架构初探 ｜ 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，主要记录相关的知识点。

本堂课重点内容

• 架构
• 企业级架构剖析
• 企业级后端架构挑战

架构

什么是架构

架构，是软件整体系统与组件的抽象描述，可以指导软件系统各个方面的设计。

单机架构

单机架构将所有的功能都实现在一个相同的进程，部署在同一个机器中。

这样的结构的优点是其非常简单，但是也带来了相应的缺点：

• 运维需要停服，用户体验受到影响
• 承载能力有限。

单体架构

单体架构将实现了对应功能的进程部署到多个机器上，这样单体架构就具备了具备水平扩容的能力，同时也不需要像单机架构那样在运维的过程中需要停服。

对应的，单体架构也有相应的缺点：

• 后端进程职责太多，会导致程序过于臃肿
• 爆炸半径较大，进程中一个很小的模块出现问题，都可能导致整个进程崩溃

垂直应用架构

在单机架构基础上，将进程按照某种依据进行切分。由于对进程进行了切分，因此一定程度上减少了后端进程职责，避免了臃肿的情况，同时也会缩小可能的爆炸半径。

要实现良好的垂直应用架构，就需要有良好的切分策略。

可见，垂直应用架构并没有根本解决单体架构的问题。

SOA (面向服务架构)

SOA 是以服务为基础的架构，通过将进程按照不同的功能单元进行抽象拆分，分为一个个服务。服务之间按照一定的标准 ESB 进行通信。

通过按照功能单元拆分，服务的职责更加清晰，并且粒度被精细到一个个服务层面，爆炸半径是可控的。

由于所有的服务都按照同一个标准进行通信，该标准就应该是一套完整的解决方案。

微服务

在 SOA 架构中，ESB 起到了至关重要的作用。但从架构拓扑来看，它更像是一个集中式的模块。有一个 SOA 分布式演进的分支，最终的形态便是微服务。在微服务中，服务之间彼此定义的自己通信规则。由此，微服务不但有 SOA 的所有优点，通信还更加灵活。

但是，由于服务被切分得更加细化，通信规则的制定等，带来了运维成本的提高。

小结

由此可见，架构演进主要有两种思路：垂直切分——分布式，水平切分——分层/模块化

企业级架构剖析

云计算

云计算，可以被看成是一个提供了各种计算资源的服务网络。

云计算的基础主要有两个：

• 虚拟化技术，包括硬件层面，操作系统层面和网络层面
• 编排方案，比如 VM 和 Container

云计算可以被分成四层架构：

• IaaS
• PaaS
• SaaS
• FaaS

可以从一个例子来理解这四层架构：现在，你想开一家蛋糕店，为了让蛋糕店顺利营业，你有四种选择：

• 你可以租一个房子用作开店，但是房子里什么都没有(IaaS)
• 你可以租一个房子，同时装饰好了店面(PaaS)
• 你可以租一个房子，同时装饰好了店面，另外还雇用了一些蛋糕师傅来制作蛋糕(SaaS)
• 你可以租一个房子，同时装饰好了店面，但是没有蛋糕师傅，而是送给你一堆自动制作蛋糕的机器(FaaS)

云部署

云部署分为三类：私有云，混合云和公有云。

• 私有云：云端资源所有的服务不是供别人使用，而是供自己内部人员或分支机构使用。
• 公有云：云端资源开放给社会公众使用。
• 混合云：由两个或两个以上不同类型的云组成，它们各自独立，但用标准的或专有的技术将它们组合起来，而这些技术能实现云之间的数据和应用程序的平滑流转。

云原生

云原生是云原生（计算）的简称，是云计算发展到现在的一种形态。

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，构建和运行可弹性拓展的应用提供了可能。 它的代表技术：

• 弹性资源：具有虚拟化容器、快速扩容的能力
• 微服务架构：实现了业务的解耦，统一通信标准
• DevOps：方便部署到云上后进行开发、测试
• 服务网格：可以使得异构系统的治理统一化，业务与治理解构，具有复杂的治理能力

弹性资源

基于计算和存储，可以分为弹性计算资源和弹性存储资源两大类。

弹性计算资源：

• 计算资源调度
  • 在线计算 - 互联网后端服务
  • 离线计算 - 大数据分析。
• 消息队列
  • 在线队列 - 削峰、解耦
  • 离线队列 - 结合数据分析的一整套方案

弹性存储资源：

• 经典存储
  • 对象存储 - 视频、图片等。结合 CDN 等技术，可以为应用提供丰富的多媒体能力
  • 大数据存储 - 应用日志、用户数据等。结合数据挖掘、机器学习等技术，提高应用的体验
• 关系型数据库
• 元数据
• NoSQL
  • KV 存储 - Redis
  • 文档存储 - Mongo

在云原生的大背景下，不论是计算资源还是存储资源，他们都像是服务一样供用户使用。

DevOps

DevOps 是云原生环境下软件交付的利器，贯穿软件开发的整个周期。通过结合自动化流程，提高软件的开发交付效率。最终实现缩短软件开发生命周期并使用 持续交付 提供高质量的软件。

微服务

微服务架构下，服务之间的通讯标准是基于协议而不是 ESB 的。

• HTTP - H1/H2
• RPC - Apache Thrift/gRPC

HTTP 和 RPC 的考虑：

• 性能 - RPC 协议往往具备较好的压缩率，性能较高。
• 服务治理 - RPC 中间件往往集成了丰富的服务治理能力。
• 可解释性 - HTTP 通信的协议往往首选 JSON，可解释性、可调试性更好

服务网格

服务网格的主要介绍：

• 微服务之间通讯的中间层
• 一个高性能的 4 层网络代理
• 将流量层面的逻辑与业务进程解耦

服务网格相比较于 RPC/HTTP 框架：

• 实现了异构系统治理体验的统一化
• 服务网格的数据平面代理与业务进程采取进程间通信的模式，使得流量相关的逻辑（包含治理）与业务进程解耦，生命周期也更容易管理

简单来说，服务网格是在原有的业务层面上增加了更强的通信能力，使得可以不需要依赖于业务代码就可以实现通信，实现了业务代码的解耦。

企业级后端架构挑战

对于用户侧来说，云资源可以被看成是无限的，但是对于企业来说，物理资源实际上是有限的，因此，对于企业而言，就需要解决无限的弹性资源与有限的物理资源之间的冲突问题。

换句话说，从企业侧，需要提高资源的利用率。

对于用户而言，存在许多挑战：使用了云原生微服务后，服务之间的通信开销较大，应该何种的方法解决该问题；并且微服务可能导致运维成本提升；软件实际的异构环境也不应该被用户所感知等。

离在线资源并池

对于物理资源与弹性资源的冲突，可以采用离在线资源并池的方案。

考虑到在线业务的潮汐性，物理资源的用量不是一成不变的。使用离在线资源并池，可以根据一定的规则需要自动扩缩容量：

扩容缩容的指标可以根据实际的业务场景来判断，比如 cpu的使用情况，内存的使用情况等。

微服务亲合性部署

微服务自身的通信成本可能较高，一种方案是这样构建微服务：

• 在形态上是微服务架构
• 在通信上是单体架构

亲合性部署，即通过将微服务调用形态与资源调度系统结合，将一些调用关系紧密、通信量大的服务部署在同一个机器上，并且使用 IPC 代替 RPC 的方式，降低网络通信带来的开销。

个人总结

本次课程主要学习了：

• 什么是架构及架构的类别
• 从企业的角度看待架构
• 企业级后端架构面临的挑战及部分解决方案