2013年下半年试题四：论分布式存储系统架构设计及其实现
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论文题目
相对于传统的集中式计算或集中式存储，分布式架构是将数据存储能力和计算能力分布到不同的服务器上，作为一个整体对外提供服务。分布式架构能解决集中式架构单点故障导致的服务中断，提高系统的可靠性和可用性，是互联网大厂普遍采用的一种架构模式。
请围绕“论分布式架构设计及其实现”论题，依次从以下三个方面进行论述。
1.概要叙述你所参与管理或开发的软件项目，以及你在其中所承担的主要工作。
2.阐述至少4种以上常见分布式技术，并对它们的内涵和适用范围进行简述。
3.结合项目，具体阐述如何基于分布式架构进行软件设计和实现。
论文参考
论分布式架构设计及其实现
摘要
本文以我参与的某公司“酒业上云”项目为例，论述了分布式架构的设计方法和实现过程。该项目的目标是构建以某酒厂生产的白酒产品为主的电子商城，实现该酒厂的线下营销升级为在线营销的战略目标，包括线上抢购、支付、线下原厂配送、防伪溯源等一系列电子商务功能。在此项目中，我作为系统架构师及主要管理人员，参与了该项目的需求开发、系统架构设计等主导工作。我们依据现有的开发实践经验认为，分布式架构不仅能解决集中式架构的单点性能瓶颈，还能够提升系统的可靠性、可用性、并发性等多种软件质量属性，是现代电子商务系统构建的必备技术手段。我们对系统进行了分层设计，存储层采用分区设计，应用层采用微服务架构，接入层采用负载均衡技术及多机房部署方式，保证了业主方对于秒杀场景的高性能需求目标。最后项目成功上线，赢得了客户的好评。
正文
近年来，随着互联网科技的发展，中国电子商务发展迅速，变得和我们日常生活息息相关，也受到了越来越多企业的关注。2021年下半年，某著名酒业公司决定发展电子商城及线上促销业务，发起了“酒业上云”项目，实现线上抢购、支付、线下原厂配送、防伪溯源等一系列电子商务功能。该项目投资3000万元，计划6个月完成，并对项目进行了公开招标，我公司成功中标。2021年10月，我作为该项目的系统架构师，全面负责“酒业上云”项目的架构设计工作。经全员讨论，系统在分层设计的基础上，在各层分别实践了分布式架构设计，得到了项目组成员和公司高层的认可。
在项目之初，我充分分析了项目特点，认识到项目建设难度较大。由于业主方是一个广受欢迎的白酒品牌，可以预见到电子商城App一旦发布，特定的销售策略会引来海量用户的注册、登录、抢购，因此甲方公司对于整体系统性能要求极高。我们必须在架构设计时保持严谨、正确、科学的设计方法，才能对项目的功能和质量目标起保障作用。因此我决定运用分布式存储、微服务、负载均衡、DNS等多种分布式架构理论及设计方法，结合分层设计的架构思想，力争实现业主方提出的100万最大并发用户、300万最高tps、延时最高不超过500ms的秒杀场景的质量需求。下文将从系统分层的角度，详述在该项目中如何实施分布式架构方法。
一、分布式存储
由于存储层的各项性能指标将决定整个系统的性能，因此存储层的架构设计至关重要。本项目对分布式存储数据进行了分区，分区方式有水平分区和垂直分区两种。水平分区是按照一定的分布策略，将数据分布到不同的节点（库、表等）去存储，常见的策略有范围分区、列表分区（枚举分区）、hash分区。垂直分区是按业务字段进行分类并拆分表格，分布存储到不同的节点。采用分区方案后，针对本项目读多写少的特点，我们对每个存储节点设计成“主从集群”方式实现“读写分离”和数据的“多节点备份”。这样的设计方案适用于性能要求较高的大规模存储系统，既提升了系统的整体并发性、数据存储的高可用性，又保证了数据的可靠性。
在该项目中，300万tps的订单数据想要高效地、可靠地保存到数据库，只靠单点集中式数据库是无法实现的。业务方要求性能的同时，也对存储服务的可用性、数据存储的可靠性提出了需求，例如可用性要达到99.9999%，数据丢失率要小于0.0001%。因此分布式存储的架构方案是该项目的不二之选。我们采取的策略如下：
