Tumblr：150亿月浏览量背后的架构挑战

导读：和许多新兴的网站一样，著名的轻博客服务Tumblr在急速发展中面临了系统架构的瓶颈。每天5亿次浏览量，峰值每秒4万次请求，每天3TB新的数据存储，超过1000台服务器，这样的情况下如何保证老系统平稳运行，平稳过渡到新的系统，Tumblr正面临巨大的挑战。近日，HighScalability网站的Todd Hoff采访了该公司的分布式系统工程师Blake Matheny，撰文系统介绍了网站的架构，内容很有价值。我们也非常希望国内的公司和团队多做类似分享，贡献于社区的同时，更能提升自身的江湖地位，对招聘、业务发展都好处多多。欢迎通过@CSDN云计算的微博向我们投稿。

以下为译文的第一部分。第二部分点这里。（括号内小号字为CSDN编辑所注）：

Tumblr每月页面浏览量超过150亿次，已经成为火爆的博客社区。用户也许喜欢它的简约、美丽，对用户体验的强烈关注，或是友好而忙碌的沟通方式，总之，它深得人们的喜爱。

每月超过30%的增长当然不可能没有挑战，其中可靠性问题尤为艰巨。每天5亿次浏览量，峰值每秒4万次请求，每天3TB新的数据存储，并运行于超过1000台服务器上，所有这些帮助Tumblr实现巨大的经营规模。

创业公司迈向成功，都要迈过危险的迅速发展期这道门槛。寻找人才，不断改造基础架构，维护旧的架构，同时要面对逐月大增的流量，而且曾经只有4位工程师。这意味着必须艰难地选择应该做什么，不该做什么。这就是Tumblr的状况。好在现在已经有20位工程师了，可以有精力解决问题，并开发一些有意思的解决方案。

Tumblr最开始是非常典型的LAMP应用。目前正在向分布式服务模型演进，该模型基于Scala、HBase、Redis（著名开源K-V存储方案）、Kafka（Apache项目，出自LinkedIn的分布式发布-订阅消息系统）、Finagle（由Twitter开源的容错、协议中立的RPC系统），此外还有一个有趣的基于Cell的架构，用来支持Dashboard（CSDN注：Tumblr富有特色的用户界面，类似于微博的时间轴）。

Tumblr目前的最大问题是如何改造为一个大规模网站。系统架构正在从LAMP演进为最先进的技术组合，同时团队也要从小的创业型发展为全副武装、随时待命的正规开发团队，不断创造出新的功能和基础设施。下面就是Blake Matheny对Tumblr系统架构情况的介绍。

网站地址

http://www.tumblr.com/

主要数据

•     每天5亿次PV（页面访问量）
•     每月超过150亿PV
•     约20名工程师
•     峰值请求每秒近4万次
•     每天超过1TB数据进入Hadoop集群
•     MySQL/HBase/Redis/memcache每天生成若干TB数据
•     每月增长30%
•     近1000硬件节点用于生产环境
•     平均每位工程师每月负责数以亿计的页面访问
•     每天上传大约50GB的文章，每天跟帖更新数据大约2.7TB（CSDN注：这两个数据的比例看上去不太合理，据Tumblr数据科学家Adam Laiacano在Twitter上解释，前一个数据应该指的是文章的文本内容和元数据，不包括存储在S3上的多媒体内容）

软件环境

•     开发使用OS X，生产环境使用Linux（CentOS/Scientific）
•     Apache
•     PHP, Scala, Ruby
•     Redis, HBase, MySQL
•     Varnish, HAProxy, nginx
•     memcache, Gearman（支持多语言的任务分发应用框架）, Kafka, Kestrel（Twitter开源的分布式消息队列系统）, Finagle
•     Thrift, HTTP
•     Func——一个安全、支持脚本的远程控制框架和API
•     Git, Capistrano（多服务器脚本部署工具）, Puppet, Jenkins

