中小企业web应用的架构演化

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本文从简单的单体应用架构说起,逐一介绍企业web应用在其演化进程之路上的各种典型架构,并对于各个架构阶段所面临的挑战进行讨论,最后讨论中小企业应用的终极架构目标:同城主备、异地双活。

1. 单体应用架构

在企业的创世阶段,应用开发是一个从0到1的阶段,选择一个简单架构,不仅可以快速搭建起业务,验证业务模式的正确性,还可以方便业务的快速频繁迭代。因此,很多创业企业都是从单体应用架构开始,这个应用架构的典型特点是:单应用+单数据库。

其架构示意图如下,

虽然是简单架构,麻雀虽小但五脏俱全,在这个阶段,选择合适的前后端技术栈和web框架非常重要,尽量为未来发展创造条件。

1.1 面临的挑战

业务的快速变化,应用迭代频繁,这是初期企业应用面临最大的挑战,这个时期,数据模型的设计甚至比技术栈的选择更加困难。很多时候,一旦业务发展起来了,再想对历史数据推倒重来,会是非常困难的一件事情。

为了能够面对业务的快速迭代,数据模型和应用尽量小范围、内聚、低耦合,在应用内尽量实现无状态的数据流转(比如:数据的事务操作),为未来的调整扩展留出空间、做好打算。

2. 高可用、高可靠、高性能的集群架构

当公司的业务发展起来后,对应用高可用、高可靠、高性能的要求随之而来,于是每一个应用服务部署多个实例,将其挂载在SLB下,通过SLB实现流量的均衡负载,这种集群部署方式其架构简单、技术成熟,在中小企业应用中非常流行。

为了保证数据的安全,一般会搭建起数据库的主从架构,主库用于读写,从库用于读。

2.1 架构示意图

一个集群架构的示意图如下,

图中显示了数据库的主从架构,更多的数据库架构设计可以选择,比如主主、一主多从、双主多从等。

2.2 面临的挑战

集群架构简单,部署起来也不复杂,刚开始很容易形成怎么快怎么做的问题,随着部署的应用数增多,机器环境的管理、应用的灰度部署和快速回滚、问题的定位等等,都会让部署问题显得特别突出。

这个时候,Jenkins等持续集成和持续交付工具的使用,配与一套行之有效的上线规范,将有利于上述问题的解决。

3. 微服务化架构

当公司的业务规模发展壮大到一定程度,应用数达到成百上千时,整个系统的复杂度将成倍增长,如何管控系统的复杂度是需要解决的问题。

为了解决这个问题,各种业界基础架构组件涌现登场,这是其发挥神通广大的时候,这些基础技术组件若按其实现目的有如下三种归类,

  1. 组件抽象(即各种中间件):缓存、消息、数据库访问、网关、隔离熔断、日志
  2. 系统的复杂度管理:配置、灰度发布、日志、监控、告警
  3. 架构解耦:RPC服务组件(RPC框架、服务注册和发现等)

从技术角度,各种中间件的使用相对比较独立,一般在企业应用架构早期便可引入;而对于配置、日志、监控、告警等组件,则会按需引入,这些组件的尽早使用将大大加速系统的运维效率。

而对于RPC服务组件,这是微服务化架构的核心组件,其主要解决服务和服务之间调用的问题。在引入RPC之前,应用和应用之间的调用通过HTTP + 域名 + 网关访问,这种方式的调用有三个主要弊端,

  • HTTP通过网关跳转,通信效率低
  • 网关成为流量瓶颈
  • 应用的上线和下线需要频繁通知网关

RPC服务组件解决了上述的弊端,服务和服务之间可以通过IP直连调用,大大提高了服务和服务之间的访问效率,各个服务的上下线可以通过注册和发现机制自动感知,这是微服务化架构所带来的最大的改变。为了对接内外服务调用,在流量层也需要添加一层内网网关,不仅可以实现服务的内外服务调用转换,还可以实现微服务集群的按应用、按环境隔离。

