八大技术架构——升级之路

目录

一、单机架构

简介

工作原理

架构优缺点

相关软件

二、应用数据分离架构

简介

工作原理

架构优缺点

三、应用服务集群架构

简介

出现原因

工作原理

架构优缺点

相关软件

四、读写分离/主从分离架构

简介

工作原理

架构优缺点

相关软件

五、冷热分离架构

简介

架构工作原理

架构优缺点

相关软件

六、垂直分库架构

简介

架构工作原理

架构优缺点

相关软件

七、微服务架构

微服务出现的原因？

简介

架构工作原理

架构优缺点

相关软件

八、容器编排架构

容器编排架构出现原因

简介

架构工作原理

架构优缺点

相关软件

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一、单机架构

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简介

单机架构是指应用服务和数据库服务公用一台服务器，出现在互联网早期，访问量比较少，单机足以满足需求

工作原理

 以电子商城为例，可以看到通过应用（划分了多个模块）和数据库在单个服务器上协作完成业务运行，具体的，用户在浏览器中输入 www.123.com，首先经过 DNS 服务将域名解析成 IP 地址，随后浏览器访问该 IP 对应的应用服务，所访问到的都是同一个服务器

架构优缺点

优点：部署简单，成本低。

缺点：存在严重的性能瓶颈，数据库和应用存在相互竞争资源。

相关软件

Web 服务器软件:Tomcat、Netty、Nginx、Apache 等

数据库软件:MySQL、Oracle、PostgreSQL、SQL Server 等

二、应用数据分离架构

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简介

应用服务和数据库服务使用不同的服务器，这是由于单机存在严重的资源竞争，导致站点变慢而出现的。

工作原理

 以电子商城为例，可以看到应用（划分为很多个模块）和数据库在各自的服务器上通过网络协作完成业务运行。具体的用户输入域名经过 dns 解析后找到对应的应用服务器（Tomcat服务），再去访问 MySQL 服务器，拿到数据后返回给应用服务，最后返回给你用户。

架构优缺点

优点：成本相对可控、性能比单机有提升、数据库单独隔离，不会因为应用把数据库搞坏，有一定的容灾能力。

缺点：硬件成本变高、性能有瓶颈，无法应对海量并发。

三、应用服务集群架构

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简介

在应用数据分离架构的基础上以集群的方式运作，并引入负载均衡（所有的用户请求会先经过负载均衡，再到服务器，当一个服务器接受请求过大时，负载均衡就会将请求分配到其他服务器上），控制集群平衡。

出现原因

单个应用不足支持海量的并发请求，高并发的时候站点响应变慢。

工作原理

 以电子商城为例，可以看到应用不再是一个，而是变成了多个，并通过负载均衡来支持海量数据并发。

那么他是如何进行流量调度的呢？常见的有一下几种方式：

• Round-Robin 轮询算法：即非常公平地将请求依次分给不同的应用服务器。

• Weight-Round-Robin 轮询算法：为不同的服务器(比如性能不同)赋予不同的权

  重(weight)，能者多劳。

• 一致哈希散列算法：通过计算用户的特征值(比如 IP 地址)得到哈希值，根据哈 希结果做分发，优点是确保来自相同用户的请求总是被分给指定的服务器。也就是我 们平时遇到的专项客户经理服务。

架构优缺点

优点：

1. 应用服务高可用，应用满足高可用，不会一个服务出问题导致整个站点挂掉。
2. 应用服务器具备一定的高性能：如果不访问数据库，应用相关处理通过扩展可以支持海量数据快速请求。
3. 应用服务具有一定的扩展能力，支持横向扩展。

缺点：

1. 数据库成为性能瓶颈，无法对数据库的量数据查询。
2. 数据库是单点，没有高可用。
3. 运维工作增多，扩展后部署运维工作增多，需要开发对应的工具对快速部署。
4. 硬件成本较高。

相关软件

负载均衡软件:Nginx、HAProxy、LVS、F5 等。

四、读写分离/主从分离架构

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简介

在上一层架构上，数据库成为瓶颈，而互联网应用一般读多写少，数据库承载压力大，主要是由这些读的请求造成的，那么我们可以把读操作和写操作分开，具体的，将数据库读写操作分散到不同的节点上，数据库服务器搭建主从集群，一主一从、一主多从都可以，数据库主机负责写操作，从机只负责读操作

