微服务高可用容灾架构设计
导语
相对于过去单体或 SOA 架构，建设微服务架构所依赖的组件发生了改变，因此分析与设计高可用容灾架构方案的思路也随之改变，本文对微服务架构落地过程中的几种常见容灾高可用方案展开分析。
作者介绍
刘冠军 腾讯云中间件中心架构组负责人、专家工程师
15年 IT 从业经验，第一份工作服务于 IBM 中国实验室，曾任职 IBM 大型机中间件研发总监。现任腾讯云专家工程师，中间件中心架构组负责人，负责中间件产品中心架构师团队及 PaaS 平台产品售前工作。共获得16项专利授权，在事务处理、web 服务、微服务、消息队列和银行架构等方面有着丰富经验，支持过国内外多家大中型客户。
概述
相对于 SOA 架构，微服务架构使用去中心化的方式组织业务应用，服务之间的通信不需要经过总线，服务路由的逻辑下发到各个微服务中自行完成。另一方面，微服务架构也离不开中心化的组件实现服务治理、应用部署、监控等功能，微服务场景下主备、多活等高可用容灾方案的设计需要通盘考虑。
在分析复杂的容灾架构前，我们首先应当明确问题的定义，拆解问题，分解子问题，从不同维度分开讨论才能获得一个清晰的结论。当我们讨论主备、双活等高可用模式时，不同的高可用模式对于应用、数据库、注册中心等组件的含义不是一样的，但各组件又相互关联。在笔者看来，一个完整的微服务架构组件包含三个维度：
- 微服务管控层：由于分布式架构带来了复杂性，需要引入相关的分布式支撑组件
- 应用生命周期管理组件：负责应用发布、回滚、弹性伸缩、故障转移，微服务架构对部署运维能力有更高的要求，要求业务能够实现交付设施自动化。该部分组件对业务运行时影响比较小。
- 服务治理组件：负责服务注册发现、服务配置、服务路由等分布式治理能力，其中最为人熟知的组件是服务注册中心，注册中心负责对服务进行健康检查，及时摘除异常实例，因此在容灾模式下对网络要求比较高，如果网络不稳定容易导致健康检查不准确，频繁进行大规模服务实例变更通知，影响系统稳定性。
- 监控组件：负责采集可观测性三大件 trace, log, metrics，底层往往使用ES或者时序数据库，由于这部分组件请求数据量比较大，在规划部署时，网络流量的成本应当被纳入考量。
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应用层：应用尽量无状态化，降低部署的难度。
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数据层：目前大多数应用使用关系型数据库，当前关系型数据库的技术水平还不能很好的支持多实例多写，所以对于数据库只能讨论主备模式，关键点在于主备切换的自动化以及数据复制的延迟，分别降低故障恢复的 RTO 与 RPO。
同城主备
同城主备（Active-Standby）往往是双 AZ 部署，AZ 间距离需要满足监管要求。双AZ同时只有一个主 AZ 对外提供服务，另一个备 AZ 用做备份，往往只需要部署少量资源。
部署方案：
- 微服务管控层：TSF 一主一备，服务注册发现，应用发布、监控等都在 AZ 内闭环。
- 应用层：应用一主一备，备中心包含主中心逻辑上的全量应用，应用副本数可缩减。
- 数据库层：一主多从，强同步复制，使用 TDSQL 的 RPO 和 RTO 可达到0，并且应用能够无感知切换。
应用层异常分析
对应用层几种异常场景进行分析：
1. 单个微服务实例故障：微服务需要做多实例部署，单 AZ 内可容错。
2. 某个微服务的所有实例故障，可能原因有两种。
- 应用本身代码有问题：回滚应用或进行修复。
- 某个微服务的所有物理实例故障：利用 IaaS 层节点反亲和，尽量机架间分散部署实例。
3. 整个AZ所有实例故障：这种情况整体启用备AZ，切换用户流量。
