高并发高流量的大型网站架构设计(二)
4.3 硬盘级缓存
硬盘级别的缓存是指将需要动态生成的内容暂时缓存在硬盘上，在一个可接受的延迟时间范围内，同样的请求不再动态生成，以达到节约系统资源，提高网站承受能力的目的。Linux环境下硬盘级缓存一般使用Squid［27］。
Squid是一个高性能的代理缓存服务器。和一般的代理缓存软件不同，Squid用一个单独的、非模块化的、I/O驱动的进程来处理所有的客户端请求。它接受来自客 户端对目标对象的请求并适当地处理这些请求。比如说，用户通过浏览器想下载（即浏览）一个web页面，浏览器请求Squid为它取得这个页面。Squid随之连接到页面所在的原始服务器并向服务器发出取得该页面的请求。取得页面后，Squid再将页面返回给用户端浏览器，并且同时在Squid本地缓存目录 里保存一份副本。当下一次有用户需要同一页面时，Squid可以简单地从缓存中读取它的副本，直接返回给用户，而不用再次请求原始服务器。当前的 Squid可以处理HTTP， FTP， GOPHER， SSL和WAIS等协议。
Squid 默认通过检测HTTP协议头的Expires和 Cache-Control字段来决定缓存的时间。在实际应用中，可以显式的在服务器端脚本中输出 HTTP头，也可以通过配置apache的mod_expires模块，让apache自动的给每一个网页加上过期时间。对于静态内容，如图片，视频文 件，供下载的软件等，还可以针对文件类型（扩展名），用 Squid 的 refresh_pattern 来指定缓存时间。
Squid 运 行的时候，默认会在硬盘上建两层hash目录，用来存储缓存的Object。它还会在内存中建立一个Hash Table，用来记录硬盘中Object分 布的情况。如果Squid配置成为一个Squid集群中的一个的话，它还会建立一个 Digest Table(摘要表)，用来存储其它 Squid 上 的Object摘要。当用户端想要的资料本地硬盘上没有时，可以很快的知道应该去集群中的哪一台机器获得。在硬盘空间快要达到配置限额的时候，可以配置使 用某种策略（默认使用LRU：Least Recently Used-最近最少用）删除一些Object，从而腾出空间［28］［29］。
集 群中的Squid Server 之间可以有两种关系：第一种关系是：Child 和 Parent。当 Child Squid Server 没有资 料时，会直接向 Parent Squid Server 要资料，然后一直等，直到 Parent 给它资料为止。 第二种关系 是：Sibling 和 Sibling。当 Squid Server 没有资料时，会先向 Sibling 的 Squid Server 要资料， 如果 Sibling 没资料，就跳过它向 Parent 要或直接上原始网站去拿。
默 认配置的Squid，没有经过任何优化的时候，一般可以达到 50% 的命中率［30］（图4）。如果需要，还可以通过参数优化，拆分业务，优化文件系统 等办法，使得Squid达到 90% 以上的缓存命中率。 Squid处理TCP连接消耗的服务器资源比真正的HTTP服务器要小的多，当Squid分担 了大部分连接，网站的承压能力就大大增强了。
4 某网站使用MRTG工具检测到的Squid命中率
蓝线表示Squid的流量，绿色部分表示Apache流量
4.4 内存级缓存
内存级别的缓存是指将需要动态生成的内容暂时缓存在内存里，在一个可接受的延迟时间范围内，同样的请求不再动态生成，而是直接从内存中读取。Linux环境下内存级缓存Memcached［31］是一个不错的选择。
Memcached 是danga.com（运营Live Journal［32］的技术团队）开发的一套非常优秀的分布式内存对象缓存系统，用于在动态系统中减少数据库负 载，提升性能。和 Squid 的前端缓存加速不同，它是通过基于内存的对象缓存来减少数据库查询的方式改善网站的性能，而其中最吸引人的一个特性就是支 持分布式部署；也就是说可以在一群机器上建立一堆 Memcached 服务，每个服务可以根据具体服务器的硬件配置使用不同大小的内存块，这样，理论上 可以建立一个无限大的基于内存的缓存系统。
