一、什么是高可用

高可用HA(High Availability)是分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過(guò)設(shè)計(jì)減少系統(tǒng)不能提供服務(wù)的時(shí)間。

假設(shè)系統(tǒng)一直能夠提供服務(wù)，我們說(shuō)系統(tǒng)的可用性是100%。如果系統(tǒng)每運(yùn)行100個(gè)時(shí)間單位，會(huì)有1個(gè)時(shí)間單位無(wú)法提供服務(wù)，我們說(shuō)系統(tǒng)的可用性是99%。很多公司的高可用目標(biāo)是4個(gè)9，也就是99.99%，這就意味著，系統(tǒng)的年停機(jī)時(shí)間為8.76個(gè)小時(shí)。

百度的搜索首頁(yè)，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)高可用保障非常出色的系統(tǒng)，甚至人們會(huì)通過(guò)www.baidu.com能不能訪(fǎng)問(wèn)來(lái)判斷“網(wǎng)絡(luò)的連通性”，百度高可用的服務(wù)讓人留下啦“網(wǎng)絡(luò)通暢，百度就能訪(fǎng)問(wèn)”，“百度打不開(kāi)，應(yīng)該是網(wǎng)絡(luò)連不上”的印象，這其實(shí)是對(duì)百度HA最高的褒獎(jiǎng)。

二、如何保障系統(tǒng)的高可用

我們都知道，單點(diǎn)是系統(tǒng)高可用的大敵，單點(diǎn)往往是系統(tǒng)高可用最大的風(fēng)險(xiǎn)和敵人，應(yīng)該盡量在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中避免單點(diǎn)。方法論上，高可用保證的原則是“集群化”，或者叫“冗余”：只有一個(gè)單點(diǎn)，掛了服務(wù)會(huì)受影響;如果有冗余備份，掛了還有其他backup能夠頂上。

保證系統(tǒng)高可用，架構(gòu)設(shè)計(jì)的核心準(zhǔn)則是：冗余。有了冗余之后，還不夠，每次出現(xiàn)故障需要人工介入恢復(fù)勢(shì)必會(huì)增加系統(tǒng)的不可服務(wù)實(shí)踐。所以，又往往是通過(guò)“自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移”來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可用。接下來(lái)我們看下典型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，如何通過(guò)冗余+自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移來(lái)保證系統(tǒng)的高可用特性。

三、常見(jiàn)的互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)

常見(jiàn)互聯(lián)網(wǎng)分布式架構(gòu)如上，分為：

• (1)客戶(hù)端層：典型調(diào)用方是瀏覽器browser或者手機(jī)應(yīng)用APP
• (2)反向代理層：系統(tǒng)入口，反向代理
• (3)站點(diǎn)應(yīng)用層：實(shí)現(xiàn)核心應(yīng)用邏輯，返回html或者json
• (4)服務(wù)層：如果實(shí)現(xiàn)了服務(wù)化，就有這一層
• (5)數(shù)據(jù)-緩存層：緩存加速訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)
• (6)數(shù)據(jù)-數(shù)據(jù)庫(kù)層：數(shù)據(jù)庫(kù)固化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

整個(gè)系統(tǒng)的高可用，又是通過(guò)每一層的冗余+自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移來(lái)綜合實(shí)現(xiàn)的。

四、分層高可用架構(gòu)實(shí)踐

1. 客戶(hù)端層->反向代理層的高可用

客戶(hù)端層到反向代理層的高可用，是通過(guò)反向代理層的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)的。以nginx為例：有兩臺(tái)nginx，一臺(tái)對(duì)線(xiàn)上提供服務(wù)，另一臺(tái)冗余以保證高可用，常見(jiàn)的實(shí)踐是keepalived存活探測(cè)，相同virtual IP提供服務(wù)。

自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移：當(dāng)nginx掛了的時(shí)候，keepalived能夠探測(cè)到，會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移，將流量自動(dòng)遷移到shadow-nginx，由于使用的是相同的virtual IP，這個(gè)切換過(guò)程對(duì)調(diào)用方是透明的。

