分布式架构

分布式系统难点

一、分布式系统中需要注意的问题
1.异构系统的不标准问题

  • 软件和应用不标准
  • 通讯协议不标准
  • 数据格式不标准
  • 开发和运维的过程和方法不标准

一个好的配置管理应该分成三层:底层和操作系统相关,中间层和中间件相关,最上面和业务应用相关。底层和中间层是不能让用户灵活修改的,而是只让用户选择。

2.系统架构中的服务依赖性问题

  • 如果非关键业务被关键业务所依赖,会导致非关键业务变成一个关键业务。
  • 服务依赖链中,出现“木桶短板效应”——整个 SLA 由最差的那个服务所决定。

这里需要注意的是,很多分布式架构在应用层上做到了业务隔离,然而,在数据库结点上并没有。如果一个非关键业务把数据库拖死,那么会导致全站不可用。所以,数据库方面也需要做相应的隔离。也就是说,最好一个业务线用一套自己的数据库。这就是亚马逊服务器的实践——系统间不能读取对方的数据库,只通过服务接口耦合。这也是微服务的要求。我们不但要拆分服务,还要为每个服务拆分相应的数据库。

3.故障发生的概率更大

  • 添加关键的监控信息

4.多层架构的运维复杂度更大
通常来说,我们可以把系统分成四层:基础层、平台层、应用层和接入层。

  • 基础层就是我们的机器、网络和存储设备等。
  • 平台层就是我们的中间件层,Tomcat、MySQL、Redis、Kafka 之类的软件。
  • 应用层就是我们的业务软件,比如,各种功能的服务。
  • 接入层就是接入用户请求的网关、负载均衡或是 CDN、DNS 这样的东西。

对于这四层,我们需要知道:

  • 任何一层的问题都会导致整体的问题;
  • 没有统一的视图和管理,导致运维被割裂开来,造成更大的复杂度。

分工不是问题,问题是分工后的协作是否统一和规范。

分布式系统技术栈
1.提高架构的性能
提高系统性能的常用技术

  • 缓存系统
  • 负载均衡系统
  • 异步调用。主要通过消息队列来对请求做排队处理,削峰填谷。
  • 数据分区和数据镜像。数据分区是把数据按一定的方式分成多个区,不同的数据区来分担不同区的流量。这需要一个数据路由的中间件,会导致跨库的join和跨库的事务非常复杂。数据镜像是把一个数据库镜像成多份一样的数据,这样就不需要数据路由的中间件了。你可以在任意节点上进行读写,内部会自行同步数据。然而,数据镜像中最大的问题就是数据的一致性问题。

2.提高架构的稳定性

  • 服务拆分。主要目的:1.隔离故障 2.服务模块重用。 会引入服务调用间依赖问题
  • 服务冗余。服务冗余是为了去除单点故障,并可以支持服务的弹性伸缩,以及故障迁移。然而,对于一些有状态的服务来说,冗余这些有状态的服务带来了更高的复杂性。其中一个是弹性伸缩时,需要考虑数据的复制或是重新分片,迁移的时候还要迁移数据到其它机器上。
  • 限流降级
  • 高可用架构。通常来说高可用架构是从冗余架构的角度来保障可用性。比如,多租户隔离,灾备多活,或是数据可以在其中复制保持一致性的集群。总之,就是为了不出单点故障。
  • 高可用运维。高可用运维指的是 DevOps 中的 CI/CD(持续集成 / 持续部署)。一个良好的运维应该是一条很流畅的软件发布管线,其中做了足够的自动化测试,还可以做相应的灰度发布,以及对线上系统的自动化控制。这样,可以做到“计划内”或是“非计划内”的宕机事件的时长最短。

3.分布式系统的关键技术

  • 服务治理。服务拆分、服务调用、服务发现、服务依赖、服务的关键度定义……服务治理的最大意义是需要把服务间的依赖关系、服务调用链,以及关键的服务给梳理出来,并对这些服务进行性能和可用性方面的管理。
  • 架构软件管理。服务之间有依赖,而且有兼容性问题,所以,整体服务所形成的架构需要有架构版本管理、整体架构的生命周期管理,以及对服务的编排、聚合、事务处理等服务调度功能。
  • DevOps。分布式系统可以更为快速地更新服务,但是对于服务的测试和部署都会是挑战。所以,还需要 DevOps 的全流程,其中包括环境构建、持续集成、持续部署等。
  • 自动化运维。有了 DevOps 后,我们就可以对服务进行自动伸缩、故障迁移、配置管理、状态管理等一系列的自动化运维技术了。
  • 资源调度管理。应用层的自动化运维需要基础层的调度支持,也就是云计算 IaaS 层的计算、存储、网络等资源调度、隔离和管理。
  • 整体架构监控。
  • 流量控制。最后是我们的流量控制,负载均衡、服务路由、熔断、降级、限流等和流量相关的调度都会在这里,包括灰度发布之类的功能也在这里。