Memcached 是 以守护程序方式运行于一个或多个服务器中，随时接受客户端的连接操作，客户端可以由各种语言编写，目前已知的客户端 API 包括 Perl/PHP /Python/Ruby/Java/C#/C 等等[附录1]。客户端首先与 Memcached 服务建立连接，然后存取对象。每个被存取的对象都有 一个唯一的标识符 key，存取操作均通过这个 key 进行，保存的时候还可以设置有效期。保存在 Memcached 中的对象实际上是放置在内存中 的，而不是在硬盘上。Memcached 进程运行之后，会预申请一块较大的内存空间，自己进行管理，用完之后再申请一块，而不是每次需要的时候去向操作 系统申请。Memcached将对象保存在一个巨大的Hash表中，它还使用NewHash算法来管理Hash表，从而获得进一步的性能提升。所以当分配 给Memcached的内存足够大的时候，Memcached的时间消耗基本上只是网络Socket连接了［33］。
Memcached 也有它的不足。首先它的数据是保存在内存当中的，一旦服务进程重启（进程意外被关掉，机器重启等），数据会全部丢失。其次Memcached以root权 限运行，而且Memcached本身没有任何权限管理和认证功能，安全性不足。第一条是Memcached作为内存缓存服务使用无法避免的，当然，如果内 存中的数据需要保存，可以采取更改Memcached的源代码，增加定期写入硬盘的功能。对于第二条，我们可以将Memcached服务绑定在内网IP 上，通过Linux防火墙进行防护。
4.5 CPU与IO均衡
在 一个网站提供的所有功能中，有的功能可能需要消耗大量的服务器端IO资源，像下载，视频播放等，而有的功能则可能需要消耗大量的服务器CPU资源，像视频 格式转换，LOG统计等。在一个服务器集群中，当我们发现某些机器上CPU和IO的利用率相差很大的时候，例如CPU负载很高而IO负责很低，我们可以考 虑将该服务器上的某些耗CPU资源的进程换成耗IO的进程，以达到均衡的目的。均衡每一台机器的CPU和IO消耗，不仅可以获得更充分的服务器资源利用， 而且还能够支持暂时的过载，遇到突发事件，访问流量剧增的时候， 实现得体的性能下降 (Graceful performance degradation)［34］，而不是立即崩溃。
4.6 读写分离
如 果网站的硬盘读写性能是整个网站性能提升的一个瓶颈的话，可以考虑将硬盘的读，写功能分开，分别进行优化。在专门用来写的硬盘上，我们可以在Linux下 使用软件RAID-0（磁盘冗余阵列0级）［35］。RAID-0在获得硬盘IO提升的同时，也会增加整个文件系统的故障率——它等于RAID中所有驱动 器的故障率之和。如果需要保持或提高硬盘的容错能力，就需要实现软件RAID-1，4或5，它们能在某一个（甚至几个）磁盘驱动器故障之后仍然保持整个文 件系统的正常运行［36］，但文件读写效率不如RAID-0。而专门用来读的硬盘，则不用如此麻烦，可以使用普通的服务器硬盘，以降低开销。
一 般的文件系统，会综合考虑各种大小和格式的文件的读，写效率，因而对特定的文件读或写的效率不是最优。如果有必要，可以通过选择文件系统，以及修改文件系 统的配置参数来达到对特定文件的读或写的效率最大化。比如说，如果文件系统中需要存储大量的小文件，则可以使用ReiserFS［37］来替代Linux 操作系统默认的ext3系统，因为ReiserFS是基于平衡树的文件系统结构，尤其对于大量文件的巨型文件系统，搜索速度要比使用局部的二分查找法的 ext3快。 ReiserFS里的目录是完全动态分配的，因此不存在ext3中常见的无法回收巨型目录占用的磁盘空间的情况。ReiserFS里小文件 （< 4K）可以直接存储进树，小文件读取和写入的速度更快，树内节点是按字节对齐的，多个小文件可共享同一个硬盘块，节约大量空间。ext3使用 固定大小的块分配策略，也就是说，不到4K的小文件也要占据4K的空间，导致的空间浪费比较严重［38］。 但ReiserFS对很多Linux内核支持 的不是很好，包括2.4.3、2.4.9 甚至相对较新的 2.4.16，如果网站想要使用它，就必须要安装与它配合的较好的2.4.18内核——一般管 理员都不是很乐意使用太新的内核，因为在它上面运行的软件，都还没有经过大量的实践测试，也许有一些小的bug还没有被发现，但对于服务器来说，再小的 bug也是不能接受的。ReiserFS还是一个较为年轻的，发展迅速的文件系统，它相对于ext3来说有一个很大的缺陷就是，每次ReiserFS文件 系统升级的时候，必须完全重新格式化整个磁盘分区。所以在选择使用的时候，需要权衡取舍［39］。
