架构：高可用的网站架构——质量保证、运行监控。

悠悠 2024-04-17 05:55 72阅读 0赞

# 高可用网站的软件质量保证 #

在网站运行实践中，除了网络、服务器等硬件故障导致的系统可用性风险外，还有来自软件系统本身的风险。

关于传统的软件测试和软件质量保证管理无序赘言，本节重点讨论网站为了保证线上系统的可用性而采取的一些与传统软件开发不同的质量保证手段。

## 网站发布 ##

网站需要保证7×24高可用运行，同时网站又需要不断的发布新功能吸引用户以保证在激烈的市场竞争中获得成功。许多大型网站每周都需要发布一到两次，而中小型网站则更加频繁，一些处于快速发展期的网站甚至每天发布十几次。

不管发布的新功能是修改了一个按钮的布局还是增加了一个核心业务，都需要在服务器上关闭原有的应用，然后重新部署启动新的应用，整个过程还要求不影响用户的使用。这相当于要求给***飞行中的飞机换个引擎***，既不能让飞机有剧烈晃动（影响用户体验），也不能让飞机降落（系统停机维护），更不能让飞机坠毁（系统故障网站完全不可用）。

网站的发布过程事实上和服务器宕机效果相当，其对系统可用性的影响也和服务器宕机类似。所以设计一个网站的高可用架构时，需要考虑的服务器宕机概率不是物理上的每年一两次，而是事实上的每周一两次。也许你认为这个应用不重要，重启也非常快，用户可以忍受每年一到两次的宕机故障，因而不需要复杂的高可用设计。事实上，由于应用的不断发布，用户需要面对的是每周一到两次的宕机故障。

但是网站发布毕竟是一次提前预知的服务器宕机，所以过程可以更柔和，对用户影响更小。通常使用发布脚本来完成发布，其流程如下图所示。

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发布过程中每次关闭的服务器都是集群中的一小部分，并在发布完成后立即可以访问，因此整个发布过程不影响用户使用。

## 自动化测试 ##

代码在发布到线上服务器之前需要进行严格地测试。即使每次发布的新功能都是在原有系统功能上的小幅增加，但为了系统没有引入未预料的Bug，网站测试还是需要对整个网站功能进行全面的回归测试。此外还需要测试各种浏览器的兼容性。在发布频繁地网站应用中，如果使用人工测试，成本、时间及测试覆盖率都难以接受。

目前大部分网站都采用Web自动化测试技术，使用自动测试工具或脚本完成测试。比较流行的Web自动化测试工具是ThoughtWorks开发的Selenium。Selenium运行在浏览器，模拟用户操作进行测试，因此Selenium可以同时完成Web功能测试和浏览器兼容测试。

大型网站通常也会开发自己的自动化测试工具，可以一键完成系统部署，测试数据生成、测试执行、测试报告生成等全面测试过程。许多网站测试工程师的编码能力毫不逊于软件工程师。

## 预发布验证 ##

即使是经过严格地测试，软件部署到线上服务器之后还是经常会出现各种问题，甚至根本无法启动服务器。主要原因是测试环境和线上环境并不相同，特别是应用需要依赖的其他服务，如数据库、缓存、公用业务服务等，以及一些第三方业务，如电信短信网关、银行网银接口等。

也许是数据库表结构不一致；也许是接口变化导致的通信失败；也许是配置错误导致连接失败；也许是依赖的服务线上环境还没有准备好，这些问题都有可能导致应用故障。

因此在网站发布时，并不是把测试通过的代码包直接发布到线上服务器，而是先发布到预发布机器上，开发工程师和测试工程师在预发布服务器上进行预发布验证，执行一些典型的业务流程，确认系统没有问题后才正式发布。

预发布服务器是一种特殊用途的服务器，它 和线上的正式服务器唯一不同就是没有配置在负载均衡服务器上，外部用户无法访问，如下图所示。

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预发布服务器和线上正式服务器（应用服务器1,2,3）都部署在相同的物理环境（同一个数据中心甚至同一个机架上，如果使用虚拟机，甚至可能在同一个物理服务器上）中，使用相同的线上配置，依赖相同的外部服务。网站工程师通过在自己的开发用计算机上配置hosts文件绑定域名IP关系直接使用IP地址访问预发布服务器。如果在预发布服务器上执行的测试验证都是正确的，基本可以确保在线上正是服务器部署时也没有问题。

不过，也有可能会因为预发布验证而引入问题。因为预发布服务器连接的是真实的生产环境，所有的预发布验证操作都是真实有效的数据，这些操作也许会引起不可预期的问题。比如创建一个店铺，上架一个商品，就有可能有真的用户过来购买，如果不能发货，会导致用户投诉。

一个真实的案例是某网站需要验证海外第三方支付功能，每件商品的售价本来是数千美金，工程师不可能花数千美金去验证自己开发的功能，于是将金额改为一美元，验证成功后，幸福的发布上线了，第二天上班后，发现大量商品以一美元的价格成交。

