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以“前浪微博”场景为例,谈谈架构设计流程四步曲

2018 年 6 月 05 日

本文摘自资深技术专家李运华在极客时间上开设的 50 期付费专栏《从 0 开始学架构》,已获授权。

让我们结合复杂度来源和架构设计原则,通过一个模拟的设计场景“前浪微博”,和你一起看看在实践中究竟如何进行架构设计。

我们假想一个创业公司,名称叫作“前浪微博”。前浪微博的业务发展很快,系统也越来越多,系统间协作的效率很低,例如:

  • 用户发一条微博后,微博子系统需要通知审核子系统进行审核,然后通知统计子系统进行统计,再通知广告子系统进行广告预测,接着通知消息子系统进行消息推送……一条微博有十几个通知,目前都是系统间通过接口调用的。每通知一个新系统,微博子系统就要设计接口、进行测试,效率很低,问题定位很麻烦,经常和其他子系统的技术人员产生分岐,微博子系统的开发人员不胜其烦。

  • 用户等级达到 VIP 后,等级子系统要通知福利子系统进行奖品发放,要通知客服子系统安排专属服务人员,要通知商品子系统进行商品打折处理……等级子系统的开发人员也是不胜其烦。

新来的架构师在梳理这些问题时,结合自己的经验,敏锐地发现了这些问题背后的根源在于架构上各业务子系统强耦合,而消息队列系统正好可以完成子系统的解耦,于是提议要引入消息队列系统。经过一分析二讨论三开会四汇报五审批等一系列操作后,消息队列系统终于立项了。其他背景信息还有:

  • 中间件团队规模不大,大约 6 人左右。

  • 中间件团队熟悉 Java 语言,但有一个新同事 C/C++ 很牛。

  • 开发平台是 Linux,数据库是 MySQL。

  • 目前整个业务系统是单机房部署,没有双机房。

架构设计第 1 步:识别复杂度

架构设计的本质目的是为了解决软件系统的复杂性,所以在设计架构时,首先就要分析系统的复杂性。

针对前浪微博的消息队列系统,采用“排查法”来分析复杂度,具体分析过程是:

1. 这个消息队列是否需要高性能

我们假设前浪微博系统用户每天发送 1000 万条微博,那么微博子系统一天会产生 1000 万条消息,我们再假设平均一条消息有 10 个子系统读取,那么其他子系统读取的消息大约是 1 亿次。

1000 万和 1 亿看起来很吓人,但对于架构师来说,关注的不是一天的数据,而是 1 秒的数据,即 TPS 和 QPS。我们将数据按照秒来计算,一天内平均每秒写入消息数为 115 条,每秒读取的消息数是 1150 条;再考虑系统的读写并不是完全平均的,设计的目标应该以峰值来计算。峰值一般取平均值的 3 倍,那么消息队列系统的 TPS 是 345,QPS 是 3450,这个量级的数据意味着并不要求高性能。

虽然根据当前业务规模计算的性能要求并不高,但业务会增长,因此系统设计需要考虑一定的性能余量。由于现在的基数较低,为了预留一定的系统容量应对后续业务的发展,我们将设计目标设定为峰值的 4 倍,因此最终的性能要求是:TPS 为 1380,QPS 为 13800。TPS 为 1380 并不高,但 QPS 为 13800 已经比较高了,因此高性能读取是复杂度之一。

注意,这里的设计目标设定为峰值的 4 倍是根据业务发展速度来预估的,不是固定为 4 倍,不同的业务可以是 2 倍,也可以是 8 倍,但一般不要设定在 10 倍以上,更不要一上来就按照 100 倍预估。

2. 这个消息队列是否需要高可用性

对于微博子系统来说,如果消息丢了,导致没有审核,然后触犯了国家法律法规,则是非常严重的事情;对于等级子系统来说,如果用户达到相应等级后,系统没有给他奖品和专属服务,则 VIP 用户会很不满意,导致用户流失从而损失收入,虽然也比较关键,但没有审核子系统丢消息那么严重。

综合来看,消息队列需要高可用性,包括消息写入、消息存储、消息读取都需要保证高可用性。

3. 这个消息队列是否需要高可扩展性

消息队列的功能很明确,基本无须扩展,因此可扩展性不是这个消息队列的复杂度关键。

为了方便理解,这里我只排查“高性能”“高可用”“扩展性”这 3 个复杂度,在实际应用中,不同的公司或者团队,可能还有一些其他方面的复杂度分析。例如,金融系统可能需要考虑安全性,有的公司会考虑成本等。

