基于Node.JS技術(shù)的高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王仡捷

目前，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用到科研教育、物流倉(cāng)儲(chǔ)、金融證券、電子商務(wù)、電子政務(wù)等領(lǐng)域，使人類社會(huì)的自動(dòng)化與信息化水平不斷提高.在這一過(guò)程中，網(wǎng)站的訪問(wèn)流量越來(lái)越大，并發(fā)程度越來(lái)越高，特別是大數(shù)據(jù)和人工智能時(shí)代的來(lái)臨，這種情況更為突出.因此，如何使Web服務(wù)器適應(yīng)高并發(fā)訪問(wèn)已成為現(xiàn)代軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn).相關(guān)學(xué)者提出了Mapreduce與云計(jì)算解決的方案.對(duì)于基于這種方案建立的網(wǎng)站，每天有數(shù)以億計(jì)的用戶在使用，維護(hù)比較困難，并且建設(shè)周期長(zhǎng)，費(fèi)用比較高［1］.后來(lái)，計(jì)算機(jī)學(xué)者提出了Node.JS 的分布式服務(wù)器集群方案，更好地解決了訪問(wèn)用戶多和服務(wù)器并發(fā)操作頻次高的問(wèn)題，使互聯(lián)網(wǎng)普適性與人類社會(huì)共享化水平得到進(jìn)一步的提高.

1 Node.JS技術(shù)

Node.JS 為JavaScript 運(yùn)行環(huán)境，封裝Chrome V8引擎.Node.JS對(duì)特殊用例進(jìn)行優(yōu)化，并且提供替代的API，使Chrome V8 引擎能夠在非瀏覽器環(huán)境中運(yùn)行.其主要目的就是使服務(wù)器端執(zhí)行并且運(yùn)行JavaScript 代碼.一直以來(lái)，JavaScript 都是以瀏覽器作為基礎(chǔ)的客戶端腳本語(yǔ)言，有了Node.JS 技術(shù)之后，JavaScript 不再只依賴于瀏覽器解析，還能使其代碼在服務(wù)器端運(yùn)行，使其成為服務(wù)器端語(yǔ)言.因?yàn)镹ode.JS 具有異步非阻塞特點(diǎn)，其能夠在高并發(fā)、長(zhǎng)連接的環(huán)境中具有明顯優(yōu)勢(shì).所以，本文以Node.JS作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu).

2 高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)方案

使用Node.JS 技術(shù)設(shè)計(jì)高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)，可以快捷、簡(jiǎn)單地創(chuàng)建互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和輕量級(jí)服務(wù)平臺(tái).高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、負(fù)載均衡層和核心處理層構(gòu)成，各層有自己獨(dú)立的功能，又相互協(xié)作無(wú)法分離.在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，利用合適的負(fù)載均衡算法對(duì)用戶情況進(jìn)行分配，可有效緩解負(fù)載壓力，降低用戶的響應(yīng)時(shí)間.利用核心處理層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前后端業(yè)務(wù)流程與內(nèi)部邏輯，核心處理層為架構(gòu)基礎(chǔ)，也是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中央控制模塊，能夠?qū)I(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)交互模塊和內(nèi)部模塊通信的管理.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層能夠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過(guò)分布式存儲(chǔ)使數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能瓶頸和功率問(wèn)題得到解決.整體網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制、負(fù)載均衡技術(shù)與Node.JS 平臺(tái)作為基礎(chǔ)，用戶通過(guò)單線程的方式處理請(qǐng)求，使服務(wù)器資源開(kāi)銷(xiāo)得到縮小，通過(guò)異步非阻塞I/O模型使CPU 資源使用率增加［2］.圖1 為高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu).

圖1 高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)

在該架構(gòu)中，Node.JS技術(shù)是基礎(chǔ)，用于快速地搭建響應(yīng)速度快、易于擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用.然而對(duì)于GZIP編碼、靜態(tài)文件、HTTP緩存、SSL處理、負(fù)載平衡和反向代理等，都可以通過(guò)Nginx 來(lái)完成，從而減小Node.JS 的負(fù)載，并通過(guò)Nginx 強(qiáng)大的緩存來(lái)節(jié)省網(wǎng)站的流量從而提高網(wǎng)站的加載速度.Nginx技術(shù)能夠承受高負(fù)載的考驗(yàn)，根據(jù)官方數(shù)據(jù)顯示，最高能夠支持50 000個(gè)并發(fā)連接線路.Nginx的穩(wěn)定性比較高，使用分階段資源分配技術(shù)，使其CPU與內(nèi)存占用率低，避免活動(dòng)連接，此特點(diǎn)能夠使Nginx從容地應(yīng)對(duì)高并發(fā)訪問(wèn)等問(wèn)題對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的影響.Nginx 還具備高部署的功能，基于正常服務(wù)改變負(fù)載均衡算法.核心處理模塊能夠?qū)I(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理，從而展現(xiàn)視圖，主要由控制層、內(nèi)存緩存服務(wù)、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層與視圖層等部分構(gòu)成.各部分相互連接，使網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用構(gòu)架松耦合性與強(qiáng)可擴(kuò)展性得到保證.圖2 為核心處理層四部分基本交互時(shí)序，通過(guò)圖2可以清楚地看到不同部分的交互時(shí)序流程［3］.

