互联网三高架构：高并发高可用高性能

Posted 2022-11-25

面向互联网的三高系统，最关注的软件质量属性是：性能、可用性、伸缩性、扩展性、安全性。

而构建此类系统，最常见的架构模式有：横向分层、纵向分割、分布式化、集群化、使用缓存、使用异步模式、使用冗余、自动化（发布、部署、监控）。

1  高并发

我们使用 QPS（Queries Per Second，每秒查询率）来衡量系统承载能力。 架构策略有哪些？

1.1 负载均衡

正所谓双拳难敌四手，高并发撑场面的首选方案就是集群化部署，一台服务器承载的QPS有限，多台服务器叠加效果就不一样了。

如何将流量转发到服务器集群，这里面就要用到负载均衡，比如：LVS 和 nginx。

常用的负载算法有轮询法、随机法、源地址哈希法、加权轮询法、加权随机法、最小连接数法等

业务实战：对于千万级流量的秒杀业务，一台LVS扛不住流量洪峰，通常需要 10 台左右，其上面用DDNS（Dynamic DNS）做域名解析负载均衡。搭配高性能网卡，单台LVS能够提供百万以上并发能力。

注意， LVS 负责网络四层协议转发，无法按 HTTP 协议中的请求路径做负载均衡，所以还需要 Nginx

1.2 池化技术

复用单个连接无法承载高并发，如果每次请求都新建连接、关闭连接，考虑到TCP的三次握手、四次挥手，有时间开销浪费。池化技术的核心是资源的“预分配”和“循环使用”，常用的池化技术有线程池、进程池、对象池、内存池、连接池、协程池。

1.3 流量漏斗

上面讲的是正向方式提升系统QPS，我们也可以逆向思维，做减法，拦截非法请求，将核心能力留给正常业务！

互联网高并发流量并不都是纯净的，也有很多恶意流量（比如黑客gong 击、恶意爬虫、黄牛、秒杀器等），我们需要设计流量拦截器，将那些非法的、无资格的、优先级低的流量过滤掉，减轻系统的并发压力。

2 高性能

对一些热点数据每次都从 DB 中读取，会给 DB 带来较大的压力，导致性能大幅下降。所以，我们需要用缓存来提升热点数据的访问性能，比如将活动信息数据在浏览器的缓存中保存一段时间。

缓存根据性能由高到低分为：寄存器、L1缓存、L2缓存、L3缓存、本地内存、分布式缓存

上层的寄存器、L1 缓存、L2 缓存是位于 CPU 核内的高速缓存，访问延迟通常在 10 纳秒以下。L3 缓存是位于 CPU 核外部但在芯片内部的共享高速缓存，访问延迟通常在十纳秒左右。高速缓存具有成本高、容量小的特点，容量最大的 L3 缓存通常也只有几十MB。

本地内存是计算机内的主存储器，相比 CPU 芯片内部的高速缓存，内存的成本要低很多，容量通常是 GB 级别，访问延迟通常在几十到几百纳秒。

内存和高速缓存都属于掉电易失的存储器，如果机器断电了，这类存储器中的数据就丢失了。

特别说明：在使用缓存时，要注意缓存穿透、缓存雪崩、缓存热点问题、缓存数据一致性问题。当然为了提升整体性能通常会采用多级缓存组合方案（浏览器缓存+服务端本地内存缓存+服务端网络内存缓存）

3 高可用

3.1 主备切换，缩减故障时间

当系统出现故障时，首要任务不是立马查找原因，考虑到故障的复杂样，定位排查要花些时间，等问题修复好，SLA也降了好几个档。有没有更快的方式解决这个问题？ 那就是故障转移。

当发现故障节点的时候，不是尝试修复它，而是立即把它隔离，同时将流量转移到正常节点上。这样通过故障转移，不仅减少了 MTTR 提升了 SLA，还为修复故障节点赢得了足够的时间。

主备切换大致分为三步：

第一步故障自动侦测（Auto-detect），采用健康检查、心跳等技术手段自动侦测故障节点；

第二步自动转移（FailOver），当侦测到故障节点后，采用摘除流量、脱离集群等方式隔离故障节点，将流量转移到正常节点；

第三步自动恢复（FailBack），当故障节点恢复正常后，自动将其加入集群中，确保集群资源与故障前一致。

3.2 熔断，提供过载保护

所谓过载保护，是指负载超过系统的承载能力时，系统会自动采取保护措施，确保自身不被压垮。

熔断就是在系统濒临崩溃的时候，立即中断服务，从而保障系统稳定避免崩溃。它类似于电器中的“保险丝”，当电流过大的时候，“保险丝”会先被烧掉，断开电流，以免电路过热烧毁电器引起火灾。

例子：熔断触发条件往往跟系统节点的承载能力和服务质量有关，比如 CPU 的使用率超过 90%，请求错误率超过 5%，请求延迟超过 500ms， 它们中的任意一个满足条件就会出现熔断。

3.3 限流，提供过载保护

限流的原理跟熔断有点类似，都是通过判断某个条件来确定是否执行某个策略。但是又有所区别，熔断触发过载保护，该节点会暂停服务，直到恢复。限流，则是只处理自己能力范围之内的请求，超量的请求会被限流。

限流算法主要有：计数器限流、滑动窗口限流、令牌桶限流、漏桶限流。网上的资料很多，这里就不多赘述。

4、降级

比如电商大促，业务在峰值时刻，系统抵挡不住全部的流量时，系统的负载、CPU 的使用率都超过了预警水位，可以对一些 非核心的功能进行降级 ，降低系统压力，比如把 商品评价 、 成交记录 等功能临时关掉。 弃车保帅 ， 保证 创建订单、支付 等核心功能的正常使用 。

当然不同业务、不同公司处理方式也各不相同，需要结合实际场景，和业务方一块讨论，最后达成一个统一认可的降级方案。

4  结束语

互联网三高架构：高并发、高性能、高可用，简称三高（3H）构建一个三高的系统， 大概可以从以下方面入手：横向分层、纵向分割、分布式化、集群化、使用缓存、使用异步模式、使用冗余、自动化（发布、部署、监控）。我们应当学习和理解这些思想，开发出优秀的软件程序。