Docker从认识到实践再到底层原理(一)|技术架构

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前言

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  • Docker从认识到实践再到底层原理

博客参考:比特就业课


第一章-技术架构

单机架构

简介

所有的服务都部署到一台服务器上。

简单来说,就是全部都放在一台服务器上。

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出现原因

在互联网初期,使用量有限,一个单机服务器架构就能够满足要求。

技术案例

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

架构优缺点

优势在于配置简便、开销较小,但劣势则在于会面临明显的性能限制,数据库和应用程序会相互争夺资源。

应用数据分离架构

简介

很简单,就是应用服务和数据库服务使用不同的服务器。

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注意,数据库和应用之间多了一条线,这条线就是网络。

出现原因

由于资源竞争激烈,单机情况下可能导致网站响应速度减缓。

架构工作原理

DNS返回的是应用服务器的ip,然后应用服务器再去数据库服务里面去找。

优缺点

  • 优点:经济可控性较高,性能比单机模式好,在数据库独立隔离方面表现出色,应用故障不会对数据库造成影响,还具备一定的容错能力。

  • 缺点:硬件投入增加,性能上存在限制,难以应对大规模高并发需求。

应用服务集群架构

简介

引入了负载均衡,应用是以集群方式运作的。

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出现原因

一台应用服务器,不能扛得住高并发,高并发的话容易崩。

架构工作原理

如示意图所展示的情景,采用多个应用服务器的布局方案,以减轻高并发压力。

**负载均衡的意义:**为了解决将用户请求分配到哪个应用服务器的问题,需要引入专用的系统组件来进行流量分发。在实际应用中,负载均衡的范围不仅仅限于应用层,还可以涵盖其他网络层。

同时,负载均衡算法有多种类型,以下是几种常见的简要介绍:

  • 轮询算法(Round-Robin): 将请求公平地依次分配给不同的应用服务器,确保公正性。
  • 加权轮询算法(Weight-Round-Robin): 根据服务器性能等因素分配不同的权重,使性能较好的服务器分配更多的请求。
  • 一致性哈希算法: 通过计算用户特征(例如 IP 地址)得到哈希值,根据哈希结果进行请求分发。这种方法的优势在于,相同用户的请求总是被分配给同一台服务器,类似于我们常见的专属客户代表服务。

这种布局的好处在于可以有效地应对高并发情况,确保系统的稳定性和响应速度。

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DNS如何做负载均衡呢?

我们知道DNS可以通过域名返回ip地址。

比如我要访问www.taobao.com, 第一次我返回ip1,表示第一个LVS,第二次返回ip2,表示第二个LVS… 以此类推。DNS也可以完成负载均衡的工作了。

优缺点

优势:

  1. 保障应用服务的持续可用性:即便某个应用服务器发生故障,整个网站不会因此而崩溃。
  2. 具备一定的高性能表现:在无需访问数据库的情况下(如已有缓存数据),能够快速响应大量请求。
  3. 具备一定的横向扩展能力:通过横向增加服务器数量来实现系统的扩展。

劣势:

  1. 数据库性能成为瓶颈:由于只有一个数据库,当多个用户同时请求数据时,数据库可能会面临性能问题。
  2. 数据库是单一服务器的独立架构,缺乏高可用性。
  3. 增加运维负担:随着扩展部署,运维任务也增加,需要开发相应工具来解决快速部署的挑战。
  4. 需要承担较高的硬件成本。

读写分离/主从分离架构

简介

通过将数据库的读写任务分配到不同的节点上,我们建立了数据库服务器的主从集群。在这个集群中,通常会配置一个主节点和一个或多个从节点,也可以是一个主节点和多个从节点。在这种架构中,主数据库负责处理写操作,而从数据库则专注于处理读操作。

出现原因

数据库成为瓶颈的情况下,特别是在互联网应用中,读操作通常明显多于写操作。这种情况下,数据库因为处理大量读请求而承受巨大压力。因此,我们可以将读写操作分离,以应对这一挑战。

