57、高流量与高可用性Web应用的构建与挑战应对

高流量与高可用性Web应用的构建与挑战应对

在当今数字化时代，高流量和高可用性的Web应用至关重要。以下将详细探讨构建这类应用所需考虑的各个方面，包括网络架构、硬件、操作系统、服务器选择、数据库以及可能影响性能和可用性的因素。

网络架构与设备选择

在网络架构中，防火墙和边界路由器承担着重要的流量过滤任务。通常，防火墙的负担略小于边界路由器，因为它会过滤掉大量不需要的流量，从而使内部网络交换机需要处理的流量相对较少。在大型架构中，会使用多台服务器来分发内容，这能降低网卡的单个流量负担，但服务器之间的内部通信可能会增加这一负担。

对于网络设备的选择，中等层级的路由器一般能轻松处理约10 Mbps的流量，因此防火墙也应具备类似的处理能力。交换机通常为100 Mbps，但如果服务器之间存在内部通信，例如数据库服务器和应用服务器分离的情况，使用1 Gbps的交换机和网络接口卡（NICs）能提供最佳性能。

硬件选择

一个典型的高可用性/高流量网站至少需要一个独立的Web/应用服务器和数据库服务器，即两台物理设备。早期，像Silicon Graphics和Sun Microsystems等公司的高端硬件在企业架构中占据主导地位，而英特尔的CPU主要面向桌面环境。如今，基于x86架构的服务器级芯片不仅价格便宜，而且在99%的应用场景中，选择英特尔路线更具成本效益，即使可能需要使用更多的物理设备。

当前有两个值得关注的硬件趋势：
- 虚拟化 ：根据摩尔定律，处理能力大约每两年翻一番，越来越多的企业架构师开始考虑虚拟化的优势。通过软件仿真，集群中的一台或多台物理服务器可以提供一个或多个虚拟（或可寻址）服务器。这种方式的好处众多，例如能根据流量和负载灵活调整应用的硬件基础，无需承担过高成本和较长的准备时间；通过在多台物理服务器上分配负载，还能提供一定程度的冗余，消除单点故障。
- 使用通用硬件 ：谷歌大力推崇使用通用硬件（即现成的非专业设备）进行托管。从成本角度来看，如果20台每台成本为500美元的设备能提供与15台每台成本为1500美元的设备相同的冗余和性能水平，那么前者显然更具吸引力。大量通用硬件的使用可以抵消专用服务器硬件在弹性、可靠性和寿命方面的优势。

将虚拟化技术与通用服务器结合，理论上能实现两者的优势互补，但需要注意的是，这仍是一项相对年轻的技术，在实际应用中可能还存在一些问题需要解决。

操作系统选择

由于现代应用架构大多依赖基于英特尔的硬件，操作系统的选择主要局限于能在英特尔架构上运行，且有广泛适用应用程序（如Web服务器、数据库服务器、应用服务器等）的系统。除了一些专业和小众的操作系统外，主流的选择主要分为Windows和各种UNIX变体。

• Windows Server ：只有Windows Server系列操作系统适合用作Web服务器。Windows Server 2003和2008基于微软的NT架构，与桌面操作系统（如XP和Vista）使用相同的核心内核，但针对服务器角色进行了优化。Windows Server 2008中的Server Core功能去除了面向桌面的Windows Explorer界面，提供了更类似UNIX的精简方式。
• UNIX及类UNIX系统 ：选择更为多样。Linux仍然是英特尔硬件上最普及和受欢迎的UNIX操作系统，它大多免费（取决于发行版）且有良好的支持，几乎在各个方面都表现出色。自2005年苹果转向英特尔架构后，Mac OS X也成为PHP架构中可行的服务器操作系统选择，但用户需购买苹果的正版硬件，通常是XServe服务器设备，价格相对较高。此外，还有一些其他的UNIX选项，如Sun的OpenSolaris（开源免费）、FreeBSD（在负载下可能比Linux更稳定）和OpenBSD（以安全性和弹性著称）。

大多数高流量网站（除微软自身运营的网站外）仍然使用某种UNIX变体作为基础，不过在Windows和UNIX之间的选择往往取决于个人偏好。

服务器选择

• Web服务器 ：选择合适的Web服务器至关重要，因为每个网站请求都包含大量的HTTP请求，这些请求都要经过Web服务器处理。选择不当可能会危及整个网站的正常运行。目前，Apache仍然是标准选择，它能在UNIX和Windows上运行，但在Windows上的表现不佳。截至目前，它拥有近51%的市场份额，远远超过其最接近的竞争对手——微软的Internet Information Server（IIS），后者的市场份额约为35%。Apache之所以占据主导地位，是因为它免费、支持广泛且各方面表现均衡，成为了一种“无需思考”的选择。