微服务管控层异常分析
TSF 微服务管控层可以分为两个层次：
- 发布时组件：主要影响应用的发布功能，组件故障影响应用的发布、回滚，不影响应用运行。TSF 组件本身均为无状态，可多实例部署，不影响应用运行。底层依赖 MySQL 数据库主从部署，可单独跨 AZ 部署，避免单点故障。
- 运行时组件：分为两个层次
- 监控、日志组件：全部故障影响监控数据采集，但不影响应用运行。组件自身无状态，可多实例部署，底层 ES/Redis 为非关系型数据库，可使用主备/分片模式部署，可单独跨 AZ 部署，避免单点故障。
- 服务注册中心：故障影响新服务注册、配置下发，TSF 在应用本地设计了缓存机制，在注册中心不可用时，应用仍可发起服务间调用。组件使用 consul 集群部署，一主多从模式。
关于 TSF 管控端的高可用深入分析可参考后续系列专题文章。
数据库层异常分析
由于数据库是单点，单 AZ 内有可能出现单点宕机，故障时可切换至同 AZ 备节点或同城备节点，类似于 TDSQL 的一主多从模式，TDSQL 也可实现 IP 自动故障切换，应用无感知。
同城双活
用户所有的业务系统同时在两个数据中心运行，同时为用户提供服务，当某个 AZ 的应用系统出现问题时，有另一个 AZ 的应用来持续的提供服务
部署方案：
- 微服务管控层：TSF 双活部署，有全局统一的注册中心，对网络延时有要求。
- 数据库层：一主多从，由于主节点只在一个 AZ，所以应用访问数据库可能会跨 AZ，因此要求 AZ 间网络延时低，降低数据倾斜带来的性能消耗。
- 应用层：无状态服务同时对外提供服务，双活的前提是微服务管控层双活以及数据库跨 AZ 时延低。
数据库层高可用部署模式仍为一主多从，后面不再对数据库层进行异常分析。
应用异常分析
对应用层几种异常场景进行分析：
1. 整个 AZ 宕机：利用 GSLB 或者跨 AZ 的 LB 等技术切换至另一个 IP，同时这层能力可以实现负载均衡。
2. 微服务间调用容灾：TSF 支持 AZ 内就近路由，AZ 内实例不可用时跨AZ调用。
微服务管控层异常分析
目前 TSF 基于跨 AZ 的 VIP(客户提供或者 TCS/TCE 提供)实现注册中心等组件自动切换至另一个 AZ，在单 AZ 故障时应用无感知自动切换另一个 AZ 的管控端。
两地三中心
两地三中心建立在同城双活+异地灾备的基础上，兼具高可用性和灾难备份的能力，其中异地灾备中心 是指在异地的城市建立一个备份的灾备中心，用于双中心的数据备份，当双中心出现自然灾害等原因而发生故障时，异地灾备中心可以用备份数据进行业务的恢复。
整体架构是同城双活+主备的组合方案。
部署方案：
- 微服务管控层：同城双活部署，异地灾备，各自的数据不需要做同步，只负责各自的服务管控。
- 数据库层：一主多从，TDSQL 同城强同步，异地异步复制。
- 应用层：无状态服务同时对外提供服务，主中心故障后，切换入口路由至异地备中心。
异地多活
异地多活的前提是架构能够实现两地三中心，并且在数据库层面做了水平分片，业务应用与数据库分片成组绑定。异地多活能够将故障范围缩小在单个分片内，并且减少数据库复杂度。一般对于数据量非常大的国家级银行/保险会采用这种架构。
方案又分为两种：异地互备与单元化，以下分开介绍
异地互备
数据库层面水平拆成两个实例分片，例如可以按地域拆成北方、南方。
部署方案：
- 微服务管控层：服务同城双活，异地不互通。
- 应用层：不同数据分片的应用异地多活，相同数据分片的应用同城双活，异地灾备。
- 数据库层：数据分片一主多从，不同分片异地互备。
容灾切换策略：如南方城市整体故障，入口处做 DNS 切换南方用户访问IP至北方。
单元化