架构工作原理

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如果是写操作,就访问主数据库,然后更改完之后,将数据同步到所有的从数据库中。

如果是读操作,就访问从数据库即可。

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这种中间组件常见的有:MyCat、TDDL、Amoeba、Cobar 等

优缺点

优点:

  1. 数据库读取性能提升
  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,数据库的可用性能高了

缺点:

  1. 热点数据的频繁读取导致数据库负载会很高
  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

冷热分离架构

简介

引入缓存,实行冷热分离,将热点数据放到缓存中快速响应

出现原因

海量的请求导致数据库负载过高,站点响应再度变慢。

架构工作原理

热点数据直接找缓存,不要去找数据库了。

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写入的时候缓存和数据库都要写入!而且只能保证同时成功或者同时失败(软件可以做到)

读取的时候,如果缓存中有就直接在缓存中读,如果没有,就去数据库读。

架构优缺点

优势:

  1. 明显提升性能:通过分离读写操作,显著减轻了对数据库的访问负担。

缺陷:

  1. 引发缓存相关问题:此举可能导致一致性问题、缓存击穿、缓存失效以及缓存雪崩等困扰。
  2. 增加服务器开销:实施该策略可能需要投入更多成本用于服务器设备。
  3. 业务规模扩大后可能遇到问题:随着业务体量增大,数据量持续增加,可能导致数据库规模过大,单个表数据过于庞大,从而影响查询性能,使数据库再次成为瓶颈。

垂直分库架构(分布式数据库架构)

简介

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,也可以理解成分布式数据库架构。

出现原因

上面提到的单机的写库会逐渐达到性能瓶颈,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。

架构工作原理

什么是分库分表

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如图所示。

分布式数据库架构

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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,需要解决。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扛住海量的请求,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。

微服务架构

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加清晰,相互之间可以做到独立升级迭代。

出现原因

  1. 扩展困难:系统无法轻松扩展,因为每次需要更新应用程序时,必须重新构建整个系统。
  2. 持续开发受阻:即使是微小的代码更改,也必须重新部署整个应用,难以频繁、轻松地发布新版本。
  3. 不可靠性:即便系统的某个功能出现故障,也可能导致整个系统崩溃。
  4. 缺乏灵活性:不支持使用不同的技术构建单一应用程序。
  5. 代码维护困难:所有功能都紧密耦合在一起,使得接管这段代码的人难以找到改进的切入点。

架构工作原理

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优缺点

优势:

  1. 高度灵活性:每个服务都能独立地经受测试、部署、升级和发布。
  2. 独立可扩展性:每个服务都能独自进行扩展,不会影响其他服务。
  3. 提升容错能力:一个服务出现问题不会导致整个系统崩溃。

劣势:

  1. 复杂运维:随着业务的不断发展,应用和服务的数量增多,部署变得更加复杂。
  2. 资源需求增加:每个独立运行的微服务都需要占用一定资源。
  3. 故障排查难度增加:由于一个请求可能需要多个服务调用,故障排查变得困难,需要查看不同服务的日志来定位问题。

容器编排架构

简介

借助容器化技术(如docker)将服务/应用打包成镜像,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。

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. 微服务数量多扩容麻烦,而且容易出错,每次缩容然后扩容后重新配置服务对应的环境参数信息,很复杂。
  3. 微服务至今啊运行环境可能冲突,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。

架构工作原理

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优缺点

优势:

  1. 快速部署、轻松运维:使用简单的命令即可完成数百个服务的部署或扩缩容操作。
  2. 强大隔离性:容器之间在文件系统、网络等方面具有高度隔离性,避免了环境冲突问题。
  3. 便捷滚动更新:通过单一命令实现不同版本的切换,支持轻松的滚动更新。

劣势:

  1. 技术栈复杂化,对研发团队的要求较高。
  2. 需要自行管理机器资源:在非高峰时段可能需要闲置大量机器资源来备战高峰期,这带来了机器成本和运维成本上的挑战。为解决这个问题,可考虑采购云服务商提供的服务器资源。

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