硬件环境

•     500台Web服务器
•     200台数据库服务器（47 pool，20 shard）
•     30台memcache服务器
•     22台Redis服务器
•     15台Varnish服务器
•     25台HAproxy节点
•     8台nginx服务器
•     14台工作队列服务器（Kestrel + Gearman）

架构

    1. 相对其他社交网站而言，Tumblr有其独特的使用模式：

•     每天有超过5千万篇文章更新，平均每篇文章的跟帖又数以百计。用户一般只有数百个粉丝。这与其他社会化网站里少数用户有几百万粉丝非常不同，使得Tumblr的扩展性极具挑战性。
•     按用户使用时间衡量，Tumblr已经是排名第二的社会化网站。内容的吸引力很强，有很多图片和视频，文章往往不短，一般也不会太长，但允许写得很长。文章内容往往比较深入，用户会花费更长的时间来阅读。
•     用户与其他用户建立联系后，可能会在Dashboard上往回翻几百页逐篇阅读，这与其他网站基本上只是部分信息流不同。
•     用户的数量庞大，用户的平均到达范围更广，用户较频繁的发帖，这些都意味着有巨量的更新需要处理。

    2. Tumblr目前运行在一个托管数据中心中，已在考虑地域上的分布性。

    3. Tumblr作为一个平台，由两个组件构成：公共Tumblelogs和Dashboard

•     公共Tumblelogs与博客类似（此句请Tumblr用户校正），并非动态，易于缓存
•     Dashboard是类似于Twitter的时间轴,用户由此可以看到自己关注的所有用户的实时更新。与博客的扩展性不同，缓存作用不大，因为每次请求都不同，尤其是活跃的关注者。而且需要实时而且一致，文章每天仅更新50GB，跟帖每天更新2.7TB，所有的多媒体数据都存储在S3上面。
•     大多数用户以Tumblr作为内容浏览工具，每天浏览超过5亿个页面，70%的浏览来自Dashboard。
•     Dashboard的可用性已经不错，但Tumblelog一直不够好，因为基础设施是老的，而且很难迁移。由于人手不足，一时半会儿还顾不上。

老的架构

Tumblr最开始是托管在Rackspace上的，每个自定义域名的博客都有一个A记录。当2007年Rackspace无法满足其发展速度不得不迁移时，大量的用户都需要同时迁移。所以他们不得不将自定义域名保留在Rackspace，然后再使用HAProxy和Varnish路由到新的数据中心。类似这样的遗留问题很多。

开始的架构演进是典型的LAMP路线：

• 最初用PHP开发，几乎所有程序员都用PHP
• 最初是三台服务器：一台Web，一台数据库，一台PHP
• 为了扩展，开始使用memcache，然后引入前端cache，然后在cache前再加HAProxy，然后是MySQL sharding（非常奏效）
• 采用“在单台服务器上榨出一切”的方式。过去一年已经用C开发了两个后端服务：ID生成程序和Staircar（用Redis支持Dashboard通知）

Dashboard采用了“扩散-收集”方式。当用户访问Dashboard时将显示事件，来自所关注的用户的事件是通过拉然后显示的。这样支撑了6个月。由于数据是按时间排序的，因此sharding模式不太管用。 

新的架构

由于招人和开发速度等原因，改为以JVM为中心。目标是将一切从PHP应用改为服务，使应用变成请求鉴别、呈现等诸多服务之上的薄层。

这其中，非常重要的是选用了Scala和Finagle。

• 在团队内部有很多人具备Ruby和PHP经验，所以Scala很有吸引力。
• Finagle是选择Scala的重要因素之一。这个来自Twitter的库可以解决大多数分布式问题，比如分布式跟踪、服务发现、服务注册等。
• 转到JVM上之后，Finagle提供了团队所需的所有基本功能（Thrift, ZooKeeper等），无需再开发许多网络代码，另外，团队成员认识该项目的一些开发者。
• Foursquare和Twitter都在用Finagle，Meetup也在用Scala。
• 应用接口与Thrift类似，性能极佳。
• 团队本来很喜欢Netty（Java异步网络应用框架，2月4日刚刚发布3.3.1最终版），但不想用Java，Scala是不错的选择。
• 选择Finagle是因为它很酷，还认识几个开发者。

