14.云原生之三高系统

云原生专栏大纲

三高系统如何支撑？

三高介绍

在计算机领域，"三高"通常指的是高性能（High Performance）、高可用性（High Availability）和高扩展性（High Scalability）。下面对这三个概念进行详细介绍：

1. 高性能（High Performance）：高性能是指系统或应用程序在单位时间内能够处理更多的工作量或请求。高性能系统通常具备较低的响应时间和较高的吞吐量。为了实现高性能，可以采用优化算法、并行计算、缓存技术、异步处理等方法。高性能对于需要处理大量数据、高并发请求或实时计算的应用程序非常重要。
2. 高可用性（High Availability）：高可用性是指系统或服务能够在面对故障或异常情况时保持持续可用和正常运行的能力。高可用性的系统通常具备故障容忍能力和快速恢复能力。为了实现高可用性，可以采用冗余设计、故障检测和自动切换机制、负载均衡等方法。高可用性对于关键业务应用、在线交易系统和服务级别协议（SLA）要求高的场景非常重要。
3. 高扩展性（High Scalability）：高扩展性是指系统或应用程序能够在面对不断增长的负载时保持性能和吞吐量的能力。高扩展性的系统通常具备水平扩展和垂直扩展的能力。水平扩展是通过增加更多的计算节点或服务器来增加系统的处理能力，而垂直扩展是通过增加单个计算节点或服务器的资源（如CPU、内存）来提升系统的性能。高扩展性对于应对用户增长、大规模数据处理和负载波动较大的场景非常重要。

这三个概念相互关联，但又各自强调不同的方面。高性能关注系统的处理能力和效率，高可用性关注系统的可靠性和连续性，高扩展性关注系统的可伸缩性和适应性。在实际应用中，往往需要综合考虑这三个因素，并根据具体需求进行权衡和优化，以构建出高效、稳定和可扩展的系统。

从运维、后端、架构职能视角看待三高

运维、后端和架构在实现"三高"方面各自扮演着重要的角色。

1. 运维团队负责监控和调优系统性能、实施冗余和备份策略、自动化运维和容灾恢复计划；
2. 后端开发团队负责优化业务逻辑、设计容错和故障恢复机制、实现可扩展的后端服务；
3. 架构师负责设计整体架构、选择合适的技术栈和组件、构建可扩展和高可用的系统。他们共同努力，确保系统稳定、高效地运行，并满足业务的需求。
   

运维视角

• 高性能：运维团队负责监控和管理系统的运行状态，包括服务器资源利用率、网络带宽、数据库性能等。他们需要保证系统的性能指标处于可接受的范围，并及时进行性能优化和调整，以满足业务需求。
• 高可用性：运维团队需要确保系统的高可用性，通过故障检测、自动化运维、灾难恢复等手段来减少系统的故障时间，并保证系统能够快速恢复正常运行。
• 高扩展性：运维团队需要根据业务发展和负载情况，合理规划系统的扩展策略，包括水平扩展和垂直扩展。他们需要确保系统能够随着业务的增长而无缝扩展，并保持高性能和高可用性。
  

后端视角

• 高性能：后端开发团队负责设计和实现系统的核心业务逻辑，他们需要优化算法、数据库查询、缓存策略等，以提高系统的处理能力和响应速度，从而实现高性能。
• 高可用性：后端开发团队需要考虑系统的容错能力和故障恢复机制，例如使用分布式事务、消息队列、异步处理等技术，以保证系统在面对故障时能够保持可用性。
• 高扩展性：后端开发团队需要设计可扩展的架构和组件，例如使用微服务架构、分布式计算、水平分片等，以支持系统的高扩展性，从而应对业务的增长和负载的变化。
  

架构视角

• 高性能：架构师需要设计系统的整体架构，包括选择合适的技术栈、组件和通信协议，以满足系统的性能需求。他们需要考虑系统的并发处理能力、数据存储和访问效率等方面，以实现高性能。
• 高可用性：架构师需要设计系统的容错和冗余机制，例如使用负载均衡、故障转移、多活部署等技术，以提高系统的可用性和故障恢复能力。
• 高扩展性：架构师需要设计可扩展的架构模式，例如分布式架构、弹性计算、自动化扩展等，以支持系统的高扩展性和弹性，从而适应业务的变化和负载的增长。

