架构详解｜青训营笔记

这是我参与【第五届青训营】伴学笔记创作活动的第7天。

一、重点内容

• 架构的基础定义：整体结构、组件的抽象描述
• 企业级后端架构剖析：云计算、云原生
• 后端架构挑战

二、详细知识点详解

1. 架构基础

1.1 架构定义

• 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个方面的设计
• 实现软件有很多方法，架构是方法选择上起到指导作用

1.2 架构——单机

• 软件系统需要对外提供服务，单机则是把所有功能实现在一个进程里，部署在一台机器上
• 优点：简单
• 缺点：需要排队 C10K问题/运维需要停服

1.3 架构——单体｜垂直应用｜垂直切分

• 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/运维部需要停服
• 缺点：职责太多开发效率不高/爆炸半径大

1.4 架构——SOA微服务｜水平切分

• SOA
  • 将应用不同的功能单元抽象为服务
  • 定义服务之间的通信标准
• 微服务架构：SOA去中心化演进方向
• 问题
  • 数据一致性
  • 高可用：如何沟通合作
  • 治理：如何容灾
  • 解藕/过微：运维成本变高

2. 企业级后段架构剖析

2.1 云计算

• 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、存储的基石
• 基础
  • 虚拟化技术：整租&合租
  • 编排方案：业主&租赁平台
• 架构
  • IaaS：Infrastructure as a Service
    • 部署在哪，需要什么基础
  • PaaS：Platform as a Service
    • 是否自己进行操作（清包 vs 全包）
  • SaaS: Software as a Service
    • 从零开始 vs 使用服务
  • FasS: Function as a Service
    • 手工 vs 批量开始

2.2 云原生

• 弹性资源
  • 虚拟化容器
  • 快速扩缩容
  • 资源
    • 服务资源调度：微服务vs大服务
    • 计算资源调度：在线计算vs离线资源
    • 消息队列：在线（削峰、解藕）vs离线（大数据分析）
  • 弹性存储资源类型：将存储资源当成服务
    • 经典：对象存储、大数据存储
    • 关系型数据库
    • 元数据
    • NoSQL：KV存储
• 微服务架构
  • 业务功能单元解藕
  • 统一的通信标准
  • 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
  • 微服务无需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
• DevOps
  • 敏捷开发
  • CI/CD
  • 贯穿整个软件开发周期，结合一整套自动化流程
  • 提高软件开发、交付效率
• 服务网格
  • 业务治理解构
  • 异构系统治理统一
  • 复杂治理能力
  • 定义
    • 微服务之间通讯的中间层
    • 高性能网络代理
    • 业务代码、治理解藕
  • 比较于RPC/HTTP
    • 异构系统治理统一化
    • 与业务进程解藕，生命周期易管理

3. 后端架构的挑战

3.1 问题

• 基础设施层面
  • 物理资源是有限的：机器、带宽有限
  • 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

3.2 离在线资源并池

• 动态分布离线和在线资源池，并池
• 核心收益
  • 降低物理资源成本
  • 提供更多弹性资源，增加收入
• 业务特点
  • 在线业务特点
    • IO密集型
    • 潮汐性、实时性
  • 离线业务特点
    • 计算密集型
    • 非实时型

3.3 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
• 扩缩容指标
  • CPU某统计的分类数，衡量资源使用情况
  • 内存要求自动扩缩容
  • IO （困难 不容易量化）

3.4 微服务亲和性部署

• 核心收益
  • 降低业务成本
  • 提高业务可用性
• 解决思路：微服务亲和性部署
  • 将满足亲和性条件的容器部署到同一台宿主机
  • 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、动态流量调度

3.5 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

3.6 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
  • IaaS：提供资源探针
  • 服务网格：动态负载均衡

三、实践练习例——后端架构实战

• 问题背景
  • 输入
    • 服务网格数据面：支持带权重的负载均衡策略
    • 注册中心存储所有容器的权重信息
    • 宿主机能提供容器的资源使用情况和物理资源信息（CPU型号等）
• 关键点
  • 紧急回滚能力
  • 大规模
  • 极端场景
• 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
• 自适应动态权重 Alpha
  • 增加动态权重决策中心
  • 实现容齐动态权重自适应调整
  • 服务网格的服务发现、流量调度能力
  • 解决无法紧急回滚问题
  • 运行时权重自适应
  • 缺点：过度流量倾斜可能会有异常
• 自适应动态权重 Beta
  • 服务网格上报RPC指标
  • 使得极端场景的处理成为可能
  • 缺点：时序数据库压力大/动态权重决策中心职责增加，迭代-变更带来风险
• 自适应动态权重 Release
  • 微服务化拆分
  • 消息队列
  • 在线离线链路切分
  • 梳理强弱依赖

四、课后总结

本节课介绍了服务架构的相关知识。架构本身相对抽象，是有关软件整体结构与组件的抽象描述，用于指导软件的开发和维护。在企业级环境中，架构通常采用云原生的方式，这也对于云服务、微服务等提出了一定要求，也对后端架构需要处理的内容提出了很多问题。

如何设计、实现一个架构，一个架构可能有哪些问题，都是在今后的实践中需要多加注意的。

五、引用资料

学习手册