单点系统架构的可用性与性能优化
一、需求缘起
明明架构要求高可用， 为何系统中还会存在单点？
回答：单点 master 的设计，会 大大简化系统设计，何况有时候避免不了单点
在哪些场景中会存在单点？先来看一下一个 典型互联网高可用架构 。
典型互联网高可用架构：
（ 1 ） 客户端层 ，这一层是浏览器或者 APP ，第一步先访问 DNS-server ，由域名拿到 nginx 的外网 IP
（ 2 ） 负载均衡层 ， nginx 是整个服务端的入口，负责反向代理与负载均衡工作
（ 3 ） 站点层 ， web-server 层，典型的是 tomcat 或者 apache
（ 4 ） 服务层 ， service 层，典型的是 dubbo 或者 thrift 等提供 RPC 调用的后端服务
（ 5 ） 数据层 ，包含 cache 和 db ，典型的是主从复制读写分离的 db 架构
在这个互联网架构中，站点层、服务层、数据库的从库都可以通过冗余的方式来保证高可用，但至少
（ 1 ） nginx 层是一个潜在的单点
（ 2 ）数据库 写库 master 也是一个潜在的单点
再举一个 GFS （ Google File System ）架构的例子。
GFS 的系统架构里主要有这么几种角色：
（ 1 ） client ，就是发起文件读写的调用端
（ 2 ） master ，这是一个单点服务，它有全局事业，掌握文件元信息
（ 3 ） chunk-server ，实际存储文件额服务器
这个系统里， master 也是一个单点的服务， Map-reduce 系统里也有类似的全局协调的 master 单点角色。
系统架构设计中，像 nginx ， db-master ， gfs-master 这样的单点服务，会存在什么问题，有什么方案来优化呢，这是本文要讨论的问题。
二、单点架构存在的问题
单点系统一般来说存在 两个很大的问题 ：
（ 1 ） 非高可用 ：既然是单点， master 一旦发生故障，服务就会受到影响
（ 2 ） 性能瓶颈 ：既然是单点，不具备良好的扩展性，服务性能总有一个上限，这个单点的性能上限往往就是整个系统的性能上限
接下来，就看看有什么优化手段可以优化上面提到的两个问题
三、 shadow-master 解决单点高可用问题
shadow-master 是一种很常见的解决单点高可用问题的技术方案。
“ 影子 master” ，顾名思义，服务正常时，它只是单点 master 的一个影子，在 master 出现故障时， shadow-master 会自动变成 master ，继续提供服务。
shadow-master 它能够解决高可用的问题，并且故障的转移是自动的，不需要人工介入，但不足是它使 服务资源的利用率降为了 50% ， 业内经常使用 keepalived+vip的方式实现这类单点的高可用 。
以 GFS 的 master 为例， master 正常时：
（ 1 ） client 会连接正常的 master ， shadow-master 不对外提供服务
（ 2 ） master 与 shadow-master 之间有一种存活探测机制
（ 3 ） master 与 shadow-master 有相同的虚 IP （ virtual-IP ）
当发现 master 异常时：
shadow-master 会自动顶上成为 master ，虚 IP 机制可以保证 这个过程对调用方是透明的
除了 GFS 与 MapReduce 系统中的主控 master ， nginx 亦可用类似的方式保证高可用，数据库的主库 master （主库）亦可用类似的方式来保证高可用，只是细节上有些地方要注意：
传统的一主多从，读写分离的 db 架构，只能保证读库的高可用，是无法保证写库的高可用的，要想保证写库的高可用，也可以使用上述的 shadow-master 机制：
（ 1 ）两个主库设置 相互同步的双主模式
（ 2 ）平时只有一个主库提供服务，言下之意， shadow-master 不会往 master 同步数据
（ 3 ）异常时，虚 IP 漂移到另一个主库， shadow-master 变成主库继续提供服务
需要说明的是，由于数据库的特殊性，数据同步需要时延，如果数据还没有同步完成，流量就切到了 shadow-master ，可能引起小部分数据的不一致。
