58、应对高流量与高可用性的策略

应对高流量与高可用性的策略

1. 引言

当网站面临负载时，会出现一系列可能导致不可用或性能不佳的问题。不过，有许多策略可以用来保障网站的正常运行时间。虽然像雅虎那样达到100%的正常运行率可能是偶然情况，但实现99.75%的正常运行率是可行的。

2. 负载均衡

• 单服务器配置 ：对于小型网站，如每天只有数千次页面浏览量的网站，通常采用单服务器配置。网站的主机名（如www.example.com）在DNS中解析为一个公共IP地址，该IP地址可以直接绑定到服务器，或者更常见的是绑定到防火墙，防火墙先过滤流量再将其传递给服务器。服务器会运行合适的操作系统、Web服务软件、数据库平台和应用程序语言，常见的组合是Linux、Apache、MySQL和PHP，简称LAMP。
• 负载均衡环境 ：在负载均衡环境中，会设置两个或更多的服务器来分担来自网站流量的HTTP请求，这样网站就能处理比单服务器更多的流量。但需要注意的是，数据库服务器、交换机等设备的负载均衡相对更难实现。
• 负载均衡的实现方式 ：传统上有两种方式实现负载均衡，即通过DNS或使用硬件负载均衡器。

DNS负载均衡
- 原理 ：通过DNS，可以将一个主机名（如www.example.com）指向两个或更多的IP地址，从而将流量分散到多个服务器。在DNS区域文件中，合适的条目如下：

$ORIGIN example.com.
www     IN     A     10.0.0.1
www     IN     A     10.0.0.2
www     IN     A     10.0.0.3 

每次访问网站时，都会对主机名进行DNS查询，名称服务器返回的与该主机名关联的IP地址是随机的，因此最终接收与访问网站请求相关的HTTP流量的服务器也是随机的。理论上，如果DNS条目中关联了两个服务器IP地址，每个服务器应接收50%的流量。
- 缺点 ：
- IP地址浪费 ：为单个主机名分配多个公共IP地址是一种浪费，尤其是在IPv4地址空间严重供不应求的情况下，IP地址分配机构对随意的请求进行了严格限制。
- DNS缓存问题 ：DNS查询几乎总是被缓存，至少在浏览器访问网站的期间内。这意味着单个会话中的所有流量通常会访问同一台Web服务器，导致流量分配不均。此外，一些ISP使用自己的DNS缓存，违反了DNS区域文件中定义的生存时间（TTL）规则，可能会破坏DNS负载均衡。
- 服务器状态问题 ：DNS负载均衡无法考虑服务器的故障或“生病”情况，因为DNS区域文件不知道哪些服务器是正常的，哪些是故障的。

硬件负载均衡
- 原理 ：硬件负载均衡是一种更企业级的方法，使用专门的负载均衡设备作为网站所有流量的哨兵。它会根据具体情况将单个HTTP请求重定向到两个或更多的Web服务器，通常采用简单的“轮询”方式，有时也会考虑服务器可用性、服务器负载和请求类型等因素。
- 优点 ：可以解决DNS负载均衡的所有问题，并且企业级负载均衡器可以进行双机热备或集群，通过专有协议、连接器和电缆（有时称为心跳链接）共享负载，提供冗余性，允许高流量网站在多个均衡设备上分担负载。
- 缺点 ：成本较高，一个专用设备的价格可能超过30,000美元，主要成本通常是设备上运行的软件和操作系统的许可证费用。一些架构师会考虑自己搭建，Squid提供了基本的负载均衡功能，对于大多数人来说可能已经足够。寻求商业解决方案的人可以考虑F5（www.f5.com）。

3. 地理均衡

• 问题提出 ：随着网站的全球化，连接主机的分布范围也越来越广，全球网站可能会收到来自世界各地的流量。由于流量传输距离越远，用户体验越慢，因此需要将服务器分布在全球各地，以确保用户离提供他们所需内容的服务器不远。
• 解决方案 ：
  • 重定向方法 ：最简单的方法是按标准方式在www上接收流量，然后立即将用户重定向到他们所在地区的特定主机。例如，来自伦敦的用户访问http://www.example.com 后，会立即被重定向到http://london.example.com 。但这种方法存在一些问题，如初始请求的性能可能受到影响，不利于搜索引擎索引网站，以及用户之间分享链接时可能出现问题。
  • 地理负载均衡 ：利用DNS根据用户的位置分配负载。当对初始记录（如www.example.com）进行查询时，通常会向用户的ISP的DNS服务器发起请求，该DNS服务器将请求转发到网站域名使用的名称服务器，名称服务器可以根据远程IP地址发出动态响应，使www.example.com解析的IP地址根据远程用户的位置而变化，从而使第一次请求的流量就能到达正确的服务器。
• 挑战 ：无论采用哪种方法，都需要解决内容同步的问题。对于代码和静态内容，可以使用计划任务和同步软件（如rsync）来实现同步，但数据库的同步更为复杂。