4.分布式系统的"纲"

  • 全栈系统监控;
  • 服务 / 资源调度;
  • 流量调度;
  • 状态 / 数据调度;
  • 开发和运维的自动化。
    分布式架构_第1张图片分布式系统关键技术:全站监控
    需要完成的功能为:
  • 全站监控
  • 关联分析
  • 跨系统调用的串联
  • 实时报警和自动处置
  • 系统性能分析

1.多层体系的监控
所谓全栈监控,其实就是三层监控。

  • 基础层:监控主机和底层资源。比如:CPU、内存、网络吞吐、硬盘 I/O、硬盘使用等。
  • 中间层:就是中间件层的监控。比如:Nginx、Redis、ActiveMQ、Kafka、MySQL、Tomcat 等。
  • 应用层:监控应用层的使用。比如:HTTP 访问的吞吐量、响应时间、返回码、调用链路分析、性能瓶颈,还包括用户端的监控。
    分布式架构_第2张图片这还需要一些监控的标准化。
  • 日志数据结构化
  • 监控数据格式标准化
  • 统一的监控平台
  • 统一的日志分析

2.什么才是好的监控系统

  • 关注于整体应用的SLA。主要从为用户服务的API来监控整个系统。
  • 关联指标聚合。把有关联的系统及其指标聚合展示。
  • 快速故障定位。快速定位问题需要对整个分布式系统做一个用户请求跟踪的 trace 监控,我们需要监控到所有的请求在分布式系统中的调用链,这个事最好是做成没有侵入性的。

一个好的监控系统主要是为以下两个场景设计的:
“体检”

  • 容量管理。提供一个全局的系统运行时数据的展示,可以让工程师团队知道是否需要增加机器或者其它资源。
  • 性能管理。可以通过查看大盘,找到系统瓶颈,并有针对性地优化系统和相应代码。

“急诊”

  • 定位问题。可以快速地暴露并找到问题的发生点,帮助技术人员诊断问题。
  • 性能分析。当出现非预期的流量提升时,可以快速地找到系统的瓶颈,并帮助开发人员深入代码。

3.如何做出一个好的监控系统

  • 服务调用链跟踪。这个监控系统应该从对外的 API 开始,然后将后台的实际服务给关联起来,然后再进一步将这个服务的依赖服务关联起来,直到最后一个服务(如 MySQL 或 Redis),这样就可以把整个系统的服务全部都串连起来了。这个事情的最佳实践是 Google Dapper 系统,其对应于开源的实现是 Zipkin。对于 Java 类的服务,我们可以使用字节码技术进行字节码注入,做到代码无侵入式。(skywalking)
    分布式架构_第3张图片
  • 服务调用时长分布。使用 Zipkin,可以看到一个服务调用链上的时间分布,这样有助于我们知道最耗时的服务是什么。下图是 Zipkin 的服务调用时间分布。
    分布式架构_第4张图片
  • 服务的 TOP N 视图。所谓 TOP N 视图就是一个系统请求的排名情况。一般来说,这个排名会有三种排名的方法:a)按调用量排名,b) 按请求最耗时排名,c)按热点排名(一个时间段内的请求次数的响应时间和)。
    分布式架构_第5张图片
  • 数据库操作关联。对于 Java 应用,我们可以很方便地通过 JavaAgent 字节码注入技术拿到 JDBC 执行数据库操作的执行时间。对此,我们可以和相关的请求对应起来。
    分布式架构_第6张图片
  • 服务资源跟踪。我们的服务可能运行在物理机上,也可能运行在虚拟机里,还可能运行在一个 Docker 的容器里,Docker 容器又运行在物理机或是虚拟机上。我们需要把服务运行的机器节点上的数据(如 CPU、MEM、I/O、DISK、NETWORK)关联起来。

这样一来,我们就可以知道服务和基础层资源的关系。如果是 Java 应用,我们还要和 JVM 里的东西进行关联,这样我们才能知道服务所运行的 JVM 中的情况(比如 GC 的情况)。