5 应用程序层优化
5.1 网站服务器程序的选择
经 统计［40］，当前互联网上有超过50%的网站主机使用Apache［41］服务器程序。 Apache是开源界的首选Web服务器，因为它的强大和可 靠，而且适用于绝大部分的应用场合。但是它的强大有时候却显得笨重，配置文件复杂得让人望而生畏，高并发情况下效率不太高。而轻量级的Web服务器 Lighttpd［42］却是后起之秀，基于单进程多路复用技术，其静态文件的响应能力远高于Apache。 Lighttpd对PHP的支持也很好，还 可以通过Fastcgi方式支持其他的语言，比如Python等。 虽然Lighttpd是轻量级的服务器，功能上不能跟Apache比，某些复杂应用无 法胜任，但即使是大部分内容动态生成的网站，仍免不了会有一些静态元素，比如图片、JS脚本、CSS等等，可以考虑将Lighttpd放在Squid的前 面，构成 Lighttpd->Squid->Apache的一条处理链，Lighttpd在最前面，专门处理静态内容的请求，把动态内容请 求通过Proxy模块转发给Squid，如果Squid中有该请求的内容且没有过期，则直接返回给Lighttpd。新请求或者过期的页面请求交由 Apache中的脚本程序来处理。经过Lighttpd和Squid的两级过滤，Apache需要处理的请求大大减少，减少了Web应用程序的压力。同时 这样的构架，便于把不同的处理分散到多台计算机上进行，由Lighttpd在前面统一分发。
在 这种架构下，每一级都是可以进行单独优化的，比如Lighttpd可以采用异步IO方式，Squid可以启用内存来缓存，Apache可以启用 MPM（Multi -Processing Modules，多道处理模块）等，并且每一级都可以使用多台机器来均衡负载，伸缩性好。
著名视频分享网站YouTube就是选择使用Lighttpd作为网站的前台服务器程序。
5.2 数据库选择
MySQL［43］是一个快速的、多线程、多用户和健壮的SQL数据库服务器，支持关键任务、重负载系统的使用，是最受欢迎的开源数据库管理系统，是Linux下网站开发的首选。它由MySQL AB开发、发布和提供支持。
MySQL数据库能为网站提供：
高性能。MySQL支持海量，快速的数据库存储和读取。还可以通过使用64位处理器来获取额外的一些性能，因为MySQL在内部里很多时候都使用64位的整数处理。
易用性。MySQL的核心是一个小而快速的数据库。它的快速连接，快速存取和安全可靠的特性使MySQL非常适合在互联网站上使用。
开放性。MySQL提供多种后台存储引擎的选择，如MyISAM， Heap， InnoDB，Berkeley Db等。缺省格式为MyISAM。 MyISAM 存储引擎与磁盘兼容的非常好［44］。
支 持企业级应用。MySQL有一个用于记录数据改变的二进制日志。因为它是二进制的，这一日志能够快速地将数据的更改从一台机器复制 （replication）到另一台机器上。即使服务器崩溃，这一二进制日志也能够保持完整。这一特性通常被用来搭建数据库集群，以支持更大的流量访问要 求［30］（图5）。
5 MySQL主辅库模式集群示意
MySQL也有一些它自身的缺陷，如缺乏图形界面，缺乏存储过程， 还不支持触发器，参照完整性，子查询和数据表视图等，但这些功能都在开发者的TO-DO列表当中。这就是开源的力量：你永远可以期待更好。
国外的Yahoo!，国内的新浪，搜狐等很多大型商业网站都使用MySQL 作为后台数据库。对于一般的网站系统，无论从成本还是性能上考虑，MySQL应该是最佳的选择。
5.3 服务器端脚本解析器的选择
目前最常见的服务器端脚本有三种：ASP(Active Server Pages)，JSP(Java Server Pages)，PHP (Hypertext Preprocessor)［45］［46］。