之所以没有选择Node.js，是因为以JVM为基础更容易扩展。Node的发展为时尚短，缺乏标准、最佳实践以及大量久经测试的代码。而用Scala的话，可以使用所有Java代码。虽然其中并没有多少可扩展的东西，也无法解决5毫秒响应时间、49秒HA、4万每秒请求甚至有时每秒40万次请求的问题。但是，Java的生态链要大得多，有很多资源可以利用。

内部服务从C/libevent为基础正在转向Scala/Finagle为基础。

开始采用新的NoSQL存储方案如HBase和Redis。但大量数据仍然存储在大量分区的MySQL架构中，并没有用HBase代替MySQL。HBase主要支持短地址生产程序（数以十亿计）还有历史数据和分析，非常结实。此外，HBase也用于高写入需求场景，比如Dashboard刷新时一秒上百万的写入。之所以还没有替换HBase，是因为不能冒业务上风险，目前还是依靠人来负责更保险，先在一些小的、不那么关键的项目中应用，以获得经验。MySQL和时间序列数据sharding（分片）的问题在于，总有一个分片太热。另外，由于要在slave上插入并发，也会遇到读复制延迟问题。

此外，还开发了一个公用服务框架：

• 花了很多时间解决分布式系统管理这个运维问题。
• 为服务开发了一种Rails scaffolding，内部用模板来启动服务。
• 所有服务从运维的角度来看都是一样的，所有服务检查统计数据、监控、启动和停止的方式都一样。
• 工具方面，构建过程围绕SBT（一个Scala构建工具），使用插件和辅助程序管理常见操作，包括在Git里打标签，发布到代码库等等。大多数程序员都不用再操心构建系统的细节了。

200台数据库服务器中，很多是为了提高可用性而设，使用的是常规硬件，但MTBF（平均故障间隔时间）极低。故障时，备用充足。

为了支持PHP应用有6个后端服务，并有一个小组专门开发后端服务。新服务的发布需要两到三周，包括Dashboard通知、Dashboard二级索引、短地址生成、处理透明分片的memcache代理。其中在MySQL分片上耗时很多。虽然在纽约本地非常热，但并没有使用MongoDB，他们认为MySQL的可扩展性足够了。

Gearman用于会长期运行无需人工干预的工作。

可用性是以达到范围（reach）衡量的。用户能够访问自定义域或者Dashboard吗？也会用错误率。

历史上总是解决那些最高优先级的问题，而现在会对故障模式系统地分析和解决，目的是从用户和应用的角度来定成功指标。（后一句原文似乎不全）

最开始Finagle是用于Actor模型的，但是后来放弃了。对于运行后无需人工干预的工作，使用任务队列。而且Twitter的util工具库中有Future实现，服务都是用Future（Scala中的无参数函数，在与函数关联的并行操作没有完成时，会阻塞调用方）实现的。当需要线程池的时候，就将Future传入Future池。一切都提交到Future池进行异步执行。

Scala提倡无共享状态。由于已经在Twitter生产环境中经过测试，Finagle这方面应该是没有问题的。使用Scala和Finagle中的结构需要避免可变状态，不使用长期运行的状态机。状态从数据库中拉出、使用再写回数据库。这样做的好处是，开发人员不需要操心线程和锁。

