分布式架構(gòu)概述及設(shè)計(jì)
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引言
隨著越來越多的人參與到互聯(lián)網(wǎng)的浪潮來，曾經(jīng)的單體應(yīng)用架構(gòu)越來越無法滿足需求，所以，分布式集群架構(gòu)出現(xiàn)，也因此，分布式搭建開發(fā)成為了Web開發(fā)者必掌握的技能之一。那什么是分布式呢？怎么實(shí)現(xiàn)分布式以及怎么處理分布式帶來的問題呢？本系列文章就來源于對分布式各組件系統(tǒng)的學(xué)習(xí)總結(jié)，包含但不限于Zookeeper、Dubbo、消息隊(duì)列（ActiveMQ、Kafka、RabbitMQ）、Nosql（Redis、MongoDB）、Niginx、分庫分表MyCat、Netty等內(nèi)容。作為跟大多數(shù)人一樣的學(xué)習(xí)使用者，而非布道者，個人理解難免會有偏差或是其它錯誤，希望各位讀者不吝指教。
正文
一、什么是分布式
簡單的說，“分工協(xié)作，專人做專事”就是分布式的概念。就好比你是你們公司唯一的碼農(nóng)，那么前后端都需要你自己來開發(fā)（單體架構(gòu)），但隨著業(yè)務(wù)的增長，你確實(shí)忙不過來了，老板給你招來了一個前端，那么你就只需要專注后端開發(fā)就行了（分布式）。但是軟件的分布式搭建遠(yuǎn)遠(yuǎn)不像現(xiàn)實(shí)例子中這么簡單，需要考慮和處理很多方面的問題，我們先了解以下幾個常見的概念：
集群：你們公司業(yè)務(wù)增長的非常快，老板發(fā)現(xiàn)你一個后端忙不過來了，就又招了幾個后端開發(fā)來協(xié)助你，這就是后端集群；再往后，發(fā)現(xiàn)前端也忙不過來了，又配備幾個前端，就是前端集群。所以也不難看出，將應(yīng)用拆分后，你可以有針對性地?cái)U(kuò)展單個服務(wù)，做成集群，這就是分布式的好處之一。
節(jié)點(diǎn)：這個也非常好理解，一個服務(wù)就是一個節(jié)點(diǎn)，比如你就是后端集群中的一個節(jié)點(diǎn)，而集群本身也可以看成是整個應(yīng)用的一個集群節(jié)點(diǎn)。
副本：副本就是為服務(wù)和數(shù)據(jù)提供的冗余，保證高可用。
中間件：為開發(fā)者提供便利，屏蔽復(fù)雜的底層的一類框架組件。如服務(wù)管理通信、序列化、負(fù)載均衡等組件。
上圖就是一個簡單的分布式架構(gòu)，但并不是所有的應(yīng)用一開始就要設(shè)計(jì)為分布式架構(gòu)，因?yàn)橐婚_始業(yè)務(wù)量并不大，沒有必要耗費(fèi)大量的時(shí)間和成本去完成一個分布式架構(gòu)，甚至有可能到最后都用不上，因此在設(shè)計(jì)時(shí)我們應(yīng)該遵循演進(jìn)原則，由簡入深。下面就來簡單分析一下分布式架構(gòu)的演進(jìn)過程。
二、分布式架構(gòu)的演化過程
單機(jī)版
以商城為例，為了簡單說明，這里就只列出用戶、訂單、配送服務(wù)。
如圖，大部分應(yīng)用最開始都是將應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫放到一臺物理機(jī)上提供服務(wù)，但隨著訪問量的提升，服務(wù)器負(fù)載越來越高，我們首先會優(yōu)化代碼、對機(jī)器做垂直擴(kuò)容（內(nèi)存、容量）等，但單臺機(jī)器的性能是存在上限的，且對單機(jī)擴(kuò)容的性價(jià)比會隨著性能的提升越來越低，那我們就會想到增加服務(wù)器。
將應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器分離
在一開始，我們可能只會增加一臺服務(wù)器，并將應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫分離：
搭建應(yīng)用服務(wù)器集群
隨著訪問量的繼續(xù)增加，單臺應(yīng)用服務(wù)器也無法滿足需求了，我們就需要搭建應(yīng)用服務(wù)器集群來對外提供服務(wù)了
但是，在搭建應(yīng)用服務(wù)器集群之后，問題就出現(xiàn)了，用戶在訪問時(shí)，應(yīng)該到哪個服務(wù)器上去？如何平均服務(wù)器壓力？以及用戶的session如何維護(hù)（A首先訪問了1號應(yīng)用服務(wù)器并登陸，但下次請求可能是去到2號服務(wù)器，但這臺服務(wù)器上并沒有用戶的session信息）？
我們可以在用戶層和應(yīng)用層之間加上一個負(fù)載均衡器來平衡服務(wù)器的負(fù)載，session可以采取同步的方式，或者增加單獨(dú)的session共享服務(wù)器。
數(shù)據(jù)庫讀寫分離
應(yīng)用層的問題暫時(shí)解決了，但是此時(shí)數(shù)據(jù)庫又頂不住了。那該如何做呢？只是簡單的增加數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器拉提供存儲和訪問能力么？那肯定不行，這樣數(shù)據(jù)就不一致了。所以我們需要將數(shù)據(jù)庫分為讀庫和寫庫。查詢請求都到讀庫去，而寫入請求都到寫庫去。
但這樣也存在幾個問題：