生产环境高可用的重要性

高可用性是指系统或服务能够在面对故障或异常情况时保持持续可用和正常运行的能力。在生产环境中，高可用性非常重要，以下是几个说明高可用性重要性的方面：

1. 业务连续性：对于许多企业和组织来说，业务连续性是至关重要的。如果系统发生故障或不可用，可能会导致业务中断，造成严重的经济损失和声誉损失。高可用性的设计和实施可以确保系统在面对故障时能够快速恢复并保持业务的连续性。
2. 用户体验：用户对于系统的可用性和响应速度有很高的期望。如果系统经常不可用或响应缓慢，用户可能会感到沮丧并转向竞争对手。通过实现高可用性，可以提供稳定、可靠和快速的用户体验，从而增强用户满意度和忠诚度。
3. 故障容忍：任何系统都可能遭遇硬件故障、软件错误、网络问题等各种故障。高可用性的设计可以帮助系统容忍这些故障，并在故障发生时自动切换到备用组件或节点，从而减少系统中断时间和服务不可用的风险。
4. 性能和可伸缩性：高可用性的系统往往需要具备良好的性能和可伸缩性。通过在系统中引入冗余组件和自动化扩展机制，可以提高系统的负载能力和处理能力，以满足不断增长的用户需求。
5. 故障恢复和维护：具备高可用性的系统可以更快地进行故障恢复和维护。当故障发生时，系统可以自动切换到备用组件或节点，减少手动干预和人工操作的需要。同时，系统的维护过程也可以更加平滑，因为可以在维护期间保持服务的可用性。

综上所述，高可用性对于生产环境至关重要。它可以保障业务连续性、提供优秀的用户体验、增强系统的故障容忍能力、提高性能和可伸缩性，并简化故障恢复和维护过程。在设计和部署系统时，应考虑高可用性的需求，并采取相应的措施来实现和维护高可用性。

如何实现三高系统

要实现高性能、高可用性和高扩展性的系统，可以考虑以下几个方面的实践：

1. 性能优化：
   • 优化算法和数据结构：通过选择高效的算法和数据结构，可以提高系统的处理能力和响应速度。
   • 缓存策略：使用适当的缓存机制，如内存缓存、分布式缓存等，可以减少对底层资源的访问，提高系统的性能。
   • 异步处理：将耗时的操作转化为异步任务，可以减少用户请求的等待时间，提高系统的并发处理能力。
2. 高可用性设计：
   • 冗余和备份：通过使用主备模式、集群部署、跨区域部署等手段，确保系统在单点故障时能够快速切换到备用组件或节点，保证系统的可用性。
   • 容错和故障恢复：设计容错机制，如使用熔断器、限流器、重试机制等，以及故障恢复策略，如自动故障检测、自动切换和自动恢复，以减少系统故障对用户的影响。
   • 监控和报警：建立全面的监控系统，实时监测系统的运行状态和性能指标，并设置合理的报警机制，及时发现和处理潜在的故障。
3. 可扩展架构设计：
   • 分布式架构：采用分布式架构，将系统拆分为多个独立的组件或服务，以提高系统的并发处理能力和可扩展性。
   • 弹性计算：利用云计算平台或容器编排工具，实现弹性计算，根据负载情况自动增加或减少计算节点，以满足系统的扩展需求。
   • 水平分片：将数据按照某种规则分散存储在多个节点上，实现数据的水平分片，以提高系统的存储容量和访问性能。
   • 负载均衡：使用负载均衡技术，如负载均衡器或反向代理，将请求分发到多个服务器上，平衡负载，提高系统的可扩展性和性能。
4. 自动化运维和容灾恢复：
   • 自动化部署：采用自动化部署工具，如持续集成/持续交付（CI/CD）工具，实现自动化的系统部署和更新，减少人工操作的风险和时间成本。
   • 容灾和恢复计划：制定容灾计划和恢复策略，包括定期备份数据、建立冷备份站点、制定灾难恢复计划等，以应对可能的灾难事件，并尽快恢复系统的正常运行。