22台Redis服务器，每台的都有8-32个实例，因此线上同时使用了100多个Redis实例。

• Redis主要用于Dashboard通知的后端存储。
• 所谓通知就是指某个用户like了某篇文章这样的事件。通知会在用户的Dashboard中显示，告诉他其他用户对其内容做了哪些操作。
• 高写入率使MySQL无法应对。
• 通知转瞬即逝，所以即使遗漏也不会有严重问题，因此Redis是这一场景的合适选择。
• 这也给了开发团队了解Redis的机会。
• 使用中完全没有发现Redis有任何问题，社区也非常棒。
• 开发了一个基于Scala Futures的Redis接口，该功能现在已经并入了Cell架构。
• 短地址生成程序使用Redis作为一级Cache，HBase作为永久存储。
• Dashboard的二级索引是以Redis为基础开发的。
• Redis还用作Gearman的持久存储层，使用Finagle开发的memcache代理。
• 正在缓慢地从memcache转向Redis。希望最终只用一个cache服务。性能上Redis与memcache相当。

• 内部的应用需要活跃的信息流通道。这些信息包括用户创建/删除的信息，liking/unliking的提示，等等。挑战在于这些数据要实时的分布式处理。我们希望能够检测内部运行状况，应用的生态系统能够可靠的生长，同时还需要建设分布式系统的控制中心。
• 以前，这些信息是基于Scribe(Facebook开源的分布式日志系统。)/Hadoop的分布式系统。服务会先记录在Scribe中，并持续的长尾形式写入，然后将数据输送给应用。这种模式可以立即停止伸缩，尤其在峰值时每秒要创建数以千计的信息。不要指望人们会细水长流式的发布文件和grep。
• 内部的firehose就像装载着信息的大巴，各种服务和应用通过Thrift与消防管线沟通。(一个可伸缩的跨语言的服务开发框架。)
• LinkedIn的Kafka用于存储信息。内部人员通过HTTP链接firehose。经常面对巨大的数据冲击，采用MySQL显然不是一个好主意，分区实施越来越普遍。
• firehose的模型是非常灵活的，而不像Twitter的firehose那样数据被假定是丢失的。
•     firehose的信息流可以及时的回放。他保留一周内的数据，可以调出这期间任何时间点的数据。
•     支持多个客户端连接，而且不会看到重复的数据。每个客户端有一个ID。Kafka支持客户群，每个群中的客户都用同一个ID，他们不会读取重复的数据。可以创建多个客户端使用同一个ID，而且不会看到重复的数据。这将保证数据的独立性和并行处理。Kafka使用ZooKeeper(Apache推出的开源分布式应用程序协调服务。)定期检查用户阅读了多少。

为Dashboard收件箱设计的Cell架构

• 现在支持Dashboard的功能的分散-集中架构非常受限，这种状况不会持续很久。
•     解决方法是采用基于Cell架构的收件箱模型，与Facebook Messages非常相似。
•     收件箱与分散-集中架构是对立的。每一位用户的dashboard都是由其追随者的发言和行动组成的，并按照时间顺序存储。
•     就因为是收件箱就解决了分散-集中的问题。你可以会问到底在收件箱中放了些什么，让其如此廉价。这种方式将运行很长时间。

• 重写Dashboard非常困难。数据已经分布，但是用户局部升级产生的数据交换的质量还没有完全搞定。
•     数据量是非常惊人的。平均每条消息转发给上百个不同的用户，这比Facebook面对的困难还要大。大数据+高分布率+多个数据中心。
•     每秒钟上百万次写入，5万次读取。没有重复和压缩的数据增长为2.7TB，每秒百万次写入操作来自24字节行键。
•     已经流行的应用按此方法运行。

