架构设计系列之基础设施能力建设
周末聊两句：
- 今天将的基础设施能力建设部分，一般的架构书籍中都不存在的部分，这是我在实践过程中的经验和能力总结部分，希望和大家有一个很好的交流
- 自从在 WeChat 中开了订阅号的两周半的时间，非常感谢大家的支持，在两周多的过程中，很多朋友留言咨询，为了给大家一个及时的反馈，我也决定每周日在订阅号开一个问答的专题，有兴趣的可以关注订阅号进行交流：灸哥漫谈
在软件架构设计中，基础设施建设是确保系统稳健运行、性能优越、易于管理的关键组成部分。从架构设计的角度来看，基础设施包括了诸多方面，如可视化、诊断、模拟、变更评估、多地部署、异地多活和单元化。这些方面共同构成了一个健全、灵活且高效的基础设施，为系统的持续演进和应对变化提供了坚实的基础。
一、架构可视化
架构可视化是通过图形化手段清晰呈现系统的架构结构、组件之间的关系以及数据流动。可视化有助于团队理解、沟通和协作，提高整体开发过程的透明度。通过使用工具或图形标记语言，架构师可以创建易于理解的图表，使各利益相关者更容易把握系统的全貌，从而更好地做出决策和调整。
架构可视化在软件开发中扮演着至关重要的角色，它不仅使团队成员和协作部门更容易理解系统架构，提高协作效率，还有助于开发者迅速发现问题和瓶颈，以便及时采取优化措施。以下是一些常见的架构可视化内容：
1 、架构大图
架构大图是系统组件和关联关系的图形表示，有助于理解系统复杂性、进行系统设计和管理。除了应用架构图、系统架构图、数据架构图外，物理架构图和运维架构图也是关键的组成部分。物理架构图显示系统在物理硬件上的部署，而运维架构图展示了系统的运维结构和流程，包括监控、日志、自动化运维等。
后续专门部门介绍如何画架构图
2 、链路依赖
链路依赖图是系统中模块、组件或系统之间的关系图，帮助理解系统的组成和功能，以及它们之间的关系。对于强依赖，架构师可以从设计层面入手，进行有针对性的优化，提高系统的整体性能。
问题：在软件架构设计过程中，如何有效应对强依赖？
在设计过程中，可以采用以下策略：
- 模块化设计：将系统划分为相对独立的模块，降低模块间的直接依赖
- 接口规范：定义清晰的接口规范，减少接口变更对其他模块的影响
- 异步通信：使用消息队列等异步通信方式，降低模块之间的实时性依赖
- 松耦合设计：避免强依赖的设计，采用松耦合的方式实现系统功能
3 、业务场景
业务场景大图通过可视化展示复杂业务场景的组成部分，为团队提供全局视角，帮助理解业务需求、挑战和亮点。它是一个强大的沟通工具，有助于团队对业务目标的一致理解，同时也为系统架构的演进提供指导。
4 、数据流向
数据流向图以可视化的方式展示系统中数据的流动和处理过程。通过工具，架构师可以清晰地表达数据源、目的地以及数据在系统中的处理路径。这有助于团队更好地理解数据的流向，减少误解和错误。
5 、资源依赖
资源依赖的可视化是为了清晰地了解系统中各组件对资源（如内存、CPU等）的使用情况。通过分析资源依赖，架构师可以合理分配资源，提高系统的性能和效能。
提示：在资源使用方面，需要定义明确的指标，并通过可视化工具监控和分析资源的实际使用情况。
6 、熔断/限流
熔断和限流的可视化是为了实时监控系统的流量状况，动态调整熔断和限流的阈值。采用工具如 Hystrix 等可以轻松实现熔断和限流，确保系统在高负载情况下稳定运行。
提示：通过可视化监控工具，可以直观地了解系统的流量情况，及时调整熔断和限流策略。
7 、数据大盘
数据大盘是一种高度定制的可视化工具，根据需求展示多种数据指标，为决策者提供及时有效的信息支持。通过数据大盘，可以实时监控系统的运行状态，提高对系统健康状况的实时了解。
提示：在设计数据大盘时，需要根据业务需求选择合适的指标，并设计直观清晰的展示方式，以便决策者迅速获取关键信息。
二、架构诊断