2. 反向代理層->站點(diǎn)層的高可用

反向代理層到站點(diǎn)層的高可用，是通過(guò)站點(diǎn)層的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)的。假設(shè)反向代理層是nginx，nginx.conf里能夠配置多個(gè)web后端，并且nginx能夠探測(cè)到多個(gè)后端的存活性。

自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移：當(dāng)web-server掛了的時(shí)候，nginx能夠探測(cè)到，會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移，將流量自動(dòng)遷移到其他的web-server，整個(gè)過(guò)程由nginx自動(dòng)完成，對(duì)調(diào)用方是透明的。

3. 站點(diǎn)層->服務(wù)層的高可用

站點(diǎn)層到服務(wù)層的高可用，是通過(guò)服務(wù)層的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)的。“服務(wù)連接池”會(huì)建立與下游服務(wù)多個(gè)連接，每次請(qǐng)求會(huì)“隨機(jī)”選取連接來(lái)訪(fǎng)問(wèn)下游服務(wù)。

自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移：當(dāng)service掛了的時(shí)候，service-connection-pool能夠探測(cè)到，會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移，將流量自動(dòng)遷移到其他的service，整個(gè)過(guò)程由連接池自動(dòng)完成，對(duì)調(diào)用方是透明的(所以說(shuō)RPC-client中的服務(wù)連接池是很重要的基礎(chǔ)組件)。

4. 服務(wù)層>緩存層的高可用

服務(wù)層到緩存層的高可用，是通過(guò)緩存數(shù)據(jù)的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 緩存層的數(shù)據(jù)冗余又有幾種方式：第一種是利用客戶(hù)端的封裝，service對(duì)cache進(jìn)行雙讀或者雙寫(xiě)。

緩存層也可以通過(guò)支持主從同步的緩存集群來(lái)解決緩存層的高可用問(wèn)題。

以redis為例，redis天然支持主從同步，redis官方也有sentinel哨兵機(jī)制，來(lái)做redis的存活性檢測(cè)。

自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移：當(dāng)redis主掛了的時(shí)候，sentinel能夠探測(cè)到，會(huì)通知調(diào)用方訪(fǎng)問(wèn)新的redis，整個(gè)過(guò)程由sentinel和redis集群配合完成，對(duì)調(diào)用方是透明的。

說(shuō)完緩存的高可用，這里要多說(shuō)一句，業(yè)務(wù)對(duì)緩存并不一定有“高可用”要求，更多的對(duì)緩存的使用場(chǎng)景，是用來(lái)“加速數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)”：把一部分?jǐn)?shù)據(jù)放到緩存里，如果緩存掛了或者緩存沒(méi)有命中，是可以去后端的數(shù)據(jù)庫(kù)中再取數(shù)據(jù)的。

這類(lèi)允許“cache miss”的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，緩存架構(gòu)的建議是：

將kv緩存封裝成服務(wù)集群，上游設(shè)置一個(gè)代理(代理可以用集群的方式保證高可用)，代理的后端根據(jù)緩存訪(fǎng)問(wèn)的key水平切分成若干個(gè)實(shí)例，每個(gè)實(shí)例的訪(fǎng)問(wèn)并不做高可用。

緩存實(shí)例掛了屏蔽：當(dāng)有水平切分的實(shí)例掛掉時(shí)，代理層直接返回cache miss，此時(shí)緩存掛掉對(duì)調(diào)用方也是透明的。key水平切分實(shí)例減少，不建議做re-hash，這樣容易引發(fā)緩存數(shù)據(jù)的不一致。

5. 服務(wù)層>數(shù)據(jù)庫(kù)層的高可用

大部分互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)層都用了“主從同步，讀寫(xiě)分離”架構(gòu)，所以數(shù)據(jù)庫(kù)層的高可用，又分為“讀庫(kù)高可用”與“寫(xiě)庫(kù)高可用”兩類(lèi)。

