【恩墨學院】架構設計 | 互聯網架構“高并發”是什么？

架構設計 | 互聯網架構“高并發”是什么？

一、什么是高并發

高并發（High Concurrency）是互聯網分布式系統架構設計中必須考慮的因素之一，它通常是指：通過設計保證系統能夠同時并行處理很多請求。

響應時間（Response Time）：系統對請求做出響應的時間。例如系統處理一個HTTP請求需要200ms，這個200ms就是系統的響應時間。

吞吐量(Throughput)：單位時間內處理的請求數量。

QPS(Quety Per Second)：每秒響應請求數。在互聯網領域，這個指標和吞吐量區分的沒有這么明顯。

并發用戶數：同時承載正常使用系統功能的用戶數量。例如一個即時通訊系統，同時在線量一定程度上代表了系統的并發用戶數。

二、如何提升系統的并發能力

互聯網分布式架構設計，提高系統并發能力的方式，方法論上主要有兩種：垂直擴展（Scale Up）與水平擴展（Scale Out）。

垂直擴展：

提升單機處理能力。垂直擴展的方式又有兩種：

（1）增強單機硬件性能，例如：增加CPU核數如32核，升級更好的網卡如萬兆，升級更好的硬盤如SSD，擴充硬盤容量如2T，擴充系統內存如128G；

（2）提升單機架構性能，例如：使用Cache來減少IO次數，使用異步來增加單服務吞吐量，使用無鎖數據結構來減少響應時間；

在互聯網業務發展非常迅猛的早期，如果預算不是問題，強烈建議使用“增強單機硬件性能”的方式提升系統并發能力，因為這個階段，公司的戰略往往是發展業務搶時間，而“增強單機硬件性能”往往是最快的方法。不管是提升單機硬件性能，還是提升單機架構性能，都有一個致命的不足：單機性能總是有極限的。所以互聯網分布式架構設計高并發終極解決方案還是水平擴展。

水平擴展：

只要增加服務器數量，就能線性擴充系統性能。水平擴展對系統架構設計是有要求的，如何在架構各層進行可水平擴展的設計，以及互聯網公司架構各層常見的水平擴展實踐，是本文重點討論的內容。

三、常見的互聯網分層架構

常見互聯網分布式架構如上，分為：   

（1）客戶端層：典型調用方是瀏覽器browser或者手機應用APP

（2）反向代理層：系統入口，反向代理

（3）站點應用層：實現核心應用邏輯，返回html或者json

（4）服務層：如果實現了服務化，就有這一層

（5）數據-緩存層：緩存加速訪問存儲

（6）數據-數據庫層：數據庫固化數據存儲

整個系統各層次的水平擴展，又分別是如何實施的呢？

四、分層水平擴展架構實踐

反向代理層的水平擴展

反向代理層的水平擴展，是通過“DNS輪詢”實現的：dns-server對于一個域名配置了多個解析ip，每次DNS解析請求來訪問dns-server，會輪詢返回這些ip。

當nginx成為瓶頸的時候，只要增加服務器數量，新增nginx服務的部署，增加一個外網ip，就能擴展反向代理層的性能，做到理論上的無限高并發。

站點層的水平擴展

站點層的水平擴展，是通過“nginx”實現的。通過修改nginx.conf，可以設置多個web后端。

當web后端成為瓶頸的時候，只要增加服務器數量，新增web服務的部署，在nginx配置中配置上新的web后端，就能擴展站點層的性能，做到理論上的無限高并發。

服務層的水平擴展

服務層的水平擴展，是通過“服務連接池”實現的。

站點層通過RPC-client調用下游的服務層RPC-server時，RPC-client中的連接池會建立與下游服務多個連接，當服務成為瓶頸的時候，只要增加服務器數量，新增服務部署，在RPC-client處建立新的下游服務連接，就能擴展服務層性能，做到理論上的無限高并發。如果需要優雅的進行服務層自動擴容，這里可能需要配置中心里服務自動發現功能的支持。

數據層的水平擴展

在數據量很大的情況下，數據層（緩存，數據庫）涉及數據的水平擴展，將原本存儲在一臺服務器上的數據（緩存，數據庫）水平拆分到不同服務器上去，以達到擴充系統性能的目的。

 互聯網數據層常見的水平拆分方式有這么幾種 ：

按照范圍水平拆分

每一個數據服務，存儲一定范圍的數據，上圖為例：

user0庫，存儲uid范圍1-1kw

user1庫，存儲uid范圍1kw-2kw

好處是：

（1）規則簡單，service只需判斷一下uid范圍就能路由到對應的存儲服務；

（2）數據均衡性較好；

（3）比較容易擴展，可以隨時加一個uid[2kw,3kw]的數據服務；

不足是：

請求的負載不一定均衡，一般來說，新注冊的用戶會比老用戶更活躍，大range的服務請求壓力會更大；

按照哈希水平拆分

每一個數據庫，存儲某個key值hash后的部分數據，上圖為例：

user0庫，存儲偶數uid數據

user1庫，存儲奇數uid數據

好處是：

（1）規則簡單，service只需對uid進行hash能路由到對應的存儲服務；

（2）數據均衡性較好；

（3）請求均勻性較好；

不足是：

不容易擴展，擴展一個數據服務，hash方法改變時候，可能需要進行數據遷移；

這里需要注意的是，通過水平拆分來擴充系統性能，與主從同步讀寫分離來擴充數據庫性能的方式有本質的不同。

 通過水平拆分擴展數據庫性能：

（1）每個服務器上存儲的數據量是總量的1/n，所以單機的性能也會有提升；

（2）n個服務器上的數據沒有交集，那個服務器上數據的并集是數據的全集；

（3）數據水平拆分到了n個服務器上，理論上讀性能擴充了n倍，寫性能也擴充了n倍（其實遠不止n倍，因為單機的數據量變為了原來的1/n）；

通過主從同步讀寫分離擴展數據庫性能：

（1）每個服務器上存儲的數據量是和總量相同；

（2）n個服務器上的數據都一樣，都是全集；

（3）理論上讀性能擴充了n倍，寫仍然是單點，寫性能不變；

緩存層的水平拆分和數據庫層的水平拆分類似，也是以范圍拆分和哈希拆分的方式居多，就不再展開。

五、總結

高并發（High Concurrency）是互聯網分布式系統架構設計中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過設計保證系統能夠同時并行處理很多請求。

提高系統并發能力的方式，方法論上主要有兩種：垂直擴展（Scale Up）與水平擴展（Scale Out）。前者垂直擴展可以通過提升單機硬件性能，或者提升單機架構性能，來提高并發性，但單機性能總是有極限的，互聯網分布式架構設計高并發終極解決方案還是后者：水平擴展。

互聯網分層架構中，各層次水平擴展的實踐又有所不同：

（1）反向代理層可以通過“DNS輪詢”的方式來進行水平擴展；

（2）站點層可以通過nginx來進行水平擴展；

（3）服務層可以通過服務連接池來進行水平擴展；

（4）數據庫可以按照數據范圍，或者數據哈希的方式來進行水平擴展；

各層實施水平擴展后，能夠通過增加服務器數量的方式來提升系統的性能，做到理論上的性能無限。