架构诊断是通过对系统架构的深入分析，找出潜在问题、瓶颈和优化点。通过诊断，架构师可以评估系统的性能、可维护性、安全性等关键指标，并提出改进建议。架构诊断有助于及早发现和解决问题，确保系统在长期演进中能够保持健康状态。
架构诊断是为了找出架构中存在的问题和瓶颈，并确定可行的解决方案。通过指标收集、相互依赖关系评估以及定期架构 Review 等方式进行架构诊断，以下是对架构诊断一般包括的内容：
1 、指定链路抓取
指定链路抓取是为了获取指定链路上的各种数据信息，通过网络协议或服务协议进行抓取，然后分析这些数据来辅助优化链路性能或发现问题。在实际操作中，需要注意以下几点：
- 数据价值： 确保抓取的数据具有价值，能够提供有用的信息
- 性能开销： 避免引入过多的采样点，以免对系统性能产生负担
2 、链路风险报告
链路风险报告是用于评估链路的安全性和可用性的风险分析工具。通过对链路风险的分析，可以及早发现潜在威胁，提高链路的稳定性。在使用链路风险报告时，需要注意：
- 工具选择： 使用专门的工具如安全扫描器或模拟攻击工具，以获取准确的链路风险报告
- 及时修复： 及时修复报告中指出的潜在风险，加强链路的安全性
3 、服务跟踪
服务跟踪是用于识别系统瓶颈和问题的工具。有两种常见的跟踪方式：
- 采样跟踪： 在少量样本上进行跟踪，选择代表性的一小部分流量，快速发现问题
- 染色跟踪： 针对诡异问题，通过染色跟踪可以识别系统中极少部分出错的用户和场景，便于快速定位故障源
4 、识别复杂性
在架构设计和演进中，对系统复杂性的识别有助于降低风险。在具体实践中，通过追踪代码结构、检查冗余代码和查看拓扑结构等方式，来确定系统的复杂性，然后进行相应的优化。关键点包括：
- 模块化设计： 将系统划分为相对独立的模块，降低模块间的直接依赖
- 接口规范： 定义清晰的接口规范，减少接口变更对其他模块的影响
5 、流量效能
流量效能是表示系统容量、带宽和延迟等性能的重要指标。通过工具对流量效能进行评估，再分析结果进行针对性的优化，包括负载均衡策略、缓存优化和网络传输优化等。
6 、智能异常检测
智能异常检测利用云原生工具、大数据和AI等方法对系统进行异常检测，识别异常场景，及时发现潜在问题。在实践中，可以使用机器学习等技术进行实时监控，捕获可疑活动，并发出警告。关键点包括：
- 异常检测工具： 选择适用的工具，如网络入侵检测系统，进行实时监控和异常检测
- 实时响应： 及时响应异常情况，采取有效措施，确保系统安全和稳定
通过以上架构诊断的优化，可以更有效地发现和解决架构中存在的问题，提高系统的性能和稳定性。
三、架构模拟
架构模拟是通过模拟环境来验证系统架构在不同条件下的行为。通过模拟，架构师可以评估系统在负载增加、异常情况下的表现，以及对新功能的支持能力。架构模拟有助于预测系统的性能状况，指导决策和规划未来的扩展。
架构模拟是一个有助于预测和识别潜在风险的工具，通过模拟未来可能出现的情况，可以提前采取预防措施。
1 、预测模拟
预测模拟基于现有的数据，模拟未来可能的情况，如用户增长、负载增加等，并研究它们对未来的影响。在进行预测模拟时，需要关注以下关键点：
- 数据质量和准确性： 保证模拟数据的质量和准确性，以确保模拟结果的有效性
- 实际情况基础： 模拟应基于实际情况，考虑各种变化和不确定性因素，以提高预测的准确性
- 预测未来走势： 利用大数据技术和机器学习算法，通过历史数据模拟未来走势，帮助系统做出更科学的决策
举例： 对于电商平台，预测模拟可以基于历史销售数据和市场趋势，模拟未来的用户访问量、购买行为，从而调整系统的资源分配和应对未来可能的高峰。
2 、压测模拟
压测模拟使用真实数据，对目标系统进行压力测试，以了解系统的极限条件，便于计划升级或扩大规模。在进行压测模拟时，需要注意以下关键点：