除了上述提到的方面，还有一些补充的实践可以帮助实现高性能、高可用性和高扩展性的系统：

1. 水平扩展数据库：对于大规模数据存储和高并发读写的场景，可以考虑采用分布式数据库或数据库分片技术，将数据分散存储在多个节点上，以提高数据库的性能和扩展性。
2. 监控和调优：建立完善的监控系统，包括实时监测系统的性能指标、错误日志、请求日志等，通过监控数据分析和性能调优，及时发现系统瓶颈并进行优化，以提升系统的性能和稳定性。
3. 容量规划：根据业务需求和预估的用户量，进行容量规划，包括计算资源、存储空间、网络带宽等，确保系统能够满足未来的扩展需求，避免资源瓶颈导致性能下降。
4. 安全性考虑：在实现高性能、高可用性和高扩展性的同时，也要注重系统的安全性。采取合适的安全措施，如身份认证、访问控制、数据加密等，保护系统免受恶意攻击和数据泄露的风险。
5. 持续优化和演进：系统的优化和改进是一个持续的过程。定期进行性能评估、容量规划和系统调优，及时采取措施解决问题和改进系统，以适应业务的发展和变化。

综上所述，实现高性能、高可用性和高扩展性的系统需要综合考虑优化性能、设计高可用性策略、构建可扩展的架构，以及实施自动化运维和容灾恢复措施。这需要运维、后端和架构团队的协同努力，结合合适的技术和工具，根据具体业务需求进行设计和实施。通过合理的架构设计、性能优化、高可用性策略、自动化运维和持续优化，可以构建出稳定、高效、可扩展的系统，满足业务的需求。

云原生对三高系统的支持

云原生架构对于构建三高系统（高可用性、高性能和高可扩展性）非常有帮助。下面是云原生对三高系统的支撑：

1. 高可用性：
   • 云原生应用程序可以通过在多个可用区或多个云提供商的不同区域进行部署来实现高可用性。这种分布式部署策略可以确保即使发生整个区域或云提供商的故障，应用程序仍然可用。也可通过自建多中心机房，分布式部署k8s提供高可用支撑。
   • 容器编排平台提供的自动化管理功能可以监控应用程序的状态，并在节点或容器故障时自动重新调度和恢复应用程序。这种自动化的故障恢复机制可以显著减少系统停机时间。
2. 高性能：
   • 云原生应用程序可以通过水平扩展来实现高性能。容器编排平台可以根据负载情况自动扩展应用程序的实例数量，以满足高并发和大规模的请求。
   • 云原生应用程序可以利用容器化和微服务架构来实现高性能。容器化可以提供轻量级和快速启动的容器实例，从而减少应用程序的启动时间和资源占用。
   • 使用云原生技术，可以将应用程序拆分为微服务，每个微服务都可以独立扩展和优化，从而提高整体系统的性能。
3. 高可扩展性：
   • 云原生应用程序可以利用容器编排平台的弹性伸缩功能来实现高可扩展性。根据负载的变化，自动增加或减少容器实例的数量，以适应不同规模的工作负载。
   • 容器编排平台还提供了服务发现和负载均衡的功能，使得应用程序可以动态地将请求分发到可用的容器实例，从而实现水平扩展和负载均衡。使用云原生技术，可以将应用程序设计为松耦合的微服务架构，每个微服务可以独立扩展，从而实现系统的水平扩展。

总的来说，云原生架构提供了一种灵活、可靠和可扩展的方式来构建三高系统。它通过容器化、微服务架构和自动化管理等特性，使应用程序能够更好地应对高可用性、高性能和高可扩展性的需求。

总结

通过上述学习，小编总结脱离业务系统在基础架构层面，云原生天然支撑了三高系统，此时我们需要关注的就是基础设施的可用性和扩展性，这两点也就是k8s集群运维和k8s的容灾与恢复。参考《15.云原生之k8s容灾与恢复实战》 《3.云原生之kubesphere运维》。以及关注服务器资源利用率、网络带宽、数据库性能等，这儿不过多介绍。