4. NIC团队

• 原理 ：为了消除单点故障，通常会忽略网络设备故障的可能性。通过NIC团队（有时称为链路聚合），两个物理网卡可以共享一个IP地址，分担负载，并在其中一个网卡故障时提供一定的冗余性。同时，这种策略也可以应对网络电缆故障的情况。
• 配置要求 ：一般来说，每个网卡连接到自己的交换机，以避免交换机成为单点故障。由于交换机只识别硬件地址，因此在交换机层面不需要特殊配置，只需将两个交换机分开且不相互连接。在服务器上，操作系统必须配置为支持NIC团队，有时还需要更改BIOS。
• 路由器和防火墙的平衡 ：平衡路由器和防火墙更具挑战性，通常需要心跳连接，使一个设备作为热备用，当活动设备出现故障时，备用设备可以自动启动。具体实现方式因设备和制造商而异，大多数情况下，ISP可以提供帮助。

5. 磁盘容错

• 问题提出 ：虽然现代硬盘比过去更可靠，但磁盘仍有可能出现故障。如果Web应用依赖于单个磁盘，一旦磁盘故障，不仅会导致网站停机，而且从备份中手动恢复丢失的数据也是一项繁琐的工作。
• 解决方案 ：使用独立磁盘冗余阵列（RAID），将多个物理硬盘组合成一个虚拟容器，操作系统只看到一个磁盘，RAID控制器负责在需要时将数据读写到正确的磁盘。
• RAID的优点 ：
  • 数据冗余 ：以RAID 5为例，采用条带化和镜像的方法，多个硬盘提供了更高的存储容量，并且任何一个磁盘完全故障时，服务器不会受到影响，也不会丢失数据。可以设置RAID控制器在这种情况下通过电子邮件或短信通知管理员。
  • 性能提升 ：数据通常分散在磁盘的物理盘片上，如果虚拟磁盘需要快速从两个不同的位置读取数据，两个物理磁盘可以分别提供每个数据块，从而消除了磁头“跳跃”的时间，在高流量情况下可以显著提高性能。
• RAID级别的选择 ：不同的RAID级别有不同的特点，例如RAID 5的读速度较快，但写性能较差，因此对于需要频繁写入的磁盘可能不是合适的选择。可以通过混合不同的RAID级别来实现最佳性能，如将操作系统引导分区放在由两个磁盘组成的RAID 1镜像中，将交换卷放在没有RAID的单个磁盘上，将应用程序数据放在由三个磁盘组成的RAID 5卷中。
• 监控和通知 ：监控和通知非常重要，应安装软件在磁盘出现故障或即将故障时通过电子邮件通知管理员，以便及时更换磁盘。

6. 电源冗余

• 配置建议 ：大多数服务器配备了两个电源和两个电源连接器，通常为IEC60320/C14类型。在可能的情况下，应同时连接两个电源，但要注意这可能会使服务器的功耗翻倍。如果一个电源出现故障，服务器仍能继续运行。
• 监控和通知 ：应确保安装并配置操作系统级别的实用程序来监控电源供应，当电源出现故障或电压超出可接受范围时通知管理员。
• 数据中心电源要求 ：确保ISP的数据中心为设备提供足够的电源，包括由稳压不间断电源（UPS）备份的电源，以及在长期停电时能提供一天或更长时间电力的柴油发电机。但随着全球能源价格的上涨，ISP对电源的要求越来越严格，需要注意服务器的功率需求，避免因过载而跳闸。

7. 多段拓扑结构

• 传统设置 ：在典型的高流量设置中，多个服务器用作Web服务器、数据库服务器、应用程序服务器和资产服务器。在基本的多服务器设置中，这些服务器通常位于同一个以太网段上，它们之间可以自由通信。
• 多段拓扑的优势 ：考虑到服务器的性质，并非所有服务器都需要相互访问或接收来自互联网的流量。因此，可以将服务器放置在不同的以太网段上。
  • 双以太网设置 ：在双以太网设置中，部分服务器配备双网卡，一个网卡连接到“外部段”（可以访问防火墙和互联网），另一个网卡连接到“内部段”（不能访问互联网）。这种设置可以物理上阻止不需要通信的服务器之间的通信，提高安全性，同时提供专用的Web服务器和数据库服务器之间的链接，提高通信速度。
  • 多级分段 ：可以进一步将Web服务器、应用程序服务器和数据库服务器分别放置在不同的以太网段上，只有Web服务器可以公开访问，它们将HTTP请求传递给中间段的应用程序服务器，应用程序服务器再访问内部段的数据库。