（1）确定基础技术的选型。我们选用MySQL开源数据库作为基础构件，来搭建分区的每个节点。在每个节点使用两个MySQL组成“主从复制集群”，通过MySQL的binlog复制，保证两者数据的一致性。当主库出现问题时，自动化执行“主从切换”，升级从库为主库，继续提供数据读写服务，保证可用性。
（2）确定分区策略。为了确保数据存储的均匀性，采用了hash的分布策略。对每一个订单的关键信息进行hash运算，并对节点数进行取模后，得到该订单应该归属的存储节点。
（3）确定分区数量。经过负载压力测试，我们得到每个存储节点上的MySQL主从集群在16核32G内存500G普通SSD磁盘的配置下，在可接受的延时范围内，能够达到3万tps的性能指标。因此我们决定用100个分区节点来达到300万的tps指标。
（4）确定透明性等级。为了让应用层更方便地访问数据库，我们选用了Sharding Proxy数据库代理构件，向应用层屏蔽了存储层的细节，达到了“分片透明性”等级。这样应用层访问分布式数据库时，就像访问单点数据库一样简单。
在落实这些策略后，我们满足了客户所要求的数据存取性能指标，为整个系统的质量达标奠定了基础。
二、微服务化
“微服务化”主张将传统的单体应用拆分成一组小的服务，服务之间相互协作，实现业务功能。每个服务运行在独立的进程中，采用轻量级的通信机制协作，保证了每个小服务的封装性、可重用性、易维护性、易扩展性，用以解决业务的复杂性问题。拆解出来的多个小服务有利于实现系统的高并发、高性能、高可用性。
应用层架构需要满足业主方提出的最大100万并发用户指标。因此我们采取了微服务设计方案，微服务能提供服务的弹性扩展能力，以及并发的扩展能力。业务上我们选用Java的Spring框架，来实现面向用户的业务服务，把电子商城的订单、支付、防伪、溯源，封装成Web Service。在300万tps的模拟用户压力测试下，不断调整和优化微服务的数量，让应用层的整体资源使用率保持在75%左右，由此确定了各业务微服务的集群数量。
三、负载均衡
通常接入层都会有一个Web服务器，它首先接收客户端的请求，然后将请求传递给应用层的某台服务器去处理。此时它就充当了“负载均衡”功能，决定如何选取应用服务器。常见的负载均衡策略有轮询法、随机法、源地址哈希法、键值范围法等静态策略，还有最小连接数法、最快响应速度法等动态策略。它对于整个系统的分布式架构具有“导流”的作用，也可以提供“限流”“熔断”等高级负载均衡策略。
本项目中，应用层拥有庞大的应用层服务器，需要在接入层选用高性能的Web服务器，来充当负载均衡器。经过仔细分析和调研，我们最终选择了Nginx来担当Web服务器，并选用了最小连接数法作为负载均衡策略。这可以让每个应用层服务器获取平均网络连接数，使得每个服务的响应用户数基本相等，从而尽可能地提高应用层服务器的利用效率。
在该项目中，由于有秒杀业务的场景，所以为了避免单机房的流量瓶颈，更靠近用户来提供服务。由此，我们采用了建设多机房的方案，我们在北京、上海、深圳、贵阳四地建设了4个机房，分别服务华北、华东、华南、华西的用户。每个机房都有两个接入IP，全部绑定同一个域名。DNS会将域名解析为离访问用户最近的IP地址，这样就可以把全国的用户按照地理位置分配给不同的机房，从而实现更高层面的“负载均衡”。
得益于各层面分布式架构方案的综合实施，“酒业上云”项目质量指标顺利达成。经过全体成员历时6个月的艰苦奋战，我们终于按期完成了项目目标，并于2022年4月1日试运行及验收测试，于5月1日正式全面运营。并且第一次秒杀活动系统运行平稳，顺利通过大考。但是项目建设过程中也存在一些不足，由于疫情的原因很多同事无法现场办公，影响了沟通的效率。我们采取了视频电话+邮件确认的制度，保证每个同事的信息共享，解决了信息传达的问题。所以，分布式架构方案是现代软件建设的关键技术，它关系着一个项目的成败。我会继续学习架构技术，使得架构能力更上一层楼。