分布式系统高可用设计
理解高可用系统
首先，我们需要理解什么是高可用，英文叫High Availability（Wikipedia词条），基本上来说，就是要让我们的计算环境（包括软硬件）做到full-time的可用性。在设计上一般来说，需要做好如下的设计：
- 对软硬件的冗余，以消除单点故障。任何系统都会有一个或多个冗余系统做standby
- 对故障的检测和恢复。检测故障以及用备份的结点接管故障点。这也就是failover
- 需要很可靠的交汇点（CrossOver）。这是一些不容易冗余的结点，比如域名解析，负载均衡器等。
听起似乎很简单吧，然而不是，细节之处全是魔鬼，冗余结点最大的难题就是对于有状态的结点的数据复制和数据一致性的保证（无状态结点的冗余相对比较简单）。冗余数据所带来的一致性问题是魔鬼中的魔鬼：
- 如果系统的数据镜像到冗余结点是异步的，那么在failover的时候就会出现数据差异的情况。
- 如果系统在数据镜像到冗余结点是同步的，那么就会导致冗余结点越多性能越慢。
所以，很多高可用系统都是在做各种取舍，这需要比对着业务的特点来的，比如银行账号的余额是一个状态型的数据，那么，冗余时就必需做到强一致性，再比如说，订单记录属于追加性的数据，那么在failover的时候，就可以到备机上进行追加，这样就比较简单了（阿里目前所谓的异地双活其实根本做不到状态型数据的双活）。
下面，总结一下高可用的设计原理：
- 要做到数据不丢，就必需要持久化
- 要做到服务高可用，就必需要有备用（复本），无论是应用结点还是数据结点
- 要做到复制，就会有数据一致性的问题。
- 我们不可能做到100%的高可用，也就是说，我们能做到几个9个的SLA。
如何实现高可用
入口层
入口层，通常指Nginx和Apache等层面的东西，负责应用（不管是Web应用还是移动应用）的服务入口。我们通常会将服务定位在一个IP，如果这个IP对应的服务器当机了，那么用户的访问肯定会中断。此时，可以用keepalived来实现入口层的高可用。例如，机器A 的IP是 1.2.3.4，机器 B 的 IP 是 1.2.3.5, 那么再申请一个 IP 1.2.3.6（称为⼼跳IP）, 平时绑定在机器A上,如果A当机，IP会自动绑定在机器B上；如果B当机，IP会自动绑定在机器A上。对于这种形式，我们将DNS绑定到心跳IP上，即可实现入口层的高可用。
这里要注意，keepalived在使用上会有一些限制。但这个方案有一点小问题。第一，它的切换可能会有一到两秒的中断，也就是说，如果不是要求到非常严格的毫秒级就不会有问题。第二，对入口的机器会有些浪费，因为买了两台机器的入口，可能就只有一台机器用上。对一些长连接的应用可能会导致服务中断，这时候就需要客户端做配合做一些重新创建连接的工作。简单来说，对于比较普通的业务来说，这个方案就能解决一部分问题。
- 两台机器必须在同一个网段，不是在同一个网段，没有办法实现互相抢IP。
- 内网服务也可以做心跳，但需要注意的是，以前为了安全我们会把内网服务绑定在内网IP上，避免出现安全问题。但为了使用keepalived，必须监听在所有IP上（如果监听在心跳IP上，那么机器没有持有该IP时，服务无法启动），简单的方案是启用 iptables, 避免内网服务被外网访问。
- 服务器利用率下降，这时可以考虑做混合部署来改善这一点。
比较常见的一个错误是，如果有两台机器，两个公网IP，DNS上把域名同时定位到两个IP，就觉得已经做了高可用了。这完全不是高可用，因为如果一台机器当机,那么就有一半左右的用户无法访问。
除了keepalive，lvs也能用来解决入口层的高可用问题。不过，与keepalived相比，lvs会更复杂一些，门槛也会高一些。
业务层
业务层通常是由PHP、Java、Python、Go等写的逻辑代码构成的，需要依赖于后台数据库及一些缓存层面的东西。如何实现业务层的高可用呢？最核心的就是，业务层不要有状态,将状态分散到缓存层和数据库。目前大家通常喜欢将以下几种数据放入业务层。
第一个是session，即用户登录相关的数据，但好的做法是将session放在数据库里，或者一个比较稳定的缓存系统中。
第二个是缓存，在访问数据库时，如果一个查询很慢，就希望将这些结果暂时放到进程里，下次再做查询时就不用再访问数据库了。这种做法带来的问题是，当业务层服务器不只一台时，数据很难做到一致，从缓存拿到的数据就可能是错误的。。
一个简单的原则就是业务层不要有状态。在业务层没有状态时，一台业务层服务器当掉了之后，Nginx/Apache会自动将所有的请求打到另外一台业务层的服务器上。由于没有状态，两台服务器没有任何差异，所以用户完全感受不到。如果把session放在业务层里面的话，那么面临的问题是，这个用户以前是登录在一台机器上的，这个进程死掉后，用户就会被登出了。
