高可用基礎架構技術研究

中航飛機西安飛機分公司 程兆輝

伴隨 Internet 的普及和 web 技術的發(fā)展，計算機網絡提供著越來越多的服務和應用，網絡流量也出現了爆炸式增長。除了流量增加，網絡應用本身的發(fā)展對服務器性能也提出了更高要求，如安全電子商務應用需要有更強大的服務器處理能力。由于客觀存在的物理內存、CPU 處理速度及操作系統(tǒng)等各方面制約，當有突發(fā)的大量訪問服務時，服務器往往無法及時處理完所有收到的請求，從而造成訪問滯后、請求丟失等情況。針對這一問題，傳統(tǒng)的解決方法主要是通過提高服務器 CPU 的性能、加大內存容量等硬件措施來實現，即使是這樣也難以保證 web 服務器的高可用性，而且采用更高性能的服務器意味著更高的成本投入。那么如何建立高性能、高可用性、高可擴展性、低成本的 web 前端應用架構來滿足不斷增長的網絡負載需求已成為亟待解決的問題。

1 服務器高可用內容

服務器高可用內容主要包括以下幾點。（1）高可用性[1]：將停止服務時間降低到最低甚至是不間斷服務。（2）可擴展性：隨著訪問增加，系統(tǒng)具備良好伸縮能力。（3）可視性：系統(tǒng)、服務狀態(tài)處于實時監(jiān)控之下。（4）高性能高可靠性：經過優(yōu)化的體系結構及合理的備份策略。（5）安全性：結構上的安全及主機的安全策略。

2 服務器高可用關鍵技術

服務器的高可用性，一方面取決于服務器硬件的可靠性，另一方面可通過結構冗余實現開放平臺應用服務器高可用。

在硬件層面，服務器廠商采用了多項高可用技術，如用內存錯誤代碼校正ECC、探測及糾正內存中的數據錯誤技術和部件冗余等來確保服務器硬件的穩(wěn)定運行，同時還通過支持遠程鏡像、群集管理、軟硬件故障監(jiān)控和報告等功能為高可用方案的實施提供平臺。

在系統(tǒng)結構層面，主要通過負載均衡、服務器N+1備份、雙機熱備等模式來實現開放平臺應用服務器的高可用性。負載均衡模式[2]是指在負載均衡群組中配置部分冗余服務器，當個別服務器發(fā)生故障時，服務請求可以被路由到集群中的其他處理單元，從而達到群組整體對外能力能夠滿足業(yè)務要求。服務器N+1備份[3]是使用1臺備機對N臺服務器進行冗余備份操作，一旦某臺生產服務器出現故障時，切換備機接管該服務器，繼續(xù)提供服務。雙機熱備模式[4]則需要配置與生產服務器軟、硬件完全冗余的備用服務器，當生產服務器出現故障的時候，高可用軟件可通過“心跳診斷”檢測出故障，自動切換備機，保障應用在短時間內完全恢復正常使用。

相比較而言，負載均衡和雙機熱備的RPO、恢復時間目標（Recovery Time Object，RTO）性能較好，但資源冗余度較大、維護較復雜，而服務器N+1備份則資源利用率高、可維護性好，但恢復時效性稍差。

另外，虛擬化技術的成熟極大地提高了服務器的高可用性。物理服務器增加虛擬層后，屏蔽了硬件特性的差異，計算資源不僅可按需分配，而且還可以在線遷移，無論磁盤故障還是服務器故障都能做到快速自動切換，故障部件可被系統(tǒng)自動隔離，修復后重新加入系統(tǒng)，系統(tǒng)恢復的RPO、RTO指標都接近0。

3 研究思路

（1）對于訪問頻繁、用戶量大的對象（bbs、blog）采用某種合理的方式負載到多個服務器上。把數據庫獨立出來，準備2套mysql數據庫，以實現主從復制，既減輕負載，又提高了可靠性。更進一步，使用mysql proxy技術，實現主從服務器的讀寫分離，大大提高系統(tǒng)性能和負載能力。

（2）數據庫與外部網絡隔離，只允許web服務器（bbs、blog等）通過私有地址方式訪問，提高了數據庫的安全性，同時也節(jié)省了帶寬。

（3）部署監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控主機存活、服務、主機資源，將系統(tǒng)的健康狀態(tài)置于實時可視狀態(tài)，對系統(tǒng)的運營狀態(tài)可控。