一般如果数据量过大，单纯使用数据库 sharding 模式无法解决问题，可以考虑使用单元化架构。首先明确单元的定义，单元是一组计算资源和一组数据资源在逻辑上的绑定，设计的关键点包括：
1. 分片划分：考虑体量与业务，选择分区策略，尽量避免跨单元调用。
2. 部署单元设计：考虑容灾设计，单元与数据库分片绑定，同城单元双活，异地部署灾备单元。
3. 路由：TSF 提供能力在网关入口或服务入口计算单元化规则，对请求进行染色，后续请求按条件同单元路由，跨单元时通过网关调用。
部署方案：
- 微服务管控层：由于网关可能出现单元化要求有一个全局的服务注册中心。
- 应用层：每个地域包含全量单元分片，不同数据分片的应用异地多活，相同数据分片的应用同城双活，异地灾备。
- 数据库层：数据分片一主多从，不同分片异地互备。
单元异常分析：
- 整个地域故障转移：整体流量切换至另一个地域。
- 地域单个单元故障转移：除去应用代码本身问题，单元在物理上同城多中心分散部署，基本不可能出现一个城市某一个单元全部宕机。
基于单元化的异地多活
异地多活的概念澄清：
- 问题起源：单元化架构中另外一个核心考虑点是方便实现异地多活。在传统的同城双活、异地灾备架构中有一个广为诟病的问题，就是异地灾备的资源绝大部分时间没有实际服务于业务，购置部署之后，长期闲置，像一个久未上阵的战士，浪费了国家的军饷。 为了更好的提升资源的利用率，很多客户尤其是金融类客户进一步追求异地多活的架构，让异地的资源也能分担一部分流量，正常的处理业务。
- 这里要注意正确理解异地多活的概念。异地多活，并不是指全业务（包括全量应用和全量数据）可以活在 region A 又可以同时活在 region B（两地相距数百公里以上，符合灾备监管要求）；而是指部分业务在 region A 处理，部分在 region B 处理，没有哪个 region 是完全闲置的存在。 因为前者的做法不论是技术上还是经济成本上都代价太高。
- 单元化支持异地多活：单元化架构下，由于数据做了分片分单元处理，把不同的单元放在不同的 region 上处理。天然的实现了上面所提的异地多活充分利用机器资源的目标。各 region 在分单元处理业务的同时，也作为灾备中心为异地的其他单元提供应用和数据的异地灾备能力。
目前 TSF 产品已经实现单元化能力，同时为了实现单元化异地多活的诉求，TSF 在最新版中实现了跨地域多集群互相发现互相访问的能力，如下图所示。
- 实现原理不是基于一个跨地域的全局注册中心，因为目前TSF的注册中心还是Consul，Consul集群是CP模式，CP模式对于信息同步的延时性要求很高，Consul集群只能同城多节点高可用部署，不能异地部署。 所以目前TSF的异地访问，采用了单元网关寻址模式，由单元网关gateway寻找异地服务所在的另一个单元网关gateway，再基于Consul Access（无状态的前置层）到该集群的Consul注册中心拉取服务节点，实现跨地域服务访问。通过网关转发的模式，优点是单元封闭性好，访问链路清晰，出了问题容易追溯；缺点自然是增加了服务跳转次数，响应时间会有所增加。
- 未来TSF的注册中心还会融合进北极星注册中心，这是一种基于数据库主从方式存储信息的AP模式注册中心，能够更好的作为一个跨地域的全局注册中心。
总结
以上基于微服务架构，从各个分层对高可用方案分别展开剖析，各个分层对高可用架构的设计是相辅相成的，每个高可用方案下任何一层能力的缺失可能都无法达成期望的目标。上述所介绍的各种高可用架构，TSF 过去在各行业客户都有过落地，也积累了比较丰富的经验。总的来说，架构设计是在做取舍，没有完美的方案，一方面应遵循简单原则，架构设计越简单，越容易落地，运维复杂度越低，成本也越低，另一方面根据实际需求，如监管要求、部署现状、业务数据量等，结合客观条件限制选择合适的方案。