ASP 全名Active Server Pages，以及它的升级ASP.NET，是微软公司出品的一个WEB服务器端的开发环境，利用它可以产生和运行动态 的、交互的、高性能的WEB服务应用程序。ASP采用脚本语言VBScript（C#）作为自己的开发语言。 但因为只能运行在Windows环境下，这 里我们不讨论它。
PHP 是一种跨平台的服务器端的嵌入式脚本语言。它大量地借用C，Java和Perl语言的语法， 并耦合PHP自己的特性，使WEB开发者能够快速地写出动态 生成页面。它支持目前绝大多数数据库。PHP也是开源的，它的发行遵从GPL开源协议，你可以从 PHP官方站点(http://www.php.net)自由下载到它的二进制安装文件及全部的源代码。如果在Linux平台上与MySQL搭配使用，PHP是最佳的选择。
JSP 是Sun公司推出的新一代站点开发语言，是Java语言除Java应用程序和Java Applet之外的第三个应用。Jsp可以在Serverlet和 JavaBean的支持下，完成功能强大的站点程序。 作为采用Java技术家族的一部分，以及Java 2（企业版体系结构）的一个组成部分，JSP技 术拥有Java技术带来的所有优点，包括优秀的跨平台性，高度可重用的组件设计，健壮性和安全性等，能够支持高度复杂的基于Web的应用。
除 了这三种常见的脚本之外，在Linux下我们其实还有很多其他的选择：Python（Google使用），Perl等，如果作为CGI调用，那么可选择范 围就更广了。使用这些不太常见的脚本语言的好处是，它们对于某些特殊的应用有别的脚本所不具有的优势；不好的地方是，这些脚本语言在国内使用的人比较少， 当碰到技术上的问题的时候，能找到的资料也较少。
5.4 可配置性
在大型网站开发过程中，不管使用什么技术，网站的可配置性是必须的。在网站的后期运营过程中，肯定会有很多的需求变更。如果每一次的需求变更都会导致修改源代码，那么，这个网站的开发可以说是失败的。
首 先，也是最重要的一点，功能和展示必须分开。PHP和JSP都支持模板技术，如PHP的Smarty，Phplib，JSP的 JSTL（JSP Standard Tag Library）等。核心功能使用脚本语言编写，前台展示使用带特殊标签的HTML，不仅加快了开发速度， 而且方便以后的维护和升级［47］。
其次，对于前台模板，一般还需要将页面的头，尾单独提取出来，页面的主体部分也按模块或者功能拆分。对CSS，JS等辅助性的代码，也建议以单独的文件形式存放。这样不仅方便管理，修改，而且还可以在用户访问的时候进行缓存，减少网络流量，减轻服务器压力。
再次，对于核心功能脚本，必须将与服务器相关的配置内容，如数据库连接配置，脚本头文件路径等，与代码分离开。尤其当网站使用集群技术，CDN加速等技术的时候，每一台服务器上的配置可能都会不一样。如果不使用配置文件，则需要同时维护几份不同的代码，很容易出错。
最后，应该尽量做到修改配置文件后能实时生效，避免修改配置文件之后需要重启服务程序的情况。
5.5 封装和中间层思想
在功能块层次，如果使用JSP，基于纯面向对象语言Java的面向对象思想，类似数据库连接，会话管理等基本功能都已经封装成类了。如果使用PHP，则需要在脚本代码中显式的封装，将每一个功能块封装成一个函数，一个文件或者一个类。
在 更高的层次，可以将网站分为表示层，逻辑层，持久层，分别进行封装，做到当某一层架构发生变化时，不会影响到其他层。比如新浪播客在一次升级的时候，将持 久层的数据库由原来的集中式改为分布式架构，因为封装了数据库连接及所有操作[附录2]，做到了不修改任何上层代码，平稳的实现了过渡。近来流行的MVC 架构，将整个网站拆分成Model（模型/逻辑）、View（视图/界面）、Controller（控制/流程）三个部分，而且有很多优秀的代码框架可供 选择使用， 像JSP的Structs，Spring，PHP的php.MVC， Studs 等。使用现成的代码框架，可以使网站开发事半功倍。
6 扩容、容错处理
6.1 扩容