分布式系统关键技术:服务调度

服务治理上的一些关键技术,主要有一下几点

  • 服务关键程度
  • 服务依赖关系
  • 服务发现
  • 整个架构的版本管理
  • 服务应用生命周期全管理

1.服务关键程度和服务的依赖关系

微服务是服务依赖最优解的上限,而服务依赖的下限是千万不要有依赖环。

解决服务依赖环的方案一般是,依赖倒置的设计模式。在分布式架构上,你可以使用一个第三方的服务来解决这个事。比如,通过订阅或发布消息到一个消息中间件,或是把其中的依赖关系抽到一个第三方的服务中,然后由这个第三方的服务来调用这些原本循环依赖的服务。

服务的依赖关系是可以通过技术的手段来发现的,其中,Zipkin是一个很不错的服务调用跟踪系统,这个工具可以帮你梳理服务的依赖关系,以及了解各个服务的性能。

在梳理完服务的重要程度和服务依赖关系之后,我们就相当于知道了整个架构的全局。就好像我们得到了一张城市地图,在这张地图上可以看到城市的关键设施,以及城市的主干道。再加上相关的监控,我们就可以看到城市各条道路上的工作和拥堵情况。这对于我们整个分布式架构是非常非常关键的。

2.服务状态和生命周期的管理

我们还需要有一个服务发现的中间件,这个中间件是非常非常关键的。因为这个“架构城市”是非常动态的,有的服务会新加进来,有的会离开,有的会增加更多的实例,有的会减少,有的服务在维护过程中(发布、伸缩等),所以我们需要有一个服务注册中心,来知道这么几个事。

  • 整个架构中有多少种服务?
  • 这些服务的版本是怎么样的?
  • 每个服务的实例数有多少个,它们的状态是什么样的?
  • 每个服务的状态是什么样的?是在部署中,运行中,故障中,升级中,还是在回滚中,伸缩中,或者是在下线中…

服务的生命周期通常会有以下几个状态

  • Provision,代表再供应一个新的服务;
  • Ready,表示启动成功了;
  • Run,表示通过了服务健康检查;
  • Update,表示在升级中;
  • RollBack,表示在回滚中;
  • Scale,表示正在伸缩中(可以有 Scale-in 和 Scale-out 两种);
  • Destroy,表示在销毁中;
  • Failed,表示失败状态;

有了这些服务的状态和生命周期的管理,以及服务的重要程度和服务的依赖关系,再加上一个服务运行状态的拟合控制,你一下子就有了管理整个分布式服务的手段了。

3.整个架构的版本管理
在分布式架构中,我们需要一个架构的版本,用来控制其中各个服务的版本兼容。比如,A 服务的 1.2 版本只能和 B 服务的 2.2 版本一起工作,A 服务的上个版本 1.1 只能和 B 服务的 2.0 一起工作。这就是版本兼容性。

如果架构中有这样的问题,那么我们就需要一个上层架构的版本管理。这样,如果我们要回滚一个服务的版本,就可以把与之有版本依赖的服务也一起回滚掉。

要做到这个事,你需要一个架构的 manifest,一个服务清单,这个服务清单定义了所有服务的版本运行环境,其中包括但不限于:

  • 服务的软件版本;
  • 服务的运行环境—环境变量、CPU、内存、可以运行的节点、文件系统等;
  • 服务运行的最大最小实例数。

每一次对这个清单的变更都需要被记录下来,算是一个架构的版本管理。而我们上面所说的那个集群控制系统需要能够解读并执行这个清单中的变更,以操作和管理整个集群中的相关变更。

4.资源/服务调度
服务和资源的调度有点像操作系统。操作系统一方面把用户进程在硬件资源上进行调度,另一方面提供进程间的通信方式,可以让不同的进程在一起协同工作。服务和资源调度的过程,与操作系统调度进程的方式很相似,主要有以下一些关键技术。

  • 服务状态的维持和拟合
  • 服务的弹性伸缩和故障迁移
  • 作业和应用调度
  • 作业工作流编排
  • 服务编排

5.服务状态的维持和拟合
所谓服务状态不是服务中的数据状态,而是服务的运行状态,换句话说就是服务的 Status,而不是 State。也就是上述服务运行时生命周期中的状态——Provision,Ready,Run,Scale,Rollback,Update,Destroy,Failed……

服务运行时的状态是非常关键的。服务运行过程中,状态也是会有变化的,这样的变化有两种。

  • 一种是没有预期的变化。比如,服务运行因为故障导致一些服务挂掉,或是别的什么原因出现了服务不健康的状态。而一个好的集群管理控制器应该能够强行维护服务的状态。在健康的实例数变少时,控制器会把不健康的服务给摘除,而又启动几个新的,强行维护健康的服务实例数。
  • 另外一种是预期的变化。比如,我们需要发布新版本,需要伸缩,需要回滚。这时,集群管理控制器就应该把集群从现有状态迁移到另一个新的状态。这个过程并不是一蹴而就的,集群控制器需要一步一步地向集群发送若干控制命令。这个过程叫“拟合”——从一个状态拟合到另一个状态,而且要穷尽所有的可能,玩命地不断地拟合,直到达到目的。