此外，在网站应用中强调一个处理错误的理念就是快速失败（fast failed），即如果系统在启动时发现问题就立刻抛出异常，停止启动让工程师介入排查错误，而不是启动后执行错误的操作。

## 代码控制 ##

对于大型网站， 核心应用系统和公用业务模块涉及许多团队和工程师，需要对相同的代码库进行共同开发和维护。而这些团队对同一个应用的开发维护（开发周期和发布时间点各不相同），如果代码控制环节出了问题，可能将有问题的代码发布上线，将问题带入生产环境，导致系统故障。

网站代码控制的核心问题是如何进行代码管理，既能保证代码发布版本的稳定正确，同时又能保证不同团队的开发互不影响。

目前大部分网站使用的源代码版本控制工具是SVN，SVN代码控制和版本发布方式一般有以下两种。

### 主干开发、分支发布 ###

代码修改都在主干（trunk）上进行，需要发布的时候，从主干上拉一个分支（branch）发布，该分支即成为一个发布版本，如果该版本发现Bug，继续在该分支上修改发布，并将修改合并（merge）回主干，直到下次主干发布。

### 分支开发，主干发布 ###

任何修改都不得在主干上直接进行，需要开发一个新功能或者修复一个Bug时，从主干拉一个分支进行开发，开发完成且测试通过后，合并回主干，然后从主干进行发布，主干上的代码永远是最新发布的版本。

这两种方式各有优缺点。主干开发、分支发布方式，主干代码反应目前整个 应用的状态，一目了然，便于控制，

有利于持续集成。分支开发，主干发布方式，各个分支独立进行，互不干扰，可以使不同发布周期的开发在同一应用中进行。  
目前网站应用开发中主要使用的是分支开发、主干发布的方式，如下图所示。

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可以想象，如果使用主干开发、分支发布，那么在同一个应用上，对于不同开发周期，不同发布时间的项目，有可能A项目发布的时候，B项目只开发了一半，这时候主干代码是半成品，根本不能发布。而使用分支开发、主干发布的方式，只需要将A项目的分支合并主干即可发布，不受B项目发布时间的影响。  
目前在开源技术社区，Git作为版本控制工具，正逐步取代SVN的地位。Git对分布式开发，分支开发等有更好的支持，也更容易在各个开发分支上及时反应主干的最新更新，避免SVN在最后提交分支代码时发现和主干代码差别太大难以merge成功。但是Git的学习成本较高，如何和网站开发流程相结合还缺乏最佳实践和使用规范。不过相信Git成为网站的标准版本控制工具是迟早的事。

## 自动化发布 ##

网站的版本发布频繁，整个发布过程需要许多团队通力合作，发布前，多个代码分支合并回主干可能会发生冲突（conflict），预发布验证也会带来风险，每次发布又相当于一次宕机事故。因此网站发布过程荆棘丛生，一不小心就会踩到雷。  
对于有固定发布日期的网站（***很多网站选择周四作为发布日，这样一周前面有三天时间可以准备发布，后面还有一天时间可以挽回错误。如果选择周五发布，发现问题就必须要周末加班了***），一到发布日，整个技术部门甚至运营部门就如临大敌，电话声此起彼伏，工程师步履匆匆，连空气中的温度都仿佛升高了几度。即便如此，发布过程还是常常出错，发布日工程师加班到凌晨是常有的事。而且容易忙中出错，因发布引起的故障也居高不下。  
据说国外某知名互联网公司的CTO就因为没有有效手段控制发布故障、减少发布日的加班而引咎辞职。其继任者提出了一个火车发布模型：将每个应用的发布过程看作一次火车旅程，火车定点运行，期间有若干站点，每一站都进行例行检查，不通过的项目下车，剩下的项目继续坐着火车旅行，直到火车到达终点（应用发布成功）。但实际中，有可能所有项目都下车了，开着空车前进是没有意义的，火车不得不回到起点，等待解决了问题再重开一次。还有可能是车上有达官贵人（重点项目，CEO跟投资人拍胸脯的项目），他不上车，谁也别想走，他出了错，大家都跟着回去重来。简化的火车发布模型如下图所示。

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由于火车发布模型是基于规则驱动的流程，所以这个流程可以自动化。采用火车发布模型的网站会开发一个自动化发布的工具实现发布过程的自动化。根据响应驱动流程，自动构造代码分支，进行代码合并，执行发布脚本等。正常流程下，可以做到发布过程无人值守，无需SCM（网站配置管理员）参与，每个项目相关人员基于流程执行相应的操作，即可完成应用自动发布。人的干预越少，自动化程度越高，引入故障的可能性就越小，火车准点到达，大家按时下班的可能性就越大。

## 灰度发布 ##

应用发布成功后，仍然可能发现因为软件问题额让引入的故障，这时候就需要做发布回滚，即卸载刚刚发布的软件，将上一个版本的软件包重新发布，使系统复原，消除故障。  
大型网站的主要业务服务器集群规模非常庞大，比如某大型应用集群服务器数量超过一万台。一旦发现故障，即使想要发布回滚也需要很长时间才能完成，只能眼睁睁看着故障时间不断增加却干着急。为了应付这种局面，大型网站会使用灰度发布模式，将集群服务器分成若干部分，每天只发布一部分服务器，观察运行稳定没有故障，第二天继续发布一部分服务器，持续几天才把整个集群全部发布完毕，期间如果发现问题，只需要回滚已发布的一部分服务器即可。如下图所示。

