架构初探 | 青训营笔记

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这是我参与「第五届青训营」笔记创作活动的第7天。

一、本堂课重点知识

今天主要的学习内容是架构相关知识。

二、详细知识点介绍

1. 什么是架构

架构，又称软件架构

  • 是有关软件整体结构与组件的抽象描述
  • 用于指导软件系统各方面的设计

Q:定义还是太抽象，能不能再通俗一点？

  • 实现一个软件有很多方法，架构在方法选择上起着至关重要的指导作用

Q:架构的重要性？

  • 地基没打好，大厦容易倒
  • 地基坚实了，大厦才能盖的高
  • 站在巨人肩膀上，才能看得远

软件系统需要具备对外提供服务，单机，就是把所有功能都实现在一个进程里，并部署在一台机器上

优点：

  • 简单

问题：

单体架构：分布式部署

垂直应用架构：按应用垂直切分的单体

优点：

  • 水平扩容
  • 运维不需要停服

问题：

  • 职责太多，开发效率不高
  • 爆炸半径大

演进：分工协作

SOA(Service-Oriented Architecture)

  1. 将应用的不同功能单元抽象为服务
  2. 定义服务之间的通信标准

微服务框架：SOA的去中心化演进方向

问题：

  • 数据一致性
  • 高可用
  • 治理
  • 解耦 VS 过微

架构的演进初衷：

  • 需求量越来越大，终归要增加人手
  • 越做越复杂，终归要合作分工

架构的演进思路：

  • 垂直切分
  • 水平切分

2. 企业级后端架构剖析

2.1 企业级后端架构剖析-云计算

云计算：是指通过软件自动化管理，提供计算资源的服务网络，是现代互联网大规模熟悉分析和存储的基石。

基础：

  • 虚拟化技术-整租vs合租
  • 编排方案-业主vs租赁平台

架构：

  • IaaS(Infrastructure as a Service)
    • 买 vs 租
  • PaaS(Platform as a Service)
    • 清包 vs 全包
  • SaaS(Software as a Service)
    • 从零培训 vs 培训好的
  • FaaS(Function as a Service)
    • 纯手工 vs 机器批量

2.2 企业级后端架构剖析-云原生

云原生技术为组织/公司在公有云、自由云、混合云等新型的动态环境中，构建和运行可拓展的应用提供了可能。

2.2.1 企业级后端架构剖析-云原生之弹性计算资源

弹性计算资源类型：

  • 服务资源调度
    • 微服务
    • 大服务
  • 计算资源调度
    • 在线：热销榜单
    • 离线：热销榜单更新
  • 消息队列
    • 在线：削峰、解耦
    • 离线：大数据分析

2.2.2 企业级后端架构剖析-云原生之弹性存储资源

弹性存储资源类型：

  • 经典
    • 对象：宣传视频
    • 大数据：用户消费记录
  • 关系型数据库
    • 收银记录
  • 元数据
    • 服务发现：蛋糕店通讯录
  • NoSQL
    • KV：来个xx蛋糕

总结：将存储资源当成服务一样

2.2.3 企业级后端架构剖析-云原生之DevOps

Dev0ps是云原生时代软件交付的利器，贯穿整个软件开发周期。

结合自动化流程，提高软件开发、交付效率

2.2.4 企业级后端架构剖析-云原生之微服务架构

通信标准：

  • HTTP(RESTful API)
  • RPC(Thrift，gRPC)

微服务中间件RPC vs HTTP:

  • 性能
  • 服务治理
  • 协议可解释性

云原生场景下，微服务大可不必在业务逻辑中实现符合通信标准的交互逻辑，而是交给框架来做

2.2.5 企业级后端架构剖析-云原生之服务网格

服务网格(Service Mesh):