6.服务的弹性伸缩和故障转移
服务伸缩需要的操作步骤:

  • 底层资源的伸缩;
  • 服务端额自动化部署;
  • 服务的健康检查;
  • 服务发现的注册;
  • 服务流量的调度;

而对于故障迁移,也就是服务的某个实例出现问题时,我们需要自动地恢复它。对于服务来说,有两种模式,一种是宠物模式,一种是奶牛模式。

  • 所谓宠物模式,就是一定要救活,主要是对于 stateful 的服务。
  • 而奶牛模式,就是不用救活了,重新生成一个实例。

对于这两种模式,在运行中也是比较复杂的,其中涉及到了:

  • 服务的健康监控(这可能需要一个 APM 的监控)。
  • 如果是宠物模式,需要:服务的重新启动和服务的监控报警(如果重试恢复不成功,需要人工介入)。
  • 如果是奶牛模式,需要:服务的资源申请,服务的自动化部署,服务发现的注册,以及服务的流量调度。

需要把传统的服务迁移到 Docker 和 Kubernetes 上来,再加上更上层的对服务生命周期的控制系统的调度,我们就可以做到一个完全自动化的运维架构了。

7.服务工作流和编排
简单来说,这需要一个 API Gateway 或一个简单的消息队列来做相应的编排工作。在 Spring Cloud 中,所有的请求都统一通过 API Gateway(Zuul)来访问内部的服务。这个和 Kubernetes 中的 Ingress 相似。(工作流引擎)

分布式系统关键技术:流量与数据调度
1.流量调度的主要功能
对于一个流量调度系统来说,其应该具有的主要功能是:

  1. 依据系统运行的情况,自动地进行流量调度,在无需人工干预的情况下,提升整个系统的稳定性;
  2. 让系统应对爆品等突发事件时,在弹性计算扩缩容的较长时间窗口内或底层资源消耗殆尽的情况下,保护系统平稳运行。

流量调度系统还可以完成以下几方面的事情:

  • 服务流控。服务发现、服务路由、服务降级、服务熔断、服务保护等。
  • 流量控制。负载均衡、流量分配、流量控制、异地灾备(多活)等。
  • 流量管理。协议转换、请求校验、数据缓存、数据计算等。

所有的这些都应该是一个 API Gateway 应该做的事。

2.流量调度的关键技术
作为一个 API Gateway 来说,因为要调度流量,首先需要扛住流量,而且还需要有一些比较轻量的业务逻辑,所以一个好的 API Gateway 需要具备以下的关键技术。

  • 高性能。API Gateway 必须使用高性能的技术,所以,也就需要使用高性能的语言。
  • 扛流量。要能扛流量,就需要使用集群技术。集群技术的关键点是在集群内的各个结点中共享数据。这就需要使用像 Paxos、Raft、Gossip 这样的通讯协议。因为 Gateway 需要部署在广域网上,所以还需要集群的分组技术。
  • 业务逻辑。API Gateway 需要有简单的业务逻辑,所以,最好是像 AWS 的 Lambda 服务一样,可以让人注入不同语言的简单业务逻辑。
  • 服务化。一个好的 API Gateway 需要能够通过 Admin API 来不停机地管理配置变更,而不是通过一个.conf 文件来人肉地修改配置。

3.状态数据调度
对于服务调度来说,最难办的就是有状态的服务了。这里的状态是 State,也就是说,有些服务会保存一些数据,而这些数据是不能丢失的,所以,这些数据是需要随服务一起调度的。

一般来说,我们会通过“转移问题”的方法来让服务变成“无状态的服务”。也就是说,会把这些有状态的东西存储到第三方服务上,比如 Redis、MySQL、ZooKeeper,或是 NFS、Ceph 的文件系统中。

4.分布式事务一致性的问题
要解决数据结点的 Scale 问题,也就是让数据服务可以像无状态的服务一样在不同的机器上进行调度,这就会涉及数据的 replication 问题。而数据 replication 则会带来数据一致性的问题,进而对性能带来严重的影响。

要解决数据不丢失的问题,只能通过数据冗余的方法,就算是数据分区,每个区也需要进行数据冗余处理。这就是数据副本。当出现某个节点的数据丢失时,可以从副本读到。数据副本是分布式系统解决数据丢失异常的唯一手段。简单来说:

