OLT:「高可用架構設計」的入門秘籍

前言

伴隨著互聯網的誕生和發展，高可用架構出現并不斷完善。互聯網早期許多系統只依賴于一臺計算機來處理請求，所以經常出現「服務不可用」的情況。為了保持系統正常運行，出現將負載分配給能夠滿足需求的多臺計算機的高可用架構。

工程師們反復使用并持續優化這些解決方案，以適應自己的需求。本文主要介紹高可用架構的演進及常用高可用架構優缺點及適用場景。

高可用性用來描述計算機系統或其組件在一段時間內連續運行的能力。政府、銀行和其他合規監管行業通常需要數據計算和存儲的高可用性，系統必須能夠自動從服務器或組件故障中恢復。為了實現系統的可靠性，三個系統設計的原則可以用來實現高可用性：消除單點故障、可靠的故障切換、故障檢測能力。在分布式系統中可以通過將多個冗余節點連接為一個集群來實現這一點，其中每個節點都能夠進行故障檢測和恢復。

持有1+比特幣的地址數量達到1,013,577的歷史新高:金色財經報道，據Glassnode Alerts數據監測，持有1+比特幣的地址數量剛剛達到1,013,577的歷史新高。[2023/8/10 16:18:01]

高可用架構一般分為計算高可用和存儲高可用，主要手段是數據和服務的冗余備份及失效轉移。

計算高可用

計算高可用主要分為主備模式、主從模式、集群模式。三種模式都是通過計算模塊冗余方式來規避單點故障的風險，不同的是三種方案故障檢測及恢復方式不同，系統可用性也不一樣。

主備計算高可用主備高可用架構任意時刻只有主機對外提供運算任務，備用機器根據運行狀態分為冷備和溫備。當系統出現故障時需要人為進行服務切換及故障恢復。此種架構實現方式最簡單，主備之間不需要交互，不會為系統引入額外復雜度。但是此種方式主備服務無法無縫切換，可用性無法得到保證。

派盾：Earning.Farm協議或遭黑客攻擊:8月9日消息，據派盾監測，Earning.Farm協議或遭黑客攻擊，轉移了154枚ETH（價值28.7萬美元）。[2023/8/9 21:34:29]

主備計算高可用

主從計算高可用

主從模式和主備模式區別是從機也要執行一些任務，任務調度器負責將任務分類并發送給主機或從機。當主機出現故障時，如果主機不能夠自動恢復，則需要人工操作，將原來的從機升級為主機，增加新的機器作為從機，新的從機準備就緒后，任務分配器繼續按照原有的設計策略分配任務。主從模式發揮了從機的運算性能，可以減輕主機的運算壓力，但是需要加入任務調度功能，實現會復雜一些。

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主從計算高可用集群計算高可用

集群模式是將服務器組合在一起以作為一個統一的系統對外提供服務，也稱為故障轉移集群，它們共享相同的存儲但使用不同的網絡。對于有負載均衡功能的集群每個節點具有相同的功能，因為它們可以運行它們所支持的主系統的相同工作負載。如果集群中的服務器出現故障，另一臺服務器或節點可以立即接管，以確保集群支持的服務保持正常運行。使用高可用性集群有助于確保關鍵系統沒有單點故障，并減少或消除停機時間。

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高可用計算集群

一個高可用集群系統必須有一個精心設計的、預先設計好的負載均衡機制，以在集群節點之間分配運算任務。負載均衡器對運算節點進行持續的健康檢查，以確保它們可以處理請求。負載均衡機制必須在節點故障的情況下指定確切的故障轉移過程。

美元指數向上觸及108，創2002年10月以來新高:行情顯示，美元指數DXY向上觸及108，創2002年10月以來新高。[2022/7/11 2:05:43]

集群模式解決了故障檢測、故障轉移及故障修復的問題，能夠最大化系統的可用性，但也引入了系統復雜度。在高可用性集群中必須防止的關鍵情況之一是“腦裂”。當所有私有內部連接同時被切斷，但集群節點仍在運行時，就會發生“腦裂”。在這種情況下，集群的所有節點可能會錯誤地認為所有其他節點都已關閉，并嘗試啟動其他節點已經在運行的服務。對于同一服務的多個版本，所有這些版本都可能暴露給用戶，并可能導致數據損壞，并且向一個HA集群添加過多的虛擬機和主機會導致負載平衡變得困難。

存儲高可用

存儲高可用通過數據復制，來實現存儲冗余，進而實現高可用。存儲高可用是系統設計的關鍵點及難點，需要保證系統的數據一致、可用、分區容忍。存儲高可用常用的架構有主從模式和集群模式。

主從模式中，主機負責讀寫并定期復制數據給從機，從機僅承擔讀操作，可以減輕主節點的訪問壓力。一旦主機宕機，可以通過人工手段，將其中一個從節點切換為主節點。主從模式故障時需要人工干預，并且客戶端需要感知主從關系，并將不同的操作發給不同的機器進行處理。在此模式下每個機器上存儲的都是全量數據，但是單機的數據存儲量總是有上限的，所以存在存儲容量的限制，并且不容易擴容。和主從運算高可用類似，當主機出現故障時，如果主機不能夠自動恢復，則需要人工操作，可用性無法得到保證。

主從高可用存儲模式

集群模式由多個節點組成存儲集群，每個節點負責存儲部分數據，Client存儲數據時，數據根據分片算法被路由到不同的存儲節點。集群節點間運行共識算法，當有節點宕機時，共識算法會選舉新的主節點并來調度集群的數據存儲。基于共識復制的系統，寫入被提議到一個節點，然后被復制到一定數量的其他節點。一旦大多數節點確認寫入，就可以提交。它可以保證一致性，也可以提供高可用性。從節點可以用來讀取數據，從而減少主節點的訪問壓力。

集群高可用存儲模式

集群模式通常添加某種路由技術，將客戶端定向到正確的站點來處理他們的請求。分片路由器按特定算法拆分數據，常用算法有取模、檢索表、一致性哈希等，并將這些段分布在多個站點之間，每個節點可以視為一個獨立的子集，針對子集，仍然需要保證高可用。分片可以在多臺機器之間分配工作負載，提高吞吐量，并通過容忍更多的部分故障和消除單點故障來創造更大的彈性。

總結

在過去的幾十年里，系統可用性架構取得了長足的進步，從主備模式、主從模式到高可用集群，架構師不斷在CAP原則的基礎上尋求適合自己應用場景解決方案。主從模式主要應用在需要快速寫入的應用場景，集群模式適用于需要一致性的應用場景。現在很多系統服務都是在全球范圍內部署，服務永遠都不會停止，我們還在研究更好的可用性和更大規模的架構。

馬耀耀

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