如何设计高并发,高性能,高可用,高安全的架构?

高并发

是一个容量的概念,服务可以接受的最大任务数量。根据二八定律(80/20定律)架构需要满足那部分20%的突发流量

  • 超时,重试,熔断,限流,双发,负载均衡,自动弹性伸缩
  • 空间换时间(多级缓存架构-需考虑每层的命中率)
  • 时间换空间 压缩(解决带宽问题)
  • 异步
  • 服务拆分+业务隔离
  • 并行化

高性能

是一个速度的概念,单位时间内可以处理的任务数量

衡量的指标

响应时间RT(Response Time)

就是用户发出请求到收到响应数据的时间

  • 平均响应时间
我们最常用的指标,即平均响应时间(AVG),该指标能够体现服务接口的平均处理能力。
它的本质是把所有的请求耗时加起来,然后除以请求的次数。举个最简单的例子,
有10 个请求,其中有 2个1ms、3个5ms、5个10ms,那么它的平均耗时就是(2*1+3*5+5*10)/10=6.7ms。
除非服务在一段时间内出现了严重的问题,否则平均响应时间都会比较平缓。
因为高并发应用请求量都特别大,所以长尾请求的影响会被很快平均,
导致很多用户的请求变慢,但这不能体现在平均耗时指标中。
为了解决这个问题,另外一个比较常用的指标,就是百分位数(Percentile)。
  • 百分位数
超过N%的请求都在X时间内返回。比如TP90=50ms,意思是超过90th的请求,都在50ms
内返回。我们一般分为 TP50、TP90、TP95、TP99、TP99.9等多个段,
对高百分位的值要求越高,对系统响应能力的稳定性要求越高,目标就是要干掉严重影响系统的长尾请求

并发数量

就是系统同时能处理多少用户请求;针对响应时间进行设计,一般来说是万能的。因为响应时间减少,同一时间能够处理的请求必然会增加。值得注意的是,即使是一个秒杀系统,经过层层过滤处理,最终到达某个节点的并发数,也会比较小

吞吐量

就是单位时间内系统处理的请求数量

秒开率

通常而言,可以根据业务情况设定不同的页面打开标准,比如低于1 秒内的数据占比是秒开率。

  • 名词解释
QPS(Queries Per Second)每秒查询的数量
TPS(Transactions Per Second 每秒事务的数量)
HPS(Http Per Second每秒的HTTP请求数量)

QPS=并发数/RT
并发数=QPS*RT

A服务同时调用B服务+C服务,QPS=2,TPS=1
单个接口请求,单机,QPS = TPS。
Throughput = (number of requests) / (total time) 
total time = 测试结束时间 - 测试开始时间 
测试结束时间 = MAX(请求开始时间 + Elapsed Time) 
测试开始时间 = MIN(请求开始时间) 

一般情况下,我们认为:
响应速度是串行执行的优化,通过优化执行步骤解决问题;
吞吐量是并行执行的优化,通过合理利用计算资源达到目标。
我们平常的优化主要侧重于响应速度,因为一旦响应速度提升了,那么整个吞吐量自然也会跟着提升。
但对于高并发的互联网应用来说,响应速度和吞吐量两者都需要。
这些应用都会标榜为高吞吐、高并发的场景,用户对系统的延迟忍耐度很差,
我们需要使用有限的硬件资源,从中找到一个平衡点。

高可用

衡量手段

7x24 小时无中断无异常的服务提供

描述 N个9 可用性级别 年度停机时间
基本可用 2个9 99% 87.6小时
较高可用 3个9 99.9% 8.8小时
具备自动恢复能力可用 4个9 99.99% 53分钟
极高可用 5个9 99.999% 5分钟

优化手段

冗余(机器(混合云),服务(无状态)),解决单点问题,解决脑裂问题。
故障切换。冷,热备份
限流,降级,熔断,弹性设计 
柔性化,兜底(获取通用商品不用个性化推荐,如果也没有可以读取一些静态文字进行展示,包容下一层的错误)
隔离(秒杀单独服务器)
应急预案,演练
自动化监控,告警(业务监控,硬件监控,服务监控(sql,调用次数,延迟,错误率),各个端监控,埋点监控)
同城多活(尽量同城,服务器延迟小),异地多活,两地三中心

高安全

前端代码安全:

代码混淆,加入无关联代码,反调试

后端代码,服务器安全:

服务器等级保护,风控,黑白名单,反爬虫,waf防火墙(Ddos),加密,
https HTTP2 http3
防刷、限量和防重,验证码,sql安全,社会工程学安全,地址隐藏

其它:

办公室电脑人员,电脑,邮件,聊天工具消息往来安全,开发工具,中间件,弱口令

常用优化手段及思想

尽早返回原则
第一段在用户和浏览器端,主要负责发出请求,及接受响应数据进行计算渲染显示给用户;
第二段在网络上,负责对请求数据、响应数据的传输;
第三段在网站服务器端,负责对请求数据进行处理(执行程序、访问数据库、文件等)并将结果返回

第一路径:
js,css压缩合并(varinish),去除无用注释(基于安全考虑)
图片:有损格式用JPEG,无损格式用Webp格式
流媒体,静态资源走CDN,图片走适合大小
浏览器缓存,app缓存

第二路径:
带宽(即根据一次响应数据的大小,乘以PV数,除以对应的高峰时间段,从而大致估算出网站带宽的需求)
互联互通

第三路径:
代码最佳实践优化
业务流程最佳
异步,MQ
并行化,分而治之,无锁化编程,协程
文件静态化
应用层缓存,分布式缓存(多级缓存)
数据库优化(换商业数据库,分库分表,冷热数据分离,读写分离,NoSql-海量数据,NewSql,Hbase)
硬件升级(CPU、内存、带宽,SD磁盘阵列,服务器数量,机房,硬件负载)
高性能nginx,http2,http3,gzip/br以及参数优化

总结10年开发管理历程心得:

面向失败设计,架构师要把自己当成一个悲观主义者,
需要在一开始的系统设计阶段就考虑各种失败以及被外部攻击场景,
把面向失败当成系统设计的一部分,随时有Plan A,Plan B。

世界上解决一个计算机问题最简单的方法:“恰好”不需要解决它。
可以通过优化业务流程,合理的设计来规避问题。

冗余思维(大部分问题都可以通过加一个中间层解决)
分治思维(将一个大任务拆分成很多个小的任务来解决)
空间时间互换思维
并发思维
设计模式思维
池化思维
悲观主义思维

参考:

https://blog.csdn.net/z69183787/article/details/105554908
https://www.cnblogs.com/kumufengchun/p/11065413.html
https://blog.csdn.net/qq_37651267/article/details/93368908
https://juejin.cn/post/6844903701195276295

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