- 合理的预测和目标设定： 在压测前，要根据具体场景进行相对合理的预测，并设定预期的压测目标，从而更加贴近实际情况
- 模拟参数设置： 设置合理的模拟参数，包括并发用户数、请求频率等，确保压测的真实性和有效性
- 压测数据准备： 准备真实的压测数据，以确保压测结果更加真实可信
- 结果评估和分析： 对压测结果进行全面的评估和分析，识别系统的性能瓶颈，为系统调整提供参考
举例： 云视频流媒体服务可以通过压测模拟来测试在大量用户同时访问的情况下，系统的性能表现，从而合理规划带宽和服务器资源，以应对高峰期的流量需求。
通过对预测模拟和压测模拟的优化，可以更准确地预见未来可能的挑战和系统极限，有针对性地进行系统优化和准备。
四、架构变更评估
架构变更评估是对系统进行变更前后影响的全面评估。在进行架构调整或升级时，架构师需要考虑变更对系统性能、稳定性和功能的影响。通过全面的评估，可以降低变更引入问题的风险，确保系统的稳定性和可维护性。
评估架构变更的过程是确保架构改变不会带来负面效果的关键步骤。
1 、评估过程
- 确定架构变更的目标：在开始评估之前，明确架构变更的目标是非常关键的。这包括理解为何需要变更、期望达到什么样的效果、变更的长期和短期影响等。明确目标有助于更有针对性地进行后续评估
- 比较变更前后的状态：对变更前后的状态进行全面比较，包括系统性能、可维护性、安全性等各方面。通过量化指标和实际场景的对比，清晰地了解变更可能带来的变化
- 风险评估：进行全面的风险评估，包括但不限于以下方面：
- 潜在影响： 评估变更可能对现有架构造成的潜在影响，包括性能、稳定性、安全性等方面
- 兼容性问题： 考虑新旧系统、组件之间的兼容性，确保变更不会引发不兼容或冲突问题
- 业务连续性： 评估变更对业务连续性的影响，尽量减少对业务的中断
- 影响范围评估：评估变更的执行可能带来的影响范围，包括但不限于：
- 系统模块： 确定变更可能影响的具体系统模块，了解变更对整体架构的涉及程度
- 用户： 评估变更对系统用户的影响，尤其是终端用户
- 数据流： 考虑变更可能对数据流程和数据传输造成的影响
- 成本估算：对变更的执行成本进行估算，包括但不限于：
- 开发成本： 变更的实际开发成本，包括人力、资源等
- 维护成本： 变更后系统的维护成本，包括日常运营、修复漏洞等
- 时间成本： 评估变更所需时间，确保在可接受的时间范围内完成
2、综合评估
在以上步骤完成后，综合考虑变更的利弊，权衡风险与收益，选择最优的方案。确保变更是基于充分的了解和评估之上做出的决策。
通过更加全面、系统的评估流程，可以最大程度地减少架构变更可能带来的负面影响，确保系统的稳定性和可维护性。
五、多地部署
多地部署是指将系统的不同组件或整个系统部署到不同的地理位置。这有助于提高系统的容错性、可用性和性能。架构师需要考虑如何有效地在多个地点部署系统，并确保数据的一致性和安全性。
多地部署是一项关键的架构决策，它为应用提供了高可用性、容错性和更好的性能。
1 、决策服务和技术的地区使用
在进行多地部署之前，明确哪些服务和技术在哪些地区使用是至关重要的。考虑用户分布、数据备份需求、法规合规性等因素，选择合适的地理位置进行服务部署。
2、使用虚拟化技术
采用虚拟化技术，如 Docker 和 Kubernetes，将应用程序拆分为可重用的组件。这有助于灵活部署和扩展，同时简化本地开发和测试流程。
3 、考虑网络安全
在构建多地部署的网络连接时，安全性是首要考虑因素。使用加密通信、安全认证等手段来保障数据传输的隐私和完整性。
4 、自动化CI/CD流程
建立自动化的持续集成和持续部署（CI/CD）流程，确保代码和配置的快速更新。这有助于保持高度稳定的系统，并降低部署新功能或修复问题的时间。
5 、引入监控工具
使用专业的监控工具来实时监测系统的各个方面。及时发现并解决问题，确保系统在多地部署的各个节点上正常运行。这包括性能监测、错误追踪、日志管理等。