IIS近年来有了很大改进，早期版本存在安全问题，性能和负载下的弹性也受到质疑。虽然这些问题现在已基本得到解决，但在相同流量水平下，IIS在Windows上运行需要比Apache在UNIX上运行更强大的硬件基础设施。此外，还有一些专业的Web服务器也能发挥重要作用，例如Squid可提供前端流量管理、缓存和负载分配；lighttpd和thttpd是“轻量级”Web服务器，专门用于提供静态资产；内核级Web服务器如TUX和KHTTPD则将Web服务功能直接集成到操作系统中，提供更轻量级的解决方案。在大型设置中，多个服务器可以运行不同的Web服务器和操作系统，以实现性能最大化。

• 应用服务器 ：对于PHP开发者来说，应用服务器的概念可能不太熟悉。大多数开发者将PHP作为Web服务器的一部分运行，因此认为Web服务器和应用服务器是同一回事，但实际上并非如此。应用服务器运行应用程序，而Web服务器提供Web页面。以Java 2 Enterprise Edition（J2EE）为例，像Tomcat、JBoss或BEA/Weblogic这样的应用服务器可能会通过HTTP接受请求，但通常会与前端的Web服务器配合，将请求转发给它。应用服务器通常支持Web服务器所没有的高级功能，如资源池、诊断和高级部署技术支持，因此对于提供简单Web页面和其他资产来说，使用应用服务器可能有些“大材小用”。

在PHP环境中，“应用服务器”指的是直接处理PHP引擎请求的服务器。为了获得最佳性能，通常使用将PHP静态“编译”到其中的Apache服务器，这样一个可执行文件就能为应用程序提供服务。通过添加静态资产服务器和前端缓存服务器，可以更智能地分配流量，让每个服务器发挥其优势。

数据库选择

在高流量的PHP应用中，底层数据库的选择对性能有重大影响。大部分应用页面的HTTP请求都会触发某种SQL查询，因此每个HTTP请求的完成速度完全取决于这些SQL查询的执行速度以及数据返回的速度。

在低流量水平下，不同数据库之间的差异较小，因为架构良好的PHP应用通过抽象层（如PDO）和SQL生成技术（如ORM）具有较高的数据库无关性和可移植性。但在高流量情况下，情况就大不相同了。虽然MySQL在执行SELECT查询方面表现出色，但通过适当的缓存和页面生成，这一优势可能会被抵消。更重要的是数据库在处理那些无法缓存或预生成的事务时的性能，例如用户注册、搜索和Web 2.0功能（如即时通讯和评论）。

此外，应用的可扩展性通常取决于能否轻松添加某个组件，数据库也不例外。选择关系型数据库管理系统（RDBMS）时，需要考虑从单个数据库服务器扩展到多个服务器的难易程度，这主要取决于两个特性：
- 集群 ：允许多个物理数据库服务器向连接设备呈现为一个虚拟数据库服务器，从而在过程中分配负载。
- 复制 ：确保所有数据库服务器始终持有相同的数据集，保证无论选择哪个物理服务器处理请求，返回的数据都是一致的。

不同的RDBMS在集群和复制方面的支持程度不同。PostgreSQL对集群和复制的支持依赖于第三方软件包；MySQL的情况稍好，但它的MySQL Cluster平台在企业部署中也存在一些限制。相比之下，微软的SQL Server和Oracle 11g则提供了开箱即用的广泛集群和复制支持。因此，对于真正的高流量应用，可能仍需要投入更多资金来选择合适的数据库。

影响性能和可用性的因素

即使在硬件、操作系统、服务器和数据库等方面都做出了合理选择，仍有许多因素可能影响应用的性能和可用性。

性能指标

• 套接字响应时间 ：指发起与Web服务器的套接字连接到连接成功所花费的时间（扣除本地网络条件影响）。大约50毫秒（ms）的响应时间是理想的，考虑到本地网络延迟20 ms，这意味着在请求发出后70 ms内应打开连接。
• HTTP延迟 ：指客户端发出HTTP请求（如GET、POST等）到服务器开始向客户端返回数据所花费的时间（排除网络延迟）。超过100 ms的延迟被认为是较差的，即发出GET /index.php等命令后，服务器应在100 ms内开始向客户端返回数据。
• 传输速率 ：指数据传输的速率（以位、字节或千字节每秒为单位）。随着家庭网络连接轻松达到8 Mbps，确保基础设施能够支持良好的传输速率至关重要，特别是对于包含Flash电影和视频等大型二进制资产的文件，最低传输速率应达到约2 Mbps。

