高并发高负载网站的系统架构

一个小型的网站，比如个人网站，可以使用最简单的html静态页面就实现了，配合一些图片达到美化效果，所有的页面均存放在一个目录下，这样的网站对系统架构、性能的要求都很简单，随着互联网业务的不断丰富，网站相关的技术经过这些年的发展，已经细分到很细的方方面面，尤其对于大型网站来说，所采用的技术更是涉及面非常广，从硬件到软件、编程语言、数据库、WebServer、防火墙等各个领域都有了很高的要求，已经不是原来简单的html静态网站所能比拟的。

　　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。目前很多博客也都实现了静态化
　　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。

　　在进行html静态化的时候可以使用一种折中的方法，就是前端使用动态实现，在一定的策略下进行定时静态化和定时判断调用，这个能实现很多灵活性的操作，我开发的台球网站故人居就是使用了这样的方法，我通过设定一些html静态化的时间间隔来对动态网站内容进行缓存，达到分担大部分的压力到静态页面上，可以应用于中小型网站的架构上。故人居网站的地址：顺便提一下，有喜欢台球的朋友多多支持我这个免费网站:)

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。

　　我的台球网站故人居也使用了图片服务器架构上的分离，目前是仅仅是架构上分离，物理上没有分离，由于没有钱买更多的服务器:)，大家可以看到故人居上的图片连接都是类似img.9tmd.com或者img1.9tmd.com的URL。

　　另外，在处理静态页面或者图片、js等访问方面，可以考虑使用lighttpd代替Apache，它提供了更轻量级和更高效的处理能力。

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mod_proxy缓存模块，也可以使用外加的Squid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Memcached是常用的缓存方案，不少web编程语言都提供memcache访问接口，php、perl、c和java都有，可以在web开发中使用，可以实时或者Cron的把数据、对象等内容进行缓存，策略非常灵活。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模块和eAccelerator加速和Cache模块，还要知名的Apc、XCache（国人开发的，支持！）php缓存模块，Java就更多了。

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。另外有关初级的负载均衡DNS轮循和较专业的CDN架构就不多说了。

6.1 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。

6.2 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 Virtual Server，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。

6.3 七层交换
　　大家都知道TCP/IP的七层协议，四层交换是基于传输层的，在这一层只能处理连接的管理，但是无法和业务关联起来，通常只能针对tcp、udp的连接来进行处理，而真正的业务逻辑需要后面的服务器群自己来处理，随着技术的发展，今天，我们在很多高级的应用中出现了七层交换。

七层交换是基于TCP/IP的第七层应用层来实现的，在这一层上，首先我们可以区分出具体的应用，比如HTTP、TELNET、FTP、DNS等等，还能根据应用中传送的内容来进行策略的管理，比如我们有这么两个网站的路径 a.com/music/… 和a.com/photo/… 原来基于四层交换只能把这两个url的请求都分发到后面一组服务器上，但是七层交换可以判断访问的是music/还是photo/路径，然后分别分发到不通的服务器群上，从而实现更灵活的系统架构设计。

当然，七层交换也分硬件和软件的实现方式，在这里我不细说了，硬件有著名的F5、Nortel等，软件有Haproxy等，当然，七层交换的软件目前还是在性能上要远远差别于硬件实现的，要知道，这些硬件都价格不菲

总结：
　　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，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。

　　

我们说到有关图片影响性能的问题，一般来说都是出自于我们的大部分访问页面中图片往往比html代码占用的流量大，在同等网络带宽的情况下，图片传输需要的时间更长，由于传输需要花很大开销在建立连接上，这会延长用户client端与server端的http连接时长，这对于apache来说，并发性能肯定会下降，除非你的返回全部是静态的，那就可以把 httpd.conf 中的 KeepAlives 为 off ，这样可以减小连接处理时间，但是如果图片过多会导致建立的连接次数增多，同样消耗性能。

另外我们提到的理论更多的是针对大型集群的案例，在这样的环境下，图片的分离能有效的改进架构，进而影响到性能的提升，要知道我们为什么要谈架构？架构可能为了安全、为了资源分配、也为了更科学的开发和管理，但是终极目都是为了性能。

另外在RFC1945的HTTP协议文档中很容易找到有关Mime Type和Content length部分的说明，这样对于理解图片对性能影响是很容易的。

对于大型的站点来说，他的数据库和 Web Server 一般都是分布式的，在多个区域都有部署，当某个地区的用户访问时会对应到一个节点上，如果是对社区内的帖子实时静态化，有更新时再重新静态化，那么在节点之间如何立刻同步呢？数据库端如何实现呢？如果用户看不到的话会以为发帖失败？造成重复发了，那么如何将用户锁定在一个节点上呢?