综合分析下来,消息队列的复杂性主要体现在这几个方面:高性能消息读取、高可用消息写入、高可用消息存储、高可用消息读取。

架构设计第 2 步:设计备选方案

确定了系统面临的主要复杂度问题后,方案设计就有了明确的目标,我们就可以开始真正进行架构方案设计了。

1. 备选方案 1:采用开源的 Kafka

Kafka 是成熟的开源消息队列方案,功能强大,性能非常高,而且已经比较成熟,很多大公司都在使用。

2. 备选方案 2:集群 + MySQL 存储

首先考虑单服务器高性能。高性能消息读取属于“计算高可用”的范畴,单服务器高性能备选方案有很多种。考虑到团队的开发语言是 Java,虽然有人觉得 C/C++ 语言更加适合写高性能的中间件系统,但架构师综合来看,认为无须为了语言的性能优势而让整个团队切换语言,消息队列系统继续用 Java 开发。由于 Netty 是 Java 领域成熟的高性能网络库,因此架构师选择基于 Netty 开发消息队列系统。

由于系统设计的 QPS 是 13800,即使单机采用 Netty 来构建高性能系统,单台服务器支撑这么高的 QPS 还是有很大风险的,因此架构师选择采取集群方式来满足高性能消息读取,集群的负载均衡算法采用简单的轮询即可。

同理,“高可用写入”和“高性能读取”一样,可以采取集群的方式来满足。因为消息只要写入集群中一台服务器就算成功写入,因此“高可用写入”的集群分配算法和“高性能读取”也一样采用轮询,即正常情况下,客户端将消息依次写入不同的服务器;某台服务器异常的情况下,客户端直接将消息写入下一台正常的服务器即可。

整个系统中最复杂的是“高可用存储”和“高可用读取”,“高可用存储”要求已经写入的消息在单台服务器宕机的情况下不丢失;“高可用读取”要求已经写入的消息在单台服务器宕机的情况下可以继续读取。架构师第一时间想到的就是可以利用 MySQL 的主备复制功能来达到“高可用存储“的目的,通过服务器的主备方案来达到“高可用读取”的目的。

具体方案:

简单描述一下方案:

  • 采用数据分散集群的架构,集群中的服务器进行分组,每个分组存储一部分消息数据。

  • 每个分组包含一台主 MySQL 和一台备 MySQL,分组内主备数据复制,分组间数据不同步。

  • 正常情况下,分组内的主服务器对外提供消息写入和消息读取服务,备服务器不对外提供服务;主服务器宕机的情况下,备服务器对外提供消息读取的服务。

  • 客户端采取轮询的策略写入和读取消息。

3. 备选方案 3:集群 + 自研存储方案

在备选方案 2 的基础上,将 MySQL 存储替换为自研实现存储方案,因为 MySQL 的关系型数据库的特点并不是很契合消息队列的数据特点,参考 Kafka 的做法,可以自己实现一套文件存储和复制方案(此处省略具体的方案描述,实际设计时需要给出方案)。

可以看出,高性能消息读取单机系统设计这部分时并没有多个备选方案可选,备选方案 2 和备选方案 3 都采取基于 Netty 的网络库,用 Java 语言开发,原因就在于团队的 Java 背景约束了备选的范围。通常情况下,成熟的团队不会轻易改变技术栈,反而是新成立的技术团队更加倾向于采用新技术。

上面简单地给出了 3 个备选方案用来示范如何操作,实践中要比上述方案复杂一些。架构师的技术储备越丰富、经验越多,备选方案也会更多,从而才能更好地设计备选方案。例如,开源方案选择可能就包括 Kafka、ActiveMQ、RabbitMQ;集群方案的存储既可以考虑用 MySQL,也可以考虑用 HBase,还可以考虑用 Redis 与 MySQL 结合等;自研文件系统也可以有多个,可以参考 Kafka,也可以参考 LevelDB,还可以参考 HBase 等。限于篇幅,这里就不一一展开了。

架构设计第 3 步:评估和选择备选方案

在完成备选方案设计后,如何挑选出最终的方案也是一个很大的挑战。有时候我们要挑选最简单的方案,有时候要挑选最优秀的方案,有时候要挑选最熟悉的方案,甚至有时候真的要领导拍板。因此关键问题是:这里的“有时候”到底应该怎么判断?