如果应用在高流量下无法在50 ms内响应套接字连接、在100 ms内响应HTTP请求或实现至少2 Mbps的传输速率，则性能不达标。

影响可用性的因素

• 服务器负载 ：支持应用的每个服务器都承受着负载，通常流量越大，负载越高。随着页面访问量的增加，Web服务器、应用服务器和数据库服务器的资源（内存、CPU和磁盘）负担会不断加重。计算机的多任务处理能力实际上是一种假象，每个CPU一次只能执行一条指令，每个硬盘一次只能读写磁盘的一个部分。硬件控制器和操作系统通过简单的轮询机制创造了多任务处理的错觉。当负载增加时，请求会排队等待处理，任务完成时间会变长，因为每个服务器需要处理更多的任务，分配给每个任务的资源比例会减少。不同服务器过载时表现不同，过载的Web服务器可能导致套接字响应时间变差，而过载的数据库或应用服务器可能影响HTTP延迟。数据库服务器通常是最容易出现问题的环节，因为在典型的PHP应用中，一次访问可能对Web服务器和应用服务器影响不大，但可能需要数据库服务器执行数十甚至数百个查询，因此数据库服务器往往最先出现故障。
• 组件故障 ：应用基础设施中的许多物理组件都可能出现故障，如路由器、交换机、网卡、网线、主板、电源、硬盘、内存芯片、CPU等。如果应用架构存在单点故障，任何一个组件的故障都可能导致立即停机。幸运的是，几乎每个可能的故障点都有相应的缓解策略。其中，硬盘是唯一具有机械运动部件的物理组件，其寿命与流量水平成反比，但现代硬盘即使在高负载下也能使用数年。
• 网络负载 ：内部网络基础设施的吞吐量通常远高于外部互联网连接，即使是廉价的以太网交换机也能达到100 Mbps，而互联网服务提供商（ISP）提供的连接速度可能远低于此。然而，随着以太网设备（交换机、路由器和网卡）负载的增加，连接的打开和关闭速度会下降，高流量可能导致延迟过高，影响用户体验。
• 网络故障 ：无论ISP的服务多么昂贵，偶尔的网络中断都难以避免。如果ISP的核心路由器出现故障，网站将无法接收和发送流量，即网站会停机。使用传统ISP时，很难缓解这种情况，事实上，许多知名网站的大部分停机时间都是由ISP故障引起的，而非其他更复杂的原因。

综上所述，构建高流量和高可用性的Web应用需要综合考虑多个方面，从网络架构、硬件、操作系统到服务器和数据库的选择，同时要充分认识到可能影响性能和可用性的各种因素，并采取相应的措施来应对。只有这样，才能确保应用在高流量环境下稳定运行，为用户提供良好的体验。

高流量与高可用性Web应用的构建与挑战应对（续）

应对影响因素的策略

服务器负载应对策略

为了应对服务器负载问题，需要采取一系列有效的措施。
- 负载均衡 ：可以使用负载均衡器将流量均匀地分配到多个服务器上，避免单个服务器过载。常见的负载均衡算法有轮询、加权轮询、最少连接等。例如，在一个包含多个Web服务器的集群中，负载均衡器可以根据服务器的当前负载情况，将新的请求分配到负载较轻的服务器上。
- 资源监控与优化 ：通过监控服务器的资源使用情况（如CPU、内存、磁盘I/O等），及时发现潜在的性能瓶颈，并进行相应的优化。可以使用监控工具如Nagios、Zabbix等，实时监控服务器的状态。对于数据库服务器，可以优化查询语句、增加索引等方式来提高性能。
- 水平扩展与垂直扩展 ：水平扩展是指增加服务器的数量，以分担负载。例如，从一个数据库服务器扩展到多个数据库服务器，通过集群和复制技术实现负载均衡和数据一致性。垂直扩展则是指升级服务器的硬件配置，如增加CPU核心数、内存容量、硬盘速度等。

以下是一个简单的负载均衡策略选择流程图：

graph TD;
    A[开始] --> B{流量是否稳定};
    B -- 是 --> C{服务器性能差异是否大};
    C -- 是 --> D[使用加权轮询算法];
    C -- 否 --> E[使用轮询算法];
    B -- 否 --> F{是否关注连接数};
    F -- 是 --> G[使用最少连接算法];
    F -- 否 --> H[根据其他需求选择算法];
    D --> I[结束];
    E --> I;
    G --> I;
    H --> I;