數(shù)據(jù)如何同步以及同步延遲如何處理？
應(yīng)用層數(shù)據(jù)源的選擇
大數(shù)據(jù)查詢搜索，可以引入搜索引擎
避免每次訪問直接到達(dá)數(shù)據(jù)庫，可以引入redis等緩存數(shù)據(jù)庫緩存熱點(diǎn)數(shù)據(jù)
問題看似都解決了，但是每個數(shù)據(jù)庫都存儲的是同樣的數(shù)據(jù)，隨著業(yè)務(wù)繼續(xù)擴(kuò)大， 我們就不得不考慮對數(shù)據(jù)庫做水平或垂直拆分：
水平拆分：將同一個表中的數(shù)據(jù)拆分至多個數(shù)據(jù)庫中
垂直拆分：將不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)放到不同的數(shù)據(jù)庫中
應(yīng)用拆分
業(yè)務(wù)繼續(xù)增長，數(shù)據(jù)庫達(dá)到瓶頸時(shí)可以繼續(xù)增加服務(wù)器解決，但是應(yīng)用層呢？也只是單純的增加服務(wù)器么？基于二八原則，其實(shí)大部分訪問量是集中在20%的功能上的，如果我們只是單純的增加服務(wù)器，那么無疑會浪費(fèi)掉許多的資源，所以我么會想到能不能針對這20%的應(yīng)用做擴(kuò)展呢？當(dāng)然是可以的，只不過我們需要先將應(yīng)用拆分為多個子系統(tǒng)（一般是根據(jù)業(yè)務(wù)）：
隨著應(yīng)用拆分隨之而來的問題是，公用的代碼如何處理？各服務(wù)之間如何通信？公用代碼我們不可能放到每個服務(wù)中去，而是應(yīng)該提出來對外提供服務(wù)，同時(shí)服務(wù)之間的調(diào)用可以通過RPC或者HTTP方式來實(shí)現(xiàn)。
演化至此，這樣的架構(gòu)就是一個成熟的分布式架構(gòu)了，但是，架構(gòu)還是會隨著業(yè)務(wù)和技術(shù)的提升不停地演化；而此時(shí)你有沒有發(fā)現(xiàn)這樣的一個架構(gòu)和馮諾伊曼結(jié)構(gòu)很像呢！輸入輸出設(shè)備對應(yīng)用戶和服務(wù)之間的輸入輸出，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器就像是存儲設(shè)備，而整個應(yīng)用層就像是一個CPU（控制器、運(yùn)算器）。所以，分布式架構(gòu)可以簡單的理解為將多臺計(jì)算機(jī)組成的一臺超級計(jì)算機(jī)。
三、分布式架構(gòu)的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)分布式架構(gòu)時(shí)，我們需要了解幾個基本的概念。
主流架構(gòu)模型-SOA和微服務(wù)
CAP和BASE理論
DDD（領(lǐng)域驅(qū)動設(shè)計(jì)）
這些理論限于篇幅原因，這里就不展開詳述，讀者可自行查閱。下面主要來談?wù)劮植际郊軜?gòu)的高可用設(shè)計(jì)。
分布式架構(gòu)的高可用設(shè)計(jì)
在分布式架構(gòu)中，常常面臨的兩個矛盾的問題是一致性和高可用，這兩個是無法同時(shí)滿足的，那我們舍誰取誰呢？從用戶的角度分析，我們寧可獲取到舊數(shù)據(jù)，也不愿意等半天都打不開應(yīng)用，所以常常是保證高可用，讓數(shù)據(jù)達(dá)到最終一致性，那么如何設(shè)計(jì)高可用的分布式架構(gòu)呢？主要從以下幾個方面：
搭建服務(wù)集群，提高負(fù)載，避免單點(diǎn)故障。尤其是特別重要的服務(wù)，如訪問量較高的服務(wù)和核心服務(wù)（一旦掛掉就會導(dǎo)致整個應(yīng)用不可用的服務(wù)）。
應(yīng)對災(zāi)難，搭建異地災(zāi)備，預(yù)防地區(qū)因發(fā)生地震、臺風(fēng)等自然災(zāi)害導(dǎo)致地區(qū)的集群服務(wù)器都不可用。
接口限流以及服務(wù)降級。為防止過高的并發(fā)量造成服務(wù)器負(fù)載過高而出現(xiàn)故障，應(yīng)對接口限流，同時(shí)，當(dāng)某個或多個服務(wù)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)當(dāng)服務(wù)降級，避免拖累整個應(yīng)用。比如支付時(shí)因網(wǎng)絡(luò)故障等導(dǎo)致無法支付，但搜索商品和下單仍然可用。
故障監(jiān)控報(bào)警。
服務(wù)的可伸縮性，易于水平擴(kuò)張服務(wù)器數(shù)量。
使用緩存降低數(shù)據(jù)庫壓力。
使用CDN等加速靜態(tài)資源的訪問。
高可用的分布式架構(gòu)需要考慮非常多的方面，針對不同的場景有不同的解決方案，而對于不同的公司而言也不需要一應(yīng)俱全，需要在實(shí)踐中多思考總結(jié)，根據(jù)自己的業(yè)務(wù)情況來設(shè)計(jì)。
總結(jié)
本文從理論層面講述了分布式的基本概念、演化過程，以及設(shè)計(jì)，從宏觀角度搞清楚分布式的起源以及分布式帶來的一系列問題，也就能明白各項(xiàng)技術(shù)出現(xiàn)的原因以及應(yīng)用的場景。
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