一 个大型网站，在设计架构的时候，必须考虑到以后可能的容量扩充。新浪播客在设计时充分地考虑了这一点。对于视频分享类网站来说，视频存储空间消耗是巨大 的。新浪播客在主存储服务器上，采用配置文件形式指定每一个存储盘柜上存储的视频文件的ID范围。当前台服务器需要读取一个视频的时候，首先通过询问主存 储服务器上的接口获得该视频所在的盘柜及目录地址，然后再去该盘柜读取实际的视频文件。这样如果需要增加存储用的盘柜，只需要修改配置文件即可，前台程序 丝毫不受影响。
新浪播客采用MySQL数据库集群，在逻辑层封装了所有的数据库连接及操作。当数据库存储架构发生改变的时候，如增加一台主库，将某些数据表独立成库，增加读取数据用的从库等，都只需要修改封装了的数据库操作类，上层代码不用修改。
新浪播客的前台页面服务器使用F5公司的硬件第四层交换机，网通，电信分别导向不同的虚拟IP，每一个虚拟IP后面又有多个服务器提供服务。当访问流量增大的时候，可以很方便往虚拟IP后面增加服务器，分担压力。
6.2 容错
对于商业性网站来说，可用性是非常重要的。7*24的访问要求网站具有很强的容错能力。错误包括网络错误，服务器错误以及应用程序错误。
2006 年12月27日台湾东部外海发生里氏7.6级地震，造成途径台湾海峡的多条海底电缆中断，导致许多国外网站，像MSN， NBA， Yahoo！（英文主 站）等国内无法访问，但也有例外，以Google为代表的在国内建设有分布式数据节点的很多网站却仍然可以访问。虽然说地震造成断网是不可抗原因，但如果 在这种情况下网站仍然可以访问，无疑能给网站用户留下深刻的印象。这件事情给大型商业网站留下的教训是：网站需要在用户主要分布区域保持数据存在，以防止 可能的网络故障。
对 于服务器错误，一般采取冗余设计的方法来避免。对于存储服务器（主要是负责写入的服务器），可以使用RAID（冗余磁盘阵列）；对于数据库（主要是负责写 入的主库），可以采用双主库设计［30］；对于提供服务的前台，则可以使用第四层交换的集群，由多台服务器同时提供服务，不仅分担了流量压力，同时还可以 互相作为备份。
在应用层程序中，也要考虑“用户友好”的出错设计。典型例子如HTTP 404 出错页面，程序内部错误处理，错误返回提示等，尽可能的做到人性化。
7 总结及展望
7.1 总结
对 于一个高并发高流量的网站来说，任何一个环节的瓶颈都会造成网站性能的下降，影响用户体验，进而造成巨大的经济损失。在全互联网层面，应该使用分布式设 计，缩短网站与用户的网络距离，减少主干网上的流量，以及防止在网络意外情况下网站无法访问的问题。在局域网层面，应该使用服务器集群，一方面可以支撑更 大的访问量，另一方面也作为冗余备份，防止服务器故障导致的网站无法访问。在单服务器层面，应该配置操作系统，文件系统及应用层软件，均衡各种资源的消 耗，消除系统性能瓶颈，充分发挥服务器的潜能。在应用层，可以通过各种缓存来提升程序的效率，减少服务器资源消耗（图6）。另外，还需要合理设计应用层程 序，为以后的需求变更，扩容做好准备。
在每一个层次，都需要考虑容错的问题，严格消除单点故障，做到无论应用层程序错误，服务器软件错误，服务器硬件错误，还是网络错误，都不影响网站服务。
7.2展望
当 前Linux环境下有著名的LAMP（Linux＋Apache＋MySQL＋PHP/PERL/PYTHON）网站建设方案，但只是针对一般的中小网站 而言。对于高并发高流量的大型商业网站，还没有一个完整的，性价比高的解决方案。除去服务器，硬盘，带宽等硬件投资外，还需要花费大量的预算和时间精力在 软件解决方案上。
随 着互联网的持续发展，Web2.0的兴起，在可以预见的未来里，互联网的用户持续增多，提供用户参与的网站不断增加，用户参与的内容日益增长，越来越多的 网站的并发量，访问量会达到一个新的高度，这就会促使越来越多的个人，公司以及研究机构来关注高并发高流量的网站架构问题。就像Web1.0成就了无数中 小网站，成就了LAMP一样，Web2.0注定也会成就一个新的，高效的，成本较低的解决方案。这个方案应该包括透明的第三方CDN网络加速服务，价格低 廉的第四层甚至更高层网络交换设备，优化了网络性能的操作系统，优化了读写性能，分布式，高可靠的文件系统，揉合了内存，硬盘等各个级别缓存的HTTP服 务器，更为高效的服务器端脚本解析器，以及封装了大部分细节的应用层设计框架