• cell
•     每个cell是独立的，并保存着一定数量用户的全部数据。在用户的Dashboard中显示的所有数据也在这个cell中。
•     用户映射到cell。一个数据中心有很多cell。
•     每个cell都有一个HBase的集群，服务集群，Redis的缓存集群。
•     用户归属到cell，所有cell的共同为用户发言提供支持。
•     每个cell都基于Finagle（Twitter推出的异步的远程过程调用库），建设在HBase上，Thrift用于开发与firehose和各种请求与数据库的链接。(请纠错)
•     一个用户进入Dashboard，其追随者归属到特定的cell，这个服务节点通过HBase读取他们的dashboard并返回数据。
•     后台将追随者的dashboard归入当前用户的table，并处理请求。
•     Redis的缓存层用于cell内部处理用户发言。

• 请求流：用户发布消息，消息将被写入firehose，所有的cell处理这条消息并把发言文本写入数据库，cell查找是否所有发布消息追随者都在本cell内，如果是的话，所有追随者的收件箱将更新用户的ID。（请纠错）

• cell设计的优点：
•     大规模的请求被并行处理，组件相互隔离不会产生干扰。 cell是一个并行的单位，因此可以任意调整规格以适应用户群的增长。
•     cell的故障是独立的。一个Cell的故障不会影响其他cell。
•     cell的表现非常好，能够进行各种升级测试，实施滚动升级，并测试不同版本的软件。

• 关键的思想是容易遗漏的：所有的发言都是可以复制到所有的cell。
•     每个cell中存储的所有发言的单一副本。 每个cell可以完全满足Dashboard呈现请求。应用不用请求所有发言者的ID，只需要请求那些用户的ID。(“那些用户”所指不清，请指正。)他可以在dashboard返回内容。每一个cell都可以满足Dashboard的所有需求，而不需要与其他cell进行通信。
•     用到两个HBase table ：一个table用于存储每个发言的副本，这个table相对较小。在cell内，这些数据将与存储每一个发言者ID。第二个table告诉我们用户的dashboard不需要显示所有的追随者。当用户通过不同的终端访问一个发言，并不代表阅读了两次。收件箱模型可以保证你阅读到。
•     发言并不会直接进入到收件箱，因为那实在太大了。所以，发言者的ID将被发送到收件箱，同时发言内容将进入cell。这个模式有效的减少了存储需求，只需要返回用户在收件箱中浏览发言的时间。而缺点是每一个cell保存所有的发言副本。令人惊奇的是，所有发言比收件箱中的镜像要小。(请纠错)每天每个cell的发言增长50GB，收件箱每天增长2.7TB。用户消耗的资源远远超过他们制造的。
•     用户的dashboard不包含发言的内容，只显示发言者的ID，主要的增长来自ID。(请Tumblr用户纠错)
•     当追随者改变时，这种设计方案也是安全的。因为所有的发言都保存在cell中了。如果只有追随者的发言保存在cell中，那么当追随者改变了，将需要一些回填工作。
•     另外一种设计方案是采用独立的发言存储集群。这种设计的缺点是，如果群集出现故障，它会影响整个网站。因此，使用cell的设计以及后复制到所有cell的方式，创建了一个非常强大的架构。

• 一个用户拥有上百万的追随者，这带来非常大的困难，有选择的处理用户的追随者以及他们的存取模式（见Feeding Frenzy）
•     不同的用户采用不同并且恰当的存取模式和分布模型，两个不同的分布模式包括：一个适合受欢迎的用户，一个使用大众。
•     依据用户的类型采用不同的数据处理方式，活跃用户的发言并不会被真正发布，发言将被有选择的体现。(果真如此？请Tumblr用户纠错)
•     追随了上百万用户的用户，将像拥有上百万追随者的用户那样对待。

• cell的大小非常难于决定。cell的大小直接影响网站的成败。每个cell归于的用户数量是影响力之一。需要权衡接受怎样的用户体验，以及为之付出多少投资。

• 从firehose中读取数据将是对网络最大的考验。在cell内部网络流量是可管理的。

• 当更多cell被增添到网络中来，他们可以进入到cell组中，并从firehose中读取数据。一个分层的数据复制计划。这可以帮助迁移到多个数据中心。

在纽约启动运作

• 纽约具有独特的环境，资金和广告充足。招聘极具挑战性，因为缺乏创业经验。
• 在过去的几年里，纽约一直致力于推动创业。纽约大学和哥伦比亚大学有一些项目，鼓励学生到初创企业实习，而不仅仅去华尔街。市长建立了一所学院，侧重于技术。