友情提醒：有一段时间比较流行cookie session，就是将session中的数据加密之后放在客户的cookie里，然后下发到客户端，这样也能做到与服务端完全无状态。但这里面有很多坑，如果能绕过这些坑就可以这样使用。第一个坑是怎么保证加密的密钥不泄露，一旦泄露就意味着攻击者可以伪造任何人的身份。第二个坑是重放攻击，如何避免别人通过保存 cookie 去不停地尝试的验证码，当然也还有其他一些攻击手段。如果没有好办法解决这两方面的问题，那么cookie session尽量慎用。最好是将session放在一个性能比较好的数据库中。如果数据库性能不行，那么将session放在缓存中也比放在cookie里要好一点。
缓存层
非常简单的架构里是没有缓存这个概念的。但在访问量上来之后，MySQL之类的数据库扛不住了，比如在SATA盘里跑MySQL，QPS到达200、300甚至500时，MySQL的性能会大幅下降，这时就可以考虑用缓存层来挡住绝大部分服务请求，提升系统整体的容量。
缓存层做高可用一个简单的方法就是，将缓存层分得细一点儿。比如说，缓存层就一台机器的话，那么这台机器当了以后，所有应用层的压力就会往数据库里压，数据库扛不住的话，整个网站（或应用）就会随之当掉。而如果缓存层分在四台机器上的话，每台只有四分之一，这台机器当掉了以后，也只有总访问量的四分之一会压在数据库上面，数据库能扛住的话，网站就能很稳定地等到缓存层重新起来。在实践中，四分之一显然是不够的，我们会将它分得更细，以保证单台缓存当机后数据库还能撑得住即可。在中小规模下，缓存层和业务层可以混合部署,这样可以节省机器。
数据库层
在数据库层面实现高可用，通常是在软件层面来做。例如，MySQL有主从模式(Master-Slave)，还有主主模式(Master-Master)都能满足需求。MongoDB也有ReplicaSet的概念,基本都能满足大家的需求。
总之，要想实现高可用，需要做到这几点：入口层做心跳，业务层服务器无状态，缓存层减小粒度，数据库做一个主从模式。对于这种模式来讲，我们做的高可用不需要太多服务器，这些东西都可以同时部署在两台服务器上。这时，两台服务器就能满足早期的高可用需求了。任何一台服务器当机用户完全无感知。
如何实现可伸缩
入口层
在入口层实现伸缩性，可以通过直接水平扩机器，然后DNS加IP来实现。但需要注意，尽管一个域名解析到几十个IP没有问题,但是很多浏览器客户端只会使用前几个IP,部分域名供应商对此有优化(如每次返回的IP顺序随机),但这个优化效果不稳定。
推荐的做法是使用少量的Nginx机器作为入口,业务服务器隐藏在内网(HTTP类型的业务这种方式居多)。另外,也可以把所有IP下发到客户端，然后在客户端做一些调度(特别是非HTTP型的业务,如游戏、直播)。
业务层
业务层的伸缩性如何实现?与做高可用时的解决方案一样,要实现业务层的伸缩性，保证无状态是很好的手段。此外，加机器继续水平部署即可。
缓存层
比较麻烦的是缓存层的伸缩性，最简单粗暴的方式是什么呢？趁着半夜量比较低的时候，把整个缓存层全部下线，然后上线新的缓存层。新的缓存层启动起来之后，再等这些缓存慢慢预热。当然这里一个要求，你的数据库能抗住低估期的请求量。如果扛不住呢？取决于缓存类型，下面我们先可以将缓存的类型区分一下。
- 强一致性缓存：无法接受从缓存拿到错误的数据 (比如用户余额，或者会被下游继续缓存这种情形)
- 弱一致性缓存：能接受在一段时间内从缓存拿到错误的数据 (比如微博的转发数)。
- 不变型缓存：缓存key对应的value不会变更 (比如从SHA1推出来的密码, 或者其他复杂公式的计算结果)。
那什么缓存类型伸缩性比较好呢？弱一致性和不变型缓存的扩容很方便,用一致性Hash即可；强一致性情况稍微复杂一些，稍后再讲。使用一致性Hash，而不用简单Hash的原因是缓存的失效率。如果缓存从9台扩容到10台,简单Hash 情况下90%的缓存会马上失效,而如果使用一致性Hash情况,只有10%的缓存会失效。
那么，强一致性缓存会有什么问题？第一个问题是，缓存客户端的配置更新时间会有微小的差异,在这个时间窗内有可能会拿到过期的数据。第二个问题是，如果扩容之后再裁撤节点,会拿到脏数据。比如 a 这个key之前在机器1，扩容后在机器2，数据更新了，但裁撤节点后key回到机器1，这时候就会拿到脏数据。
要解决问题2比较简单，要么保持永不减少节点,要么节点调整间隔大于数据的有效时间。问题1可以用如下的步骤来解决：
- 两套hash配置都更新到客户端，但仍然使用旧配置；
- 逐个客户端改为只有两套hash结果一致的情况下会使用缓存，其余情况从数据库读，但写入缓存；
- 逐个客户端通知使用新配置。
Memcache 设计得比较早，导致在伸缩性高可用方面的考虑得不太周到。Redis 在这方面有不少改进，特别是 @ngaut 团队基于 redis 开发了 codis 这个软件，一次性地解决了缓存层的绝大部分问题。推荐大家考察一下。
数据库
在数据库层面实现伸缩，方法很多，文档也很多，此处不做过多赘述。大致方法为：水平拆分、垂直拆分和定期滚动。
总之，我们可以在入口层、业务层面、缓存层和数据库层四个层面，使用刚才介绍的方法和技术实现系统高可用和可伸缩性。具体为：在入口层用心跳来做到高可用，用平行部署来伸缩；在业务层做到服务无状态；在缓存层，可以减小一些粒度，以方便实现高可用，使用一致性Hash将有助于实现缓存层的伸缩性；数据库层的主从模式能解决高可用问题，拆分和滚动能解决可伸缩问题。