3.1 架构示意图

一个微服务架构的简要示意图如下,

注:上图勾勒了微服务架构所需的逻辑组件,图中并未画出内外服务的网络调用路径,但这也是搭建微服务架构特别需要关注的方面。

3.2 面临的挑战

为了解决系统的复杂度,引入大量中间件和RPC组件,引入的同时本身就加大了对系统的技术投入,用好、管理好这些基础组件需要较深的技术储备。

从另一个方面,各种基础组件的组合解决方案也层出不穷,花样繁多,这也考验着微服务架构的搭建好与坏。选择合适、成熟的解决方案,谨慎引入一个技术组件,对一个技术组件的考察,不仅考虑其开发使用、和整体架构的融合度,还要考虑其未来的升级,充分的考察和评审有助于搭建良好的微服务架构。

在数据库这一层,一旦某业务表的存储记录达到上亿级别,则需要考虑其分库分表的需求。

4. 多机房架构

当公司的业务规模持续发展,若经营盈利能力较好,业务模式上也有需求,就可以考虑多机房的投资建设。

从架构上有如下几种选择,

  • 同城主备:在同一个城市,搭建主副双机房,主机房正常接流量,副机房则冷备;容灾时主副流量切换。
  • 异地双活:在两个较远距离的城市,搭建双机房,两个机房都同时接流量;容灾时流量切换到可用机房。
  • 两地三中心:在两个较远距离的城市,搭建三机房,其中异地两个机房同时接流量,另外一个机房冷备;容灾时随时启用备用机房,流量切换到可用机房。金融行业为了保证数据和业务安全,有两地三中心的架构需求。

多机房的建设一方面满足业务的需求,实现用户就近访问,提高访问效率;另一个方面实现容灾建设,保障了数据不丢失、服务不中断的容灾目标。

对于大多数中小企业应用来说,同城主备、异地双活为终极架构目标。

4.1 架构示意图 - 同城主备

一个同城主备的示意图如下,

4.2 架构示意图 - 异地双活

异地实现双活,在应用层、数据层可以有两种实现方案,

  • 方案1:两地提供等同的应用服务;数据层根据机房位置,实现异地的数据库冷备。
  • 方案2:应用层根据业务归类,实现异地的应用服务冷备;数据库表根据业务应用归类,实现异地互为冷备。

两种架构模式的示意图如下,

  • 实现方案1

  • 实现方案2

4.3 面临的挑战

多机房架构的挑战主要来自网络架构方面,即使多机房之间拉取了双专线,网络的长距离传输导致的延时(大于100毫秒),对于实现容灾时的网络流量及时切换,会是挑战不小的工作。

因此,在多机房建设的前期,需要对如下方面进行充分的调研,

  1. 网络架构设计:机房双专线搭建、VPC网络搭建、运行环境搭建
  2. 容灾的自动化切换:监控告警、容灾预案、自动化切换(接入层、应用层、数据层)
  3. 面临数据时延性传输的挑战:数据库的DTS同步、应用对数据一致性的容错、避免跨机房的访问调用

5. 架构演化的简单对比

架构演化 企业发展阶段 基础设施投入 人员投入 技术架构
单体 初期 1-2人 简单
集群 中期 一般 2-5人 中等
微服务 中长期 5-10人 复杂
多机房 根据业务需求和经济能力 非常高 10+人 复杂

6. 小结

任何一个成长型企业,软件架构的演化都将经历一个从简单到复杂的进化过程,在不同的阶段有不同的功能职责要求,需要搭建起相应合适的应用架构,承载起企业的发展。

对于大多数中小企业应用来说,基本可以做到集群架构,但是在微服务架构上的搭建好坏,取决于团队的技术储备。受限于经济投入和应用场景,多机房的建设是需要仔细考量后再做定夺。

7. 参考资料

  1. 阿里云:《数据库异地多活解决方案》

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