服務(wù)層>數(shù)據(jù)庫(kù)層“讀”的高可用

服務(wù)層到數(shù)據(jù)庫(kù)讀的高可用，是通過(guò)讀庫(kù)的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

既然冗余了讀庫(kù)，一般來(lái)說(shuō)就至少有2個(gè)從庫(kù)，“數(shù)據(jù)庫(kù)連接池”會(huì)建立與讀庫(kù)多個(gè)連接，每次請(qǐng)求會(huì)路由到這些讀庫(kù)。

自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移：當(dāng)讀庫(kù)掛了的時(shí)候，db-connection-pool能夠探測(cè)到，會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移，將流量自動(dòng)遷移到其他的讀庫(kù)，整個(gè)過(guò)程由連接池自動(dòng)完成，對(duì)調(diào)用方是透明的(所以說(shuō)DAO中的數(shù)據(jù)庫(kù)連接池是很重要的基礎(chǔ)組件)。

服務(wù)層>數(shù)據(jù)庫(kù)層“寫(xiě)”的高可用

服務(wù)層到數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)的高可用，是通過(guò)寫(xiě)庫(kù)的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

以mysql為例，可以設(shè)置兩個(gè)mysql雙主同步，一臺(tái)對(duì)線(xiàn)上提供服務(wù)，另一臺(tái)冗余以保證高可用，常見(jiàn)的實(shí)踐是keepalived存活探測(cè)，相同virtual IP提供服務(wù)。

自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移：當(dāng)寫(xiě)庫(kù)掛了的時(shí)候，keepalived能夠探測(cè)到，會(huì)自動(dòng)的進(jìn)行故障轉(zhuǎn)移，將流量自動(dòng)遷移到shadow-db-master，由于使用的是相同的virtual IP，這個(gè)切換過(guò)程對(duì)調(diào)用方是透明的。

五、總結(jié)

高可用HA(High Availability)是分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮的因素之一，它通常是指，通過(guò)設(shè)計(jì)減少系統(tǒng)不能提供服務(wù)的時(shí)間。

方法論上，高可用是通過(guò)冗余+自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)分層系統(tǒng)架構(gòu)的高可用，又是通過(guò)每一層的冗余+自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移來(lái)綜合實(shí)現(xiàn)的，具體的：

1. 客戶(hù)端層到反向代理層的高可用，是通過(guò)反向代理層的冗余實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)實(shí)踐是keepalived + virtual IP自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移。
2. 反向代理層到站點(diǎn)層的高可用，是通過(guò)站點(diǎn)層的冗余實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)實(shí)踐是nginx與web-server之間的存活性探測(cè)與自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移。
3. 站點(diǎn)層到服務(wù)層的高可用，是通過(guò)服務(wù)層的冗余實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)實(shí)踐是通過(guò)service-connection-pool來(lái)保證自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移。
4. 服務(wù)層到緩存層的高可用，是通過(guò)緩存數(shù)據(jù)的冗余實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)實(shí)踐是緩存客戶(hù)端雙讀雙寫(xiě)，或者利用緩存集群的主從數(shù)據(jù)同步與sentinel保活與自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移;更多的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，對(duì)緩存沒(méi)有高可用要求，可以使用緩存服務(wù)化來(lái)對(duì)調(diào)用方屏蔽底層復(fù)雜性。
5. 服務(wù)層到數(shù)據(jù)庫(kù)“讀”的高可用，是通過(guò)讀庫(kù)的冗余實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)實(shí)踐是通過(guò)db-connection-pool來(lái)保證自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移。
6. 服務(wù)層到數(shù)據(jù)庫(kù)“寫(xiě)”的高可用，是通過(guò)寫(xiě)庫(kù)的冗余實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)實(shí)踐是keepalived + virtual IP自動(dòng)故障轉(zhuǎn)移。

末了，希望文章的思路是清晰的，希望大家對(duì)高可用的概念和實(shí)踐有個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)識(shí).