对于将一个用户锁定在某个节点上是通过四层交换来实现的，一般情况下是这样，如果应用比较小的可以通过程序代码来实现。大型的应用一般通过类似LVS和硬件四层交换来管理用户连接，可以制定策略来使用户的连接在生命期内保持在某个节点上。

静态化和同步的策略比较多，一般采用的方法是集中或者分布存储，但是静态化却是通过集中存储来实现的，然后使用前端的proxy群来实现缓存和分担压力。

 一般对于一个中型网站来说，交互操作非常多，日PV百万左右，如何做合理的负载？

交互如果非常多，可以考虑使用集群加Memory Cache的方式，把不断变化而且需要同步的数据放入Memory Cache里面进行读取，具体的方案还得需要结合具体的情况来分析。

 

如果一个网站处于技术发展期，那么这些优化手段应该先实施哪些后实施哪些呢？
或者说从成本（技术、人力和财力成本）方面，哪些先实施能够取得最大效果呢？

先从服务器性能优化、代码性能优化方面入手，包括webserver、dbserver的优化配置、html静态化等容易入手的开始，这些环节争取先榨取到最大化的利用率，然后再考虑从架构上增加投入，比如集群、负载均衡等方面，这些都需要在有一定的发展积累之后再做考虑比较恰当。

这个img.9tmd.com是虚拟主机吧，也就是说是一个apache提供的服务吧，这样的话对于性能的提高也很有意义吗？还是只是铺垫，为了方便以后的物理分离呢？

因为目前只有一台服务器，所以从物理上无法实现真正的分离，暂时使用虚拟主机来实现，是为了程序设计和网站架构上的灵活，如果有了一台新的服务器，我只需要把图片镜像过去或者同步过去，然后把img.9tmd.com的dns解析到新的服务器上就自然实现了分离，如果现在不从架构和程序上实现，今后这样的分离就会比较痛苦:)

关于如何在网站的前期尽可能低成本的投入，做到性能最大化利用，同时做好后期系统架构的规划，这个问题可以说已经放大到超出技术范畴，不过和技术相关的部分还是有不少需要考虑的。

一个网站的规划关键的就是对阶段性目标的规划，比如预测几个月后达到什么用户级别、存储级别、并发请求数，然后再过几个月又将什么情况，这些预测必须根据具体业务和市场情况来进行预估和不断调整的，有了这些预测数据作为参考，就能进行技术架构的规划，否则技术上是无法合理进行架构设计的。

在网站发展规划基础上，考虑今后要提供什么样的应用？有些什么样的域名关系？各个应用之间的业务逻辑和关联是什么？面对什么地域分布的用户提供服务？等等。。。

上面这些问题有助于规划网站服务器和设备投入，同时从技术上可以及早预测到未来将会是一个什么架构，在满足这个架构下的每个节点将需要满足什么条件，就是初期架构的要求。

总的来说，不结合具体业务的技术规划是没有意义的，所以首先是业务规划，也就是产品设计，然后才是技术规划。

图片服务器与主数据分离的问题。
图片是存储在硬盘里好还是存储在数据库里好？
请您分硬盘和数据库两种情况解释下面的疑问。
当存放图片的服务器容量不能满足要求时如何办？
当存放图片的服务器负载不能满足要求时如何办？

肯定是存储在硬盘里面，出现存储在数据库里面的说法实际上是出自一些虚拟主机或者租用空间的个人网站和企业网站，因为网站数据量小，也为了备份方便，从大型商业网站来说，没有图片存储在数据库里面的大型应用。数据库容量和效率都会是极大的瓶颈。

你提到的后面两个问题。容量和负载基本上是同时要考虑的问题，容量方面，大部分的解决方案都是使用海量存储，比如专业的盘阵，入门级的磁盘柜或者高级的光纤盘阵、局域网盘阵等，这些都是主要的解决方案。记得我原来说过，如果是考虑低成本，一定要自己使用便宜单台服务器来存储，那就需要从程序逻辑上去控制，比如你可以多台同样的服务器来存储，分别提供NFS的分区给前端应用使用，在前端应用的程序逻辑中自己去控制存储在哪一台服务器的NFS分区上，比如根据Userid或者图片id、或者别的逻辑去进行散列，这个和我们规划大型数据库存储散列分表或者分库存储的逻辑类似。

基本上图片负载高的解决办法有两种，前端squid缓存和镜像，通过对存储设备（服务器或者盘阵）使用镜像，可以分布到多台服务器上对外提供图片服务，然后再配合squid缓存实现负载的降低和提高用户访问速度。

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
我自己之前也提出过使用 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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