工作原理

 以电子商城为例，可以看到数据库服务器不再是一个，而是变成了多个,数据库主机负责写操作，从机负责读操作，数据库主机通过复制将数据同步到从机

架构优缺点

优点

1. 数据库的读取性能提升。
2. 读取被其他服务器分担，写的性能间接提升。
3. 数据库有从库，数据库的可用性提高了。

缺点

1. 热点数据的频繁读取导致数据库负载很高。
2. 当同步挂掉，或者同步延迟比较大时，写库和读库的数据不一致。
3. 服务器成本需要进一步增加。

相关软件

MyCat、TDDL、Amoeba、Cobar 等类似数据库中间件等

五、冷热分离架构

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简介

在上一层架构，海量的请求导致数据库负载过高，站点响应再度变慢，那么就引入缓存，实行冷热分离，将热点数据放到缓存中快速响应。

架构工作原理

以电子商城为例，可以看到多了缓存服务器，对于热点数据全部放到缓存中，不常用数据再去查询我们的数据库。

架构优缺点

优点

1. 大幅降低对数据库的访问请求，性能提升非常明显。

缺点

1. 带来了缓存一致性，缓存击穿，缓存失效，缓存雪崩等问题。
2. 服务器成本需要进一步增加。
3. 业务体量支持变大后，数据不断增加，数据库单库太大，单个表体量也太大，数据查询会很慢，导致数据库再度成为系统瓶颈。

相关软件

Memcached、Redis 等缓存软件。

六、垂直分库架构

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简介

在冷热分离架构上，单机的写库会逐渐会达到性能瓶颈，需要拆分数据库，数据表的数据量太大，处理压力太大，需要进行分表，为降低运维难度，业界逐渐研发了分布式数据库，库表天然支持分布式，因此出现了垂直分库架构：数据库的数据被拆分，数据库数据分布式存储，分布式处理，分布式查询，也可以理解为分布式数据库架构。

架构工作原理

以电子商城为例，数据库是由多个主从库或者存储集群构成，支持分布式大规模并行处理。

架构优缺点

优点

1. 数据库吞吐量大幅提升，不再是瓶颈。

缺点

1. 跨库join、分布式事务等问题，这些需要对应的去进行解决，目前的mpp都有对应的解决方案。
2. 数据库和缓存结合目前能够抗住海量的请求，但是应用的代码整体耦合在一起，修改一行代码需要整体重新发布

相关软件

Greenplum、TiDB、Postgresql XC、HAWQ 等，商用的如南大通用的 GBase、 睿帆科技的雪球DB、华为的 LibrA 等。

七、微服务架构

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微服务出现的原因？

1. 扩展性差:应用程序无法轻松扩展，因为每次需要更新应用程序时，都必须重新构建整个系统。
2. 持续开发困难:一个很小的代码改动，也需要重新部署整个应用,无法频繁并轻松的发布版本。
3. 不可靠:即使系统的一个功能不起作用，可能导致整个系统无法工作。
4. 不灵活:无法使用不同的技术构建单体应用程序。
5. 代码维护难:所有功能耦合在一起，新人不知道何从下手。

简介

微服务是一种架构风格，按照业务板块来划分应用代码，使单个应用的职责更清晰，相互之间可以做到独立升级迭代。

架构工作原理

 以电子商城为例，一个商城应用拆分成了多个微服务，如用户服务、交易服务和商品服务，相互之间协作支持整个商城的应用。

架构优缺点

优点

1. 灵活性高：服务独立测试、部署、升级、发布。
2. 独立扩展：每个服务可以各自进行扩展。
3. 提高容错性：一个服务问题并不会让整个系统瘫痪。
4. 新技术的应用容易:支持多种编程语言。

缺点

1. 运维复杂度高：业务不断发展，应用和服务都会不断变多，应用和服务的部署变得复杂，同一台服务器上部署多个服务还要解决运行环境冲突的问题，此外，对于如大促这类需要动态扩缩容的场景，需要水平扩展服务的性能，就需要在新增的服务上准备运行环境，部署服务等，运维将变得十分困难。
2. 资源使用变多：所有这些独立运行的微服务都需要需要占用内存和 CPU。
3. 处理故障困难：一个请求跨多个服务调用，需要查看不同服务的日志完成问题定位。

相关软件

Spring Cloud、Dubbo

八、容器编排架构

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容器编排架构出现原因

1. 微服务拆分细，服务多部署工作量大，而且配置复杂，容易出错。
2. 微服务数量多扩缩容麻烦，而且容易出错，每次缩容后再扩容又需要重新配置服务对应的环境参数信息。
3. 微服务之间运行环境可能冲突，需要更多的资源来进行部署或者通过修改配置来解决冲突

简介

借助容器化技术(如docker)将应用/服务可以打包为镜像，通过容器编排工具(如k8s)来动态分发和部署镜像，服务以容器化方式运行

架构工作原理

以电子商城为例，一个商城应用拆分成了多个微服务，如用户服务、交易服务和商品服务，每一个微服务打包到容器之中，相互协作来完成系统功能，通过容器编排工具完成部署运维。

架构优缺点

优点

1. 部署、运维简单快速：一条命令就可以完成几百个服务的部署或者扩缩容。
2. 隔离性好：容器与容器之间文件系统、网络等互相隔离，不会产生环境冲突。
3. 轻松支持滚动更新：版本间切换都可以通过一个命令完成升级或者回滚。

缺点

1. 技术栈变多，对研发团队要求高。
2. 机器还是需要公司自身来管理，在非大促的时候，还是需要闲置着大量的机器资源来应对大促，机器自身成本和运维成本都极高，资源利用率低，可以通过购买云厂商服务器解决。

相关软件

Docker、K8S