  • 要想让数据有高可用性,就得写多份数据。
  • 写多份会引起数据一致性的问题。
  • 数据一致性的问题又会引发性能问题。

在解决数据副本间的一致性问题时,我们有一些技术方案。

  • Master-Slave 方案。
  • Master-Master 方案。
  • 两阶段和三阶段提交方案。
  • Paxos 方案。

可以阅读左耳朵耗子老师的《分布式系统的事务处理》这篇文章。

现在,很多公司的分布式系统事务基本上都是两阶段提交的变种。比如:阿里推出的 TCC–Try–Confirm–Cancel,或是我在亚马逊见到的 Plan–Reserve–Confirm 的方式,等等。凡是通过业务补偿,或是在业务应用层上做的分布式事务的玩法,基本上都是两阶段提交,或是两阶段提交的变种。

换句话说,迄今为止,在应用层上解决事务问题,只有“两阶段提交”这样的方式,而在数据层解决事务问题,Paxos 算法则是不二之选。

5.数据结点的分布式方案
真正完整解决数据 Scale 问题的应该还是数据结点自身。只有数据结点自身解决了这个问题,才能做到对上层业务层的透明,业务层可以像操作单机数据库一样来操作分布式数据库,这样才能做到整个分布式服务架构的调度。

也就是说,这个问题应该解决在数据存储方。但是因为数据存储结果有太多不同的 Scheme,所以现在的数据存储也是多种多样的,有文件系统,有对象型的,有 Key-Value 式,有时序的,有搜索型的,有关系型的……

但是我们可以看到,这个“数据存储的动物园”中,基本上都在解决数据副本、数据一致性和分布式事务的问题。

比如 AWS 的 Aurora,就是改写了 MySQL 的 InnoDB 引擎。为了承诺高可用的 SLA,所以需要写 6 个副本,但实现方式上,它不像 MySQL 通过 bin log 的数据复制方式,而是更为“惊艳”地复制 SQL 语句,然后拼命地使用各种 tricky 的方式来降低 latency。比如,使用多线程并行、使用 SQL 操作的 merge 等。

MySQL 官方也有 MySQL Cluster 的技术方案。此外,MongoDB、国内的 PingCAP 的 TiDB、国外的 CockroachDB,还有阿里的 OceanBase 都是为了解决大规模数据的写入和读取的问题而出现的数据库软件。所以,我觉得成熟的可以用到生产线上的分布式数据库这个事估计也不远了。

而对于一些需要文件存储的,则需要分布式文件系统的支持。试想,一个 Kafka 或 ZooKeeper 需要把它们的数据存储到文件系统上。当这个结点有问题时,我们需要再启动一个 Kafka 或 ZooKeeper 的实例,那么也需要把它们持久化的数据搬迁到另一台机器上。

(注意,虽然 Kafka 和 ZooKeeper 是 HA 的,数据会在不同的结点中进行复制,但是我们也应该搬迁数据,这样有利用于新结点的快速启动。否则,新的结点需要等待数据同步,这个时间会比较长,可能会导致数据层的其它问题。)

于是,我们就需要一个底层是分布式的文件系统,这样新的结点只需要做一个简单的远程文件系统的 mount 就可以把数据调度到另外一台机器上了。

所以,真正解决数据结点调度的方案应该是底层的数据结点。在它们上面做这个事才是真正有效和优雅的。而像阿里的用于分库分表的数据库中间件 TDDL 或是别的公司叫什么 DAL 之类的这样的中间件都会成为过渡技术。

6.状态数据调度小结
接下来,我们对状态数据调度做个小小的总结。

  • 对于应用层上的分布式事务一致性,只有两阶段提交这样的方式。
  • 而底层存储可以解决这个问题的方式是通过一些像 Paxos、Raft 或是 NWR 这样的算法和模型来解决。
  • 状态数据调度应该是由分布式存储系统来解决的,这样会更为完美。但是因为数据存储的 Scheme 太多,所以,导致我们有各式各样的分布式存储系统,有文件对象的,有关系型数据库的,有 NoSQL 的,有时序数据的,有搜索数据的,有队列的……

总之,我相信状态数据调度应该是在 IaaS 层的数据存储解决的问题,而不是在 PaaS 层或者 SaaS 层来解决的。

在 IaaS 层上解决这个问题,一般来说有三种方案,一种是使用比较廉价的开源产品,如:NFS、Ceph、TiDB、CockroachDB、ElasticSearch、InfluxDB、MySQL Cluster 和 Redis Cluster 之类的;另一种是用云计算厂商的方案。当然,如果不差钱的话,可以使用更为昂贵的商业网络存储方案。

更多详细内容在 左耳朵耗子老师的专栏课中可以学习:http://gk.link/a/11Ruj

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