** 我的答案就是“360 度环评”!** 具体的操作方式为:列出我们需要关注的质量属性点,然后分别从这些质量属性的维度去评估每个方案,再综合挑选适合当时情况的最优方案。

针对上期提出的 3 个备选方案,架构师组织了备选方案评审会议,参加的人有研发、测试、运维、还有几个核心业务的主管。

1. 备选方案 1:采用开源 Kafka 方案

  • 业务主管倾向于采用 Kafka 方案,因为 Kafka 已经比较成熟,各个业务团队或多或少都了解过 Kafka。

  • 中间件团队部分研发人员也支持使用 Kafka,因为使用 Kafka 能节省大量的开发投入;但部分人员认为 Kafka 可能并不适合我们的业务场景,因为 Kafka 的设计目的是为了支撑大容量的日志消息传输,而我们的消息队列是为了业务数据的可靠传输。

  • 运维代表提出了强烈的反对意见:首先,Kafka 是 Scala 语言编写的,运维团队没有维护 Scala 语言开发的系统的经验,出问题后很难快速处理;其次,目前运维团队已经有一套成熟的运维体系,包括部署、监控、应急等,使用 Kafka 无法融入这套体系,需要单独投入运维人力。

  • 测试代表也倾向于引入 Kafka,因为 Kafka 比较成熟,无须太多测试投入。

2. 备选方案 2:集群 + MySQL 存储

  • 中间件团队的研发人员认为这个方案比较简单,但部分研发人员对于这个方案的性能持怀疑态度,毕竟使用 MySQL 来存储消息数据,性能肯定不如使用文件系统;并且有的研发人员担心做这样的方案是否会影响中间件团队的技术声誉,毕竟用 MySQL 来做消息队列,看起来比较“土”、比较另类。

  • 运维代表赞同这个方案,因为这个方案可以融入到现有的运维体系中,而且使用 MySQL 存储数据,可靠性有保证,运维团队也有丰富的 MySQL 运维经验;但运维团队认为这个方案的成本比较高,一个数据分组就需要 4 台机器(2 台服务器 + 2 台数据库)。

  • 测试代表认为这个方案测试人力投入较大,包括功能测试、性能测试、可靠性测试等都需要大量地投入人力。

  • 业务主管对这个方案既不肯定也不否定,因为反正都不是业务团队来投入人力来开发,系统维护也是中间件团队负责,对业务团队来说,只要保证消息队列系统稳定和可靠即可。

3. 备选方案 3:集群 + 自研存储系统

  • 中间件团队部分研发人员认为这是一个很好的方案,既能够展现中间件团队的技术实力,性能上相比 MySQL 也要高;但另外的研发人员认为这个方案复杂度太高,按照目前的团队人力和技术实力,要做到稳定可靠的存储系统,需要耗时较长的迭代,这个过程中消息队列系统可能因为存储出现严重问题,例如文件损坏导致丢失大量数据。

  • 运维代表不太赞成这个方案,因为运维之前遇到过几次类似的存储系统故障导致数据丢失的问题,损失惨重。例如,MongoDB 丢数据、Tokyo Tyrant 丢数据无法恢复等。运维团队并不相信目前的中间件团队的技术实力足以支撑自己研发一个存储系统(这让中间件团队的人员感觉有点不爽)。

  • 测试代表赞同运维代表的意见,并且自研存储系统的测试难度也很高,投入也很大。

  • 业务主管对自研存储系统也持保留意见,因为从历史经验来看,新系统上线肯定有 bug,而存储系统出 bug 是最严重的,一旦出 bug 导致大量消息丢失,对系统的影响会严重。

针对 3 个备选方案的讨论初步完成后,架构师列出了 3 个方案的 360 度环评表:

列出这个表格后,无法一眼看出具体哪个方案更合适,于是大家都把目光投向架构师,决策的压力现在集中在架构师身上了。

架构师经过思考后,给出了最终选择备选方案 2,原因有:

  • 排除备选方案 1 的主要原因是可运维性,因为再成熟的系统,上线后都可能出问题,如果出问题无法快速解决,则无法满足业务的需求;并且 Kafka 的主要设计目标是高性能日志传输,而我们的消息队列设计的主要目标是业务消息的可靠传输。

  • 排除备选方案 3 的主要原因是复杂度,目前团队技术实力和人员规模(总共 6 人,还有其他中间件系统需要开发和维护)无法支撑自研存储系统(参考架构设计原则 2:简单原则)。

  • 备选方案 2 的优点就是复杂度不高,也可以很好地融入现有运维体系,可靠性也有保障。

针对备选方案 2 的缺点,架构师解释是:

  • 备选方案 2 的第一个缺点是性能,业务目前需要的性能并不是非常高,方案 2 能够满足,即使后面性能需求增加,方案 2 的数据分组方案也能够平行扩展进行支撑(参考架构设计原则 3:演化原则)。