团队架构

• 团队：基础架构，平台，SRE，产品，web ops，服务；
• 基础架构：5层以下，IP地址和DNS，硬件配置；
• 平台：核心应用开发，SQL分片，服务，Web运营；
• SRE：在平台和产品之间，侧重于解决可靠性和扩展性的燃眉之急；
• 服务团队：相对而言更具战略性，
• Web ops：负责问题检测、响应和优化。

软件部署

• 开发了一套rsync脚本，可以随处部署PHP应用程序。一旦机器的数量超过200台，系统便开始出现问题，部署花费了很长时间才完成，机器处于部署进程中的各种状态。
• 接下来，使用Capistrano（一个开源工具，可以在多台服务器上运行脚本）在服务堆栈中构建部署进程（开发、分期、生产）。在几十台机器上部署可以正常工作，但当通过SSH部署到数百台服务器时，再次失败。
• 现在，所有的机器上运行一个协调软件。基于Redhat Func（一个安全的、脚本化的远程控制框架和接口）功能，一个轻量级的API用于向主机发送命令，以构建扩展性。
• 建立部署是在Func的基础上向主机发送命令，避免了使用SSH。比如，想在组A上部署软件，控制主机就可以找出隶属于组A的节点，并运行部署命令。
• 部署命令通过Capistrano实施。

      Func API可用于返回状态报告，报告哪些机器上有这些软件版本。

• 安全重启任何服务，因为它们会关闭连接，然后重启。
• 在激活前的黑暗模式下运行所有功能。

展望

• 从哲学上将，任何人都可以使用自己想要的任意工具。但随着团队的发展壮大，这些工具出现了问题。新员工想要更好地融入团队，快速地解决问题，必须以他们为中心，建立操作的标准化。
• 过程类似于Scrum（一种敏捷管理框架），非常敏捷。
• 每个开发人员都有一台预配置的开发机器，并按照控制更新。
• 开发机会出现变化，测试，分期，乃至用于生产。
• 开发者使用VIM和TextMate。
• 测试是对PHP程序进行代码审核。
• 在服务方面，他们已经实现了一个与提交相挂钩的测试基础架构，接下来将继承并内建通知机制。

招聘流程

• 面试通常避免数学、猜谜、脑筋急转弯等问题，而着重关注应聘者在工作中实际要做什么。
• 着重编程技能。
• 面试不是比较，只是要找对的人。
• 挑战在于找到具有可用性、扩展性经验的人才，以应对Tumblr面临的网络拥塞。
• 在Tumblr工程博客（Tumblr Engineering Blog），他们对已过世的Dennis Ritchie和John McCarthy予以纪念。

经验及教训

• 自动化无处不在
• MySQL（增加分片）规模，应用程序暂时还不行
• Redis总能带给人惊喜
• 基于Scala语言的应用执行效率是出色的
• 废弃项目——当你不确定将如何工作时
• 不顾用在他们发展经历中没经历过技术挑战的人，聘用有技术实力的人是因为他们能适合你的团队以 及工作。
• 选择正确的软件集合将会帮助你找到你需要的人
• 建立团队的技能
• 阅读文档和博客文章。
• 多与同行交流，可以接触一些领域中经验丰富的人，例如与在Facebook、Twitter、LinkedIn的工程师 多交流，从他们身上可以学到很多
• 对技术要循序渐进，在正式投入使用之前他们煞费苦心的学习HBase和Redis。同时在试点项目中使用 或将其控制在有限损害范围之内。

翻译：包研，张志平

英文原文出自High Scalability