    在集群环境下进行准确度测试
    在集群环境下进行性能及压力测试
    依据测试结果进行性能调优
    性能调优可能需要调整细部架构的重新设计

5. HA和热部署测试

6. 线上运维：

    创建Release版本并纳入管理
    配置部署生产环境并进行持续监控

主要的Gemfire功能特性：

在12306改造过程中，使用到下列Gemfire的功能特性：

    Rich Objects: 以objects的形式体现和编码，自己定义数据结构
    Elastic Growth w/o pausing ： 弹性扩展和热部署
    Partitioned Active Data ： 根据数据属性，例如：客户，订单，车次，站名，做合理的数据切割，放在不同的数据节点。
    Redundancy for instant FT：HA的设置
    Colocated Active Data： share nothing的概念，将关联性强的数据放在同一个Gemfire 数据节点， 例如，车次，站名
    Replicated Master Data： 数据量不大的常用数据，例如：站名字典和席位类别等，在每个Gemfire节点都有一份拷贝，此举是要减少数据的交换。
    Server-side Event Listeners： 当数据在Server端产生变化时，会触发相应的操作
    Client-side Durable Subscriptions：当Server端满足客户端订阅的某些条件时，会推送信息
    Parallel Map-Reduce Function Execution： 车次余票在每个Gemfire 节点并行运算，再汇总运算结果
    Parallel OQL Queries
    Continuous Queries
    LRU Overflow to disk in native format for fast retrieval
    Parallel, Shared Nothing Persistence to disk w/ online backup
    Asynchronous Write Behind, Write Through or Read Through

geode Gemfire的开源版本