通过采用上述策略，可以有效应对网站的高流量和高可用性挑战，确保网站的稳定运行。

应对高流量与高可用性的策略

8. 策略总结与对比

为了更清晰地了解各种应对高流量和高可用性的策略，下面通过表格进行总结对比：
|策略名称|原理|优点|缺点|适用场景|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|DNS负载均衡|将一个主机名指向多个IP地址，DNS查询返回随机IP|成本低，可分散流量|IP地址浪费，受DNS缓存影响，无法考虑服务器状态|小型网站，对成本敏感且流量相对较低|
|硬件负载均衡|使用专门设备根据情况重定向HTTP请求|解决DNS负载均衡问题，可双机热备或集群|成本高|企业级高流量网站|
|地理均衡|通过重定向或DNS根据用户位置分配负载|缩短流量传输距离，提升用户体验|内容同步复杂|全球范围的高流量网站|
|NIC团队|两个物理网卡共享一个IP地址分担负载|提供冗余，应对网卡和电缆故障|服务器配置较复杂|对网络可靠性要求高的服务器|
|磁盘容错|使用RAID将多个物理硬盘组合成虚拟容器|数据冗余，提升性能|不同RAID级别选择复杂|对数据存储可靠性和性能有要求的服务器|
|电源冗余|服务器配备两个电源并连接|一个电源故障时服务器可继续运行|可能增加功耗，需注意ISP电源要求|对服务器持续运行要求高的场景|
|多段拓扑结构|将服务器放置在不同以太网段|提高安全性和通信速度|网络拓扑复杂|高流量、对安全性要求高的网站架构|

9. 实施流程示例

下面以一个简单的高流量网站架构为例，展示上述策略的实施流程：

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([开始]):::startend --> B(规划网站架构):::process
    B --> C{选择负载均衡方式}:::decision
    C -->|DNS负载均衡| D(配置DNS区域文件):::process
    C -->|硬件负载均衡| E(购买并配置负载均衡设备):::process
    D --> F(设置地理均衡策略):::process
    E --> F
    F --> G(配置NIC团队):::process
    G --> H(设置磁盘容错，选择RAID级别):::process
    H --> I(配置电源冗余):::process
    I --> J(设计多段拓扑结构):::process
    J --> K(部署服务器和应用程序):::process
    K --> L(监控和维护):::process
    L --> M([结束]):::startend

10. 注意事项

• IP地址管理 ：在使用DNS负载均衡时，要合理规划IP地址的分配，避免浪费。同时，关注IP地址分配机构的政策变化。
• 缓存管理 ：对于DNS缓存问题，要了解不同ISP的缓存策略，尽量减少其对负载均衡的影响。可以通过设置合理的TTL值来控制缓存时间。
• 服务器状态监控 ：无论是硬件负载均衡还是其他策略，都需要对服务器的状态进行实时监控，及时发现并处理服务器故障或性能问题。
• 内容同步 ：在地理均衡中，内容同步是关键。要确保代码和静态内容通过合适的工具（如rsync）进行定期同步，对于数据库同步，要采用专业的数据库同步方案。
• 设备兼容性 ：在配置NIC团队、负载均衡器等设备时，要确保设备之间的兼容性，避免出现硬件或软件冲突。
• 电源规划 ：在考虑电源冗余时，要根据服务器的功率需求和ISP的电源限制进行合理规划，避免因过载导致跳闸。

11. 常见问题解答

• 问 ：DNS负载均衡和硬件负载均衡哪个更适合小型网站？
  答 ：DNS负载均衡成本低，配置相对简单，对于流量较小的小型网站是一个不错的选择。但如果小型网站对性能和可靠性要求较高，且预算允许，硬件负载均衡可以提供更稳定的服务。
• 问 ：如何选择合适的RAID级别？
  答 ：要根据服务器的具体用途和需求来选择。如果主要是读取操作，RAID 5可能是一个不错的选择；如果对写入性能和数据冗余都有较高要求，可以考虑RAID 6。对于操作系统引导分区，RAID 1可以提供较好的冗余和速度。
• 问 ：地理均衡中如何确保内容同步？
  答 ：对于代码和静态内容，可以使用rsync等工具进行定期同步。对于数据库，可以采用数据库复制、集群等技术来确保数据的一致性。
• 问 ：NIC团队配置后，如何监控网卡状态？
  答 ：可以通过操作系统提供的网络监控工具或第三方监控软件来监控网卡的状态，当网卡出现故障时及时收到通知。

12. 未来趋势展望

随着互联网技术的不断发展，应对高流量和高可用性的策略也在不断演进。未来可能会出现以下趋势：
- 智能化负载均衡 ：负载均衡设备将更加智能化，能够根据实时的服务器性能、网络状况和用户需求进行更精准的流量分配。
- 分布式存储技术 ：分布式存储将进一步发展，提供更高的存储容量和更好的数据冗余性，减少对传统RAID的依赖。
- 软件定义网络（SDN） ：SDN技术将使网络拓扑的配置和管理更加灵活，能够根据网站的流量变化实时调整网络结构。
- 绿色节能技术 ：在应对高流量的同时，服务器和网络设备将更加注重节能，降低能源消耗和运营成本。

通过不断关注和应用这些新技术和趋势，可以更好地应对未来网站面临的高流量和高可用性挑战，确保网站始终保持稳定、高效的运行。