  • 备选方案 2 的第二个缺点是成本,一个分组就需要 4 台机器,支撑目前的业务需求可能需要 12 台服务器,但实际上备机(包括服务器和数据库)主要用作备份,可以和其他系统并行部署在同一台机器上。

  • 备选方案 2 的第三个缺点是技术上看起来并不很优越,但我们的设计目的不是为了证明自己(参考架构设计原则 1:合适原则),而是更快更好地满足业务需求。

最后,大家针对一些细节再次讨论后,确定了选择备选方案 2。

通过“前浪微博”这个案例我们可以看出,备选方案的选择和很多因素相关,并不单单考虑性能高低、技术是否优越这些纯技术因素。业务的需求特点、运维团队的经验、已有的技术体系、团队人员的技术水平都会影响备选方案的选择。因此,同样是上述 3 个备选方案,有的团队会选择引入 Kafka,有的会选择自研存储系统。

架构设计第 4 步:详细方案设计

完成备选方案的设计和选择后,我们终于可以长出一口气,因为整个架构设计最难的一步已经完成了,但整体方案尚未完成,架构师还需继续努力。接下来我们需要再接再励,将最终确定的备选方案进行细化,使得备选方案变成一个可以落地的设计方案。

虽然我们在“前浪微博”消息队列的架构设计挑选了备选方案 2 作为最终方案,但备选方案设计阶段的方案粒度还比较粗,无法真正指导开发人员进行后续的设计和开发,因此需要在备选方案的基础上进一步细化。

下面我列出一些备选方案 2 典型的需要细化的点供参考,有兴趣的同学可以自己尝试细化更多的设计点。

1. 细化设计点 1:数据库表如何设计?

  • 数据库设计两类表,一类是日志表,用于消息写入时快速存储到 MySQL 中;另一类是消息表,每个消息队列一张表。

  • 业务系统发布消息时,首先写入到日志表,日志表写入成功就代表消息写入成功;后台线程再从日志表中读取消息写入记录,将消息内容写入到消息表中。

  • 业务系统读取消息时,从消息表中读取。

  • 日志表表名为 MQ_LOG,包含的字段:日志 ID、发布者信息、发布时间、队列名称、消息内容。

  • 消息表表名就是队列名称,包含的字段:消息 ID(递增生成)、消息内容、消息发布时间、消息发布者。

  • 日志表需要及时清除已经写入消息表的日志数据,消息表最多保存 30 天的消息数据。

2. 细化设计点 2:数据如何复制?

直接采用 MySQL 主从复制即可,只复制消息存储表,不复制日志表。

3. 细化设计点 3:主备服务器如何倒换?

采用 ZooKeeper 来做主备决策,主备服务器都连接到 ZooKeeper 建立自己的节点,主服务器的路径规则为“/MQ/server/ 分区编号 /master”,备机为“/MQ/server/ 分区编号 /slave”,节点类型为 EPHEMERAL。

备机监听主机的节点消息,当发现主服务器节点断连后,备服务器修改自己的状态,对外提供消息读取服务。

4. 细化设计点 4:业务服务器如何写入消息?

  • 消息队列系统设计两个角色:生产者和消费者,每个角色都有唯一的名称。

  • 消息队列系统提供 SDK 供各业务系统调用,SDK 从配置中读取所有消息队列系统的服务器信息,SDK 采取轮询算法发起消息写入请求给主服务器。如果某个主服务器无响应或者返回错误,SDK 将发起请求发送到下一台服务器。

5. 细化设计点 5:业务服务器如何读取消息?

  • 消息队列系统提供 SDK 供各业务系统调用,SDK 从配置中读取所有消息队列系统的服务器信息,轮流向所有服务器发起消息读取请求。

  • 消息队列服务器需要记录每个消费者的消费状态,即当前消费者已经读取到了哪条消息,当收到消息读取请求时,返回下一条未被读取的消息给消费者。

6. 细化设计点 6:业务服务器和消息队列服务器之间的通信协议如何设计?

考虑到消息队列系统后续可能会对接多种不同编程语言编写的系统,为了提升兼容性,传输协议用 TCP,数据格式为 ProtocolBuffer。

当然还有更多设计细节就不再一一列举,因此这还不是一个完整的设计方案,我希望可以通过这些具体实例来说明细化方案具体如何去做。

注:本文仅为专栏的部分内容摘要,欲阅读以上完整的四篇文章,请【戳此订阅】李运华独家专栏《从 0 开始学架构》。

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2018 年 6 月 05 日 04:431738

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