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灰度发布也常用于用户测试，即在部分服务器上发布新版本，其余服务器保持老版本（或者发布另一个版本），然后监控用户操作行为，收集用户体验报告，比较用户对两个版本的满意度，以确定最终的发布版本。这种手段也被称为AB测试。

# 网站运行监控 #

***“不允许没有监控的系统上线”***，这是许多网络架构师在做项目上线评审时常说的一句话。网站运行监控对于网站运维和架构设计优化至关重要，运维没有监控的网站，犹如驾驶没有仪表的飞机。盲人骑瞎马，夜半临深渊而不知，生死尚且未卜，提高可用性、减少故障率就更无从做起了。

## 监控数据采集 ##

广义上的网络监控涵盖所有非直接业务行为的数据采集与管理，包括供数据分析师和产品设计师使用的网站用户行为日志、业务运行数据，以及供运维工程师和开发工程师使用的系统性能数据等。

### 用户行为日志收集 ###

用户行为日志指用户在浏览器上所做的所有操作及其所在的操作环境，包括用户操作系统与浏览器版本信息，IP地址、页面访问路径、页面停留时间等，这些数据对统计网站PV/UV指标、分析用户行为、优化网站设计、个性化营销与推荐等非常重要。  
具体用户行为日志收集手段有两种。

*  ***服务器端日志收集。***这个方案比较简单，Apache等几乎所有Web服务器都具备日志记录功能，可以记录大部分用户行为日志，开启Web服务器的日志记录功能即可。其缺点是可能会出现信息失真，如IP地址是代理服务器地址而不是用户真实IP；无法识别访问路径等。
 *  ***客户端浏览器收集。***利用页面嵌入专门的JavaScript脚本可以收集用户真实的操作行为，因此比服务器日志收集更加精准。其缺点是比较麻烦，需要在页面嵌入特定的JavaScript脚本来完成。

此外，大型网站的用户日志数据量惊人，数据存储与计算压力很大，目前许多网站逐步开发基于实时计算框架Storm的日志统计与分析工具。

### 服务器性能监控 ###

收集服务器性能指标，如系统Load、内存占用、磁盘IO、网络IO等对尽早做出故障预警，及时判断应用状况，防患于未然，将故障扼杀在萌芽时期非常重要。此外根据性能监控数据，运维工程师可以合理安排服务器集群规模，架构师及时改善性能及调整系统伸缩性策略。  
目前网站使用比较广泛的开源性能监控工具是Ganglia，他支持大规模服务器集群，并支持以图形的方式在浏览器展示实时性能曲线。

### 运行数据报告 ###

除了服务器系统性能监控，网站还需要监控一些与具体业务场景相关的技术和业务指标，比如缓冲命中率、平时响应延迟时间、每分钟发送邮件数目、待处理的任务总数等。  
对于服务器性能监控，网站运维人员可以在初始化系统时统一部署，应用程序开发完全不关心服务器性能监控。而运行数据需要在具体程序中采集并报告，汇总后统一显示，应用程序需要在代码中处理运行数据采集的逻辑。

## 监控管理 ##

监控数据采集后，除了用作系统性能评估、集群规模伸缩性预测等，还可以根据实时监控数据进行风险预警，并对服务器进行失效转移，自动负载调整，最大化利用集群所有机器的资源。

### 系统报警 ###

在服务器运行正常的情况下，其各项监控指标基本稳定在一个特定水平，如果这些指标超过某个阈值，就意味着系统可能将要出现故障，这时就需要对相关人员报警，及时采取措施，在故障还未真正发生时就将其扼杀在萌芽状态。  
监控管理系统可以配置报警预警和值守人员的联系方式，报警方式除了邮件，即时通信工具，还可以配置手机短信，语音报警，系统发生报警时，工程师即使在千里之外、夜里睡觉也能被及时通知，迅速响应。

### 失效转移 ###

除了应用程序访问失败时进行失效转移，监控系统还可以在发现故障的情况下主动通知应用，进行失效转移。

### 自动优雅降级 ###

优雅降级是指网站为了应付突然爆发的访问高峰，主动关闭部分功能，释放部分系统资源，保证网站核心功能正常访问的一个手段。淘宝每年一次的“双十一”促销活动主动关闭“评价”、“确认收货”等非核心功能，以保证交易功能的正常进行，就可以看作是一种优雅降级。  
网站在监控管理基础之上实现自动优雅降级，是网站柔性架构的理想状态：监控系统实时监控所有服务器的运行状况，根据监控参数判断应用访问负载情况，如果发现部分应用负载过高，而部分应用负载过低，就会适当卸载低负载应用部分服务器，重新安装启动部分高负载应用，使应用负载都很高，而且负载压力还在集训增加，就会自动关闭部分非重要功能，保证核心功能正常运行。

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