组件故障应对策略

为了降低组件故障对应用可用性的影响，可以采取以下措施：
- 冗余设计 ：对于关键组件，如服务器、网络设备、电源等，采用冗余设计。例如，使用双电源供应、双网卡、双硬盘等，当一个组件出现故障时，另一个组件可以立即接替工作，保证系统的正常运行。
- 定期维护与更换 ：定期对硬件组件进行维护和检查，及时发现潜在的问题。对于有使用寿命的组件，如硬盘，根据其使用情况和预计寿命，定期进行更换，避免因组件老化而导致故障。
- 故障自动检测与切换 ：使用监控系统实时监测组件的状态，当检测到组件故障时，自动进行切换。例如，在数据库集群中，当一个数据库服务器出现故障时，自动将连接切换到其他正常的服务器上。

以下是一个组件故障应对措施的列表：
| 应对措施 | 说明 |
| ---- | ---- |
| 冗余设计 | 增加关键组件的备份，提高系统的容错能力 |
| 定期维护与更换 | 及时发现和解决潜在问题，延长组件使用寿命 |
| 故障自动检测与切换 | 快速响应组件故障，减少系统停机时间 |

网络负载应对策略

为了应对网络负载问题，可以从以下几个方面入手：
- 升级网络设备 ：如果内部网络设备的性能成为瓶颈，可以考虑升级网络设备，如更换高速交换机、路由器等，提高网络的吞吐量和响应速度。
- 优化网络拓扑 ：合理设计网络拓扑结构，减少网络延迟和拥塞。例如，采用分层网络结构，将不同功能的设备划分到不同的层次，提高网络的可管理性和性能。
- 流量控制 ：通过流量控制技术，限制某些不必要的流量，保证关键业务的网络带宽。例如，使用防火墙、QoS（Quality of Service）等技术，对不同类型的流量进行优先级划分和带宽分配。

网络故障应对策略

为了降低网络故障对应用可用性的影响，可以采取以下措施：
- 多ISP接入 ：使用多个不同的ISP接入网络，当一个ISP出现故障时，可以自动切换到另一个ISP，保证网络的连通性。
- 本地缓存与备用服务器 ：在本地设置缓存服务器，缓存常用的网页和数据，当网络故障时，用户可以从本地缓存中获取数据，减少对网络的依赖。同时，设置备用服务器，当主服务器因网络故障无法访问时，备用服务器可以接替工作。
- 与ISP合作 ：与ISP建立良好的合作关系，及时获取网络故障信息，并共同制定应对策略。例如，要求ISP提供冗余网络链路、快速故障修复服务等。

软件架构对高流量和高可用性的影响

除了硬件和网络方面的因素，软件架构也对应用的高流量和高可用性有着重要的影响。一个良好的软件架构可以提高应用的可扩展性、可维护性和容错性。

• 模块化设计 ：将应用拆分成多个独立的模块，每个模块负责特定的功能。这样可以提高代码的可维护性和可复用性，同时也便于进行独立的开发和测试。例如，将用户认证、数据处理、页面展示等功能分别封装成不同的模块。
• 分层架构 ：采用分层架构，将应用分为表示层、业务逻辑层和数据访问层。不同层次之间通过接口进行通信，降低了模块之间的耦合度，提高了系统的可扩展性和可维护性。例如，在一个Web应用中，用户通过浏览器访问表示层，表示层将请求转发给业务逻辑层进行处理，业务逻辑层再与数据访问层进行交互，获取和处理数据。
• 异步处理 ：对于一些耗时的操作，如数据库查询、文件上传等，可以采用异步处理的方式，避免阻塞主线程，提高应用的响应速度。例如，使用消息队列将耗时的任务放入队列中，由后台线程进行处理。

以下是一个简单的分层架构示意图：

graph LR;
    A[表示层] --> B[业务逻辑层];
    B --> C[数据访问层];
    C --> D[数据库];

总结

构建高流量和高可用性的Web应用是一个复杂的系统工程，需要综合考虑网络架构、硬件、操作系统、服务器、数据库等多个方面的因素，同时要充分认识到可能影响性能和可用性的各种因素，并采取相应的应对策略。在软件架构方面，采用模块化设计、分层架构和异步处理等技术，可以提高应用的可扩展性、可维护性和容错性。

在实际应用中，需要根据具体的业务需求和场景，选择合适的技术和方案，并不断进行优化和调整。只有这样，才能确保应用在高流量环境下稳定运行，为用户提供优质的服务。通过合理的规划和技术选型，结合有效的监控和维护措施，可以最大程度地降低系统故障的风险，提高应用的可用性和性能，满足用户对高流量和高可用性Web应用的需求。

总之，构建高流量和高可用性的Web应用需要全面的技术知识和丰富的实践经验，不断探索和创新，才能在激烈的市场竞争中脱颖而出。