（4）使用單獨的服務器集中備份。拓撲結構和邏輯結構如圖1和圖2所示。

4 技術實現

（1）負載均衡[5]。2臺同樣配置的linux服務器，內核支持lvs,配置keepalived工具，即可實現負載轉發(fā)。一旦其后的真實服務器出現故障，keepalived會自動把故障機器從轉發(fā)隊列刪除，等到故障修復，又會自動把真實服務器的地址加入轉發(fā)列表。由于lvs支持會話保持，因此對于bbs這樣的應用，不用擔心其登錄丟失。

（2）mysql主從復制。既保證數據的安全，又提高了訪問性能。在前端的每個web服務器上加入mysql proxy工具，即可實現讀寫的自動分離，讓寫的操作發(fā)生在主數據庫，讓“查詢”這類讀操作發(fā)生在從數據庫。

（3）nagios。它是一個開源的、受廣泛歡迎的監(jiān)控平臺，可對主機的存活、系統(tǒng)資源（磁盤空間、負載等）、網絡服務進行實時監(jiān)控，一旦探測到故障，將自動發(fā)送郵件（短信）通知故障。

（4）備份。包括web數據和數據庫服務器的備份。對于web服務而言，GNU tar即可實現備份。簡單地設置一下crontab 就可以讓系統(tǒng)備份。 但由于空間的限制，不可能一直備份下去，所以要做一個合適的策略，以實現新、舊備份數據的更替；備份速度要根據磁盤容量決定。對于數據庫，先mysqldump，再tar，完成這些工作后把備份文件傳輸到備份服務器集中。較為便捷的方法是把備份服務器以NFS方式掛接到web服務器及數據庫服務器。

（5）web服務器。至少包括apache和mysql proxy這2個組件。Apache做bbs和blog的容器，以虛擬機方式把用戶的請求轉發(fā)到bbs目錄或blog目錄。

（6）安全措施。包含2層安全，一層是主機本身，另一層是結構（mysql從外部網絡隔離）。實踐證明，iptables是非常值得信賴的防火墻工具。在實際應用中，采取先關門后開窗的策略，可大大增強系統(tǒng)的安全性。

圖1 拓撲結構Fig.1 Topological structure

5 結論

可擴展、高可用和負載均衡網站架構方案可以通過多個開源技術的結合實現，為達成這一目標，也同樣可以選擇具有同樣功能的商業(yè)軟件，但對于架構而言，其技術的形態(tài)是不發(fā)生變化的。高可用易擴展的方案最終由負載均衡、數據庫主從復制、應用平臺監(jiān)控、備份系統(tǒng)、前置服務器和安全防火墻綜合構成。

隨著業(yè)務的發(fā)展和技術的變革，信息系統(tǒng)的邏輯架構和功能、數據和配置信息及其所處的風險環(huán)境等都會處于不斷的變化中，必須建立起持續(xù)的監(jiān)控、改進流程和規(guī)范的管理方法，才能夠不斷保持并持續(xù)改進系統(tǒng)的高可用性水平。因此，需要定期對可用性指標和事件進行回顧和總結，在此基礎上進行高可用方案的評估。同時，應建立有機構管理層和業(yè)務部門代表參加的可用性管理委員會，組織專家、評審機構對可用性指標進行測量，對高可用性建設的規(guī)劃、設計、實施、運行過程中產生的可用性設計標準、可用性計劃、可用性測試方案、可用性管理報告等文檔進行審核，并重新評估系統(tǒng)風險和可用性。

信息系統(tǒng)的高可用建設是一個長期、全面、持續(xù)完善的工作，企業(yè)應結合組織的整體規(guī)劃目標，依靠可靠的技術手段和完善的管理體系，制定、實施和不斷改進信息系統(tǒng)高可用性建設計劃，提升IT服務質量，確保業(yè)務的持續(xù)運行。

[1]王鋒.基于混合模式的高可用高考信息平臺研究[D].長沙：中南大學,2009.

[2]張洪武.服務器集群與均衡技術研究[D].重慶：重慶大學,2004.

[3]梁蘇彬.基于集群的高可用HTTP服務器[D].成都：四川大學,2004.

[4]平靜,王蕾.基于ROSE HA系統(tǒng)的雙機容錯方案.安陽師范學院學報,2006(2)：10-11.

[5]何濤,李戰(zhàn)懷,劉文潔.均衡負載實時反饋算法的實現.微處理機 ,2009(2)：19-20.