四、减少与单点的交互，是存在单点的系统优化的核心方向
既然知道单点存在性能上限，单点的性能（例如 GFS 中的 master ）有可能成为系统的瓶颈，那么， 减少与单点的交互，便成了存在单点的系统优化的核心方向。
怎么来减少与单点的交互，这里提两种常见的方法。
批量写
批量写是一种常见的提升单点性能的方式。
例如一个利用数据库写单点生成做 “ID 生成器 ” 的例子：
（ 1 ）业务方需要 ID
（ 2 ）利用数据库写单点的 auto increament id 来生成和返回 ID
这是一个很常见的例子，很多公司也就是这么生成 ID 的，它利用了数据库写单点的特性，方便快捷，无额外开发成本，是一个非常帅气的方案。
潜在的问题是：生成 ID 的并发上限，取决于单点数据库的写性能上限。
如何提升性能呢？批量写
（ 1 ）中间加一个服务，每次从数据库拿出 100 个 id
（ 2 ）业务方需要 ID
（ 3 ）服务直接返回 100 个 id 中的 1 个， 100 个分配完，再访问数据库
这样一来，每分配 100 个才会写数据库一次，分配 id 的性能可以认为提升了 100倍。
客户端缓存
客户端缓存也是一种降低与单点交互次数，提升系统整体性能的方法。
还是以 GFS 文件系统为例：
（ 1 ） GFS 的调用客户端 client 要访问 shenjian.txt ，先查询本地缓存， miss 了
（ 2 ） client 访问 master 问说文件在哪里， master 告诉 client 在 chunk3 上
（ 3 ） client 把 shenjian.txt 存放在 chunk3 上记录到本地的缓存，然后进行文件的读写操作
（ 4 ）未来 client 要访问文件，从本地缓存中查找到对应的记录，就不用再请求 master 了，可以直接访问 chunk-server 。如果文件发生了转移， chunk3 返回 client 说“文件不在我这儿了”， client 再访问 master ，询问文件所在的服务器。
根据经验，这类缓存的命中非常非常高，可能在 99.9% 以上（因为文件的自动迁移是小概率事件），这样与 master 的交互次数就降低了 1000 倍。
五、水平扩展是提升单点系统性能的好方案
无论怎么批量写，客户端缓存，单点毕竟是单机，还是有性能上限的。
想方设法水平扩展，消除系统单点，理论上才能够无限的提升系统系统。
以 nginx 为例，如何来进行水平扩展呢？
第一步的 DNS 解析，只能返回一个 nginx 外网 IP 么？答案显然是否定的， “ DNS轮询”技术 支持 DNS-server 返回不同的 nginx 外网 IP ，这样就能实现 nginx 负载均衡层的水平扩展。
DNS-server 部分，一个域名可以配置多个 IP ，每次 DNS 解析请求，轮询返回不同的 IP ，就能实现 nginx 的水平扩展，扩充负载均衡层的整体性能。
数据库单点写库也是同样的道理，在数据量很大的情况下，可以通过水平拆分，来提升写入性能。
遗憾的是， 并不是所有的业务场景都可以水平拆分 ，例如秒杀业务，商品的条数可能不多，数据库的数据量不大，就不能通过水平拆分来提升秒杀系统的整体写性能（总不能一个库 100 条记录吧？）。
六、总结
今天的话题就讨论到这里，内容很多，占用大家宝贵的时间深表内疚，估计大部分都记不住，至少记住这几个点吧：
（ 1 ） 单点系统存在的问题 ： 可用性问题，性能瓶颈问题
（ 2 ） shadow-master 是一种常见的解决单点系统可用性问题的方案
（ 3 ） 减少与单点的交互 ，是存在单点的系统优化的核心方向，常见方法有 批量写，客户端缓存
（ 4 ） 水平扩展 也是提升单点系统性能的好方案
如果有收获，帮忙随手转发哟。
==【完】==
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5ODYxMDA5OQ==&mid=2651959480&idx=1&sn=337bd74410a6bef616128fd17abd08a8&scene=0&utm_source=tuicool&utm_medium=referral