  • 微服务之间通讯的中间层
  • 高性能网络代理
  • 业务代码与治理解耦

相比较于RPC/HTTP框架：

  • 异构系统治理统一化
  • 与业务进程解耦，生命周期易管理

3. 企业级后端架构的挑战

挑战：

  • 基础设施层面
    • 物理资源是有限的
      • 机器
      • 带宽
    • 资源利用率受制于部署服务
  • 用户层面
    • 网络通信开销较大
    • 网络抖动导致运维成本提高
    • 异构环境下，不同实例资源水位不均

3.1 企业级后端架构的桃战-离在线资源并池

核心收益：

  • 降低物理资源成本
  • 提供更多的弹性资源，增加收入

解决思路：离在线资源并池

  • 在线业务的特点
    • IO密集型为主
    • 潮汐性、实时性
  • 离线业务的特点
    • 计算密集型占多数
    • 非实时性

3.2 企业级后端架构的挑战-自动扩缩容

核心收益：

  • 降低业务成本

解决思路： 自动扩缩容

  • 利用在线业务潮汐性自动扩缩容

3.3 企业级后端架构的挑战-微服务亲合性部署

核心收益：

  • 降低业务成本
  • 提高服务可用性

解决思路：微服务亲合性部署

  • 将满足亲合性条件的容器调度到一台宿主机
  • 微服务中间件与服务网格通过共享内存通信
  • 服务网格控制面实施灵活、动态的流量调度

3.4 企业级后端架构的挑战-流量治理

核心收益：

  • 提高微服务调用容错性
  • 容灾
  • 进一步提高开发效率，DevOps发挥到极致

解决思路：基于微服务中间件&服务网格的流量治理

  • 熔断、重试
  • 单元化
  • 复杂环境(功能、预览)的流量调度

3.5 企业级后端架构的挑战-CPU水位负载均衡

核心收益：

  • 打平异构环境算力差异
  • 为自动扩缩容提供正向输入

解决思路：CPU水位负载均衡

  • laas
    • 提供资源探针
  • 服务网格
    • 动态负载均衡

4. 后端架构实战

  • CPU水位负载均衡，应该如何设计？ 输入：
  • 服务网格数据面
    • 支持带权重的负载均衡策略
  • 注册中心存储了所有容器的权重信息
  • 宿主机能提供
    • 容器的资源使用情况
    • 物理资源信息(如CPU型号)

关键点：

  • 紧急回滚能力
  • 大规模
  • 极端场景

4.1 后端架构实战-自适应静态权重

方案：

  • 采集宿主机物理资源信息
  • 调整容器注册的权重

优势： -复杂度低 完全分布式，可用性高 微服务中间件无适配成本

缺点：

  • 无紧急回滚能力
  • 缺乏运行时自适应能力

4.2 后端架构实战-自适应动态权重Alpha

方案：

  • 容器动态权重的自适应调整
  • 服务网格的服务发现&流量调度能力

演进方向：

  • 解决无法紧急回滚的问题
  • 运行时权重自适应

缺点：

  • 过度流量倾斜可能会有异堂情况

4.3 后端架构实战-自适应动态权重Beta

方案：

  • 服务网格上报RPC指标

演进方向：

  • 极端场景的处理成为可能

缺点：

  • 时序数据库压力较大
  • 动态权重决策中心职责越来越多，迭代->变更->风险

4.4 后端架构实战-自适应动态权重Release

演进方向：

  • 微服务化
  • 引入消息队列削峰、解耦
  • 离在线链路切分
  • 梳理强弱依赖

三、实践练习例子

兰师傅蛋糕房要支持线上售卖了！请帮忙做整套系统的架构设计

四、课后个人总结

  1. 没有最好的架构，只有最合适的架构
  2. 如何做架构设计
  • 需求先行。弄清楚要解决什么问题。
  • 业界调研。业界都有哪些解决方案可供参考
  • 技术选型。内部/社区都有哪些基础组件
  • 异常情况。考虑清楚xxx不行了怎么办
  1. 架构与工程师成长
  • 技术经理
  • 架构师

五、引用参考

The C10K problem (kegel.com)

Cloud Native Computing Foundation (cncf.io)

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