6、常用策略
- CDN加速： 利用内容分发网络（CDN）将静态资源缓存到离用户更近的边缘节点，提高用户访问速度
- 多区域云部署： 利用云服务提供商在多个区域进行部署。云平台的灵活性和弹性能够有效支持多地部署的需求
- 数据库复制： 在多个地理位置复制数据库，提高读取性能和可用性。使用数据库复制技术，确保数据在多个节点之间的同步
通过综合运用上述策略，可以构建高度可用、性能优越的多地部署系统，更好地服务全球用户，并在发生故障时提供容错能力。
六、异地多活
异地多活是一种架构模式，允许系统在不同地理位置的多个节点上同时执行操作，并确保这些节点之间的数据同步。这有助于提高系统的可用性和容错性，降低单点故障的风险。
异地多活是构建高可用性、可伸缩性系统的关键策略之一，常见技术上的关键点：
1 、分布式架构
确保系统采用分布式架构，通过网络将不同地域的服务组织起来。这涉及到服务的水平扩展和合理的服务拆分，以适应异地多活的需求。
2 、冗余备份
在不同地域构建冗余系统，确保服务的连续性。使用冗余备份策略，当一个地域发生故障时，流量可以迅速切换到备用地域，降低停机时间。
3 、容错
实现容错机制，包括在系统设计中考虑到各种故障情况，使用自动化工具进行故障转移，以保障系统在单一点故障时的可用性。
4 、数据一致性
维护不同地域间的数据一致性是异地多活的一个关键挑战。采用合适的数据库复制、同步和分片策略，确保数据在多地域之间的一致性。
5 、负载均衡
在多个地域之间分配负载，通过智能的负载均衡策略提高性能和可用性。这包括全局负载均衡和就近访问策略，确保用户访问的快速响应。
6 、性能监控
建立全面的性能监控系统，监控各个地域的服务性能。实时掌握系统运行状况，通过监控数据进行对应优化，提高服务的整体性能。
7 、网络安全
加强网络安全，采用合适的安全协议和加密技术，确保系统免受网络攻击和其他安全威胁。定期进行安全审计和漏洞扫描，保持系统的安全性。
七、单元化
单元化是指将系统划分为相互独立的单元，每个单元负责特定的业务功能。这种模块化的设计有助于提高系统的可维护性、可扩展性和灵活性。通过合理的单元化，系统可以更容易地进行调试、测试和升级。
单元化是一种有效的架构设计原则，包括：
1 、小粒度
确保每个单元足够小巧，这有助于提高代码的可维护性和可理解性。每个单元应专注于狭小的功能范围，使其易于开发和测试。
2 、松耦合
模块之间的耦合应该尽可能少，以降低系统复杂性。通过定义清晰的接口和契约，减少模块之间的直接依赖，从而实现高内聚、低耦合的设计。
3 、可扩展性
确保单元具有良好的可扩展性，即可以轻松地添加新功能或替换旧功能。采用松耦合的设计和模块化的架构，有助于系统灵活地适应变化。
4 、易部署
每个单元都应该是可重复使用的，并且容易安装和部署。自动化部署工具和容器化技术（如Docker）可以帮助简化部署过程，提高整体效率。
5 、良好封装
确保每个单元是完整的、独立的，有自己的数据存储和服务接口，对外部世界不可见。这有助于保持模块的隔离性，减少不必要的外部依赖。
6 、单元独立性和可用性
在单元化部署时，要确保每个单元的独立性和可用性。每个模块应能够在自己的环境中运行，不受其他模块的影响。采用容错机制和备用节点策略，确保在某个单元发生故障时，系统依然可用。
7 、依赖关系管理
注意单元之间的依赖关系，并将其转换为跨单元的调用。明确定义接口和依赖关系，确保单元之间的通信是可靠和高效的。
8 、容错机制
在单元化的场景中，建立健全的容错机制是至关重要的。采用备用节点、重试策略等手段，提高系统的可用性，确保在异常情况下系统依然能够正常运行。
通过综合考虑以上原则，可以实现一个高度可维护、可扩展且高度可用的单元化部署系统，为系统的长期发展提供稳固的基础。