圖2 核心處理層四部分基本交互時(shí)序

視圖層的UI展現(xiàn)層為EJS，其為基于Node.JS的高并發(fā)模塊引擎，使用過(guò)程方便，具有強(qiáng)大的功能，在前后端數(shù)據(jù)交互過(guò)程中性能良好.將EJS作為視圖層核心技術(shù)，能夠使應(yīng)用開(kāi)發(fā)的效率得到提高.

在數(shù)據(jù)存取抽象操作過(guò)程中，數(shù)據(jù)訪問(wèn)層為主要操作接口，是具備操作一致性的數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，方便業(yè)務(wù)邏輯的統(tǒng)一調(diào)用.將MongoDB 數(shù)據(jù)庫(kù)作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用Mongoose 使MongoDB 的數(shù)據(jù)操作得到實(shí)現(xiàn).數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的操作效率和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)整體性能具有密切關(guān)系，良好數(shù)據(jù)庫(kù)和驅(qū)動(dòng)程序能夠進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的高并發(fā)能力.

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用控制層中使用Express 框架，目的是將Node.JS 作為基礎(chǔ)的高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，進(jìn)一步地增強(qiáng)架構(gòu)整體可擴(kuò)展性與靈活性，方便在未來(lái)使用過(guò)程中的維護(hù)和升級(jí).在實(shí)際使用的過(guò)程中，通過(guò)需求使業(yè)務(wù)邏輯設(shè)計(jì)得到實(shí)現(xiàn).在業(yè)務(wù)邏輯升級(jí)、增強(qiáng)與更換的過(guò)程中，通過(guò)此框架很容易將全新功能融入進(jìn)來(lái)［4］.

內(nèi)存緩存服務(wù)層指的是應(yīng)用架構(gòu)輔助層.增加內(nèi)存緩存服務(wù)層，使得到數(shù)據(jù)時(shí)間與處理時(shí)間得以改善，有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用高并發(fā)的性能.Redis為實(shí)際工程中最佳選擇，讀寫(xiě)性能良好.Redis的查詢速度較快，主要是因?yàn)槠淠軌蛲ㄟ^(guò)TCP對(duì)數(shù)據(jù)直接訪問(wèn)，還能夠并發(fā)海量高速讀寫(xiě)需求.將高并發(fā)用戶訪問(wèn)環(huán)境作為基礎(chǔ)，在用戶使用和體驗(yàn)過(guò)程中以響應(yīng)速度為重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)數(shù)據(jù)頻繁地訪問(wèn)，在Redis 中實(shí)現(xiàn)用戶頻繁訪問(wèn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，降低數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)頻率，利用Redis高效化讀寫(xiě)性能降低應(yīng)用的響應(yīng)速度，使用戶體驗(yàn)得到提高.

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層為架構(gòu)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)持久化地存儲(chǔ).為了適應(yīng)高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)的需求，一般都使用MongoDB，其海量數(shù)據(jù)分布式計(jì)算與存儲(chǔ)具有一定的優(yōu)勢(shì)，并且具備可擴(kuò)展性、可用性、靈活性與安全性.MongoDB對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率與性能還能夠?qū)崿F(xiàn)完整索引、分布式存儲(chǔ)與自動(dòng)分片等功能［5］.

3 高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

上述設(shè)計(jì)的高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)，基于Node.JS技術(shù)，使技術(shù)社區(qū)網(wǎng)絡(luò)得到實(shí)現(xiàn).通過(guò)Java編程語(yǔ)言對(duì)后臺(tái)框架與邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì).由于架構(gòu)中央控制層為核心處理層，使業(yè)務(wù)邏輯主體與第三方組件交互得到實(shí)現(xiàn)，包括緩存組件、數(shù)據(jù)庫(kù)等.圖3為技術(shù)社區(qū)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能的結(jié)構(gòu).

圖3 技術(shù)社區(qū)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能的結(jié)構(gòu)

3.1 業(yè)務(wù)邏輯模塊

基于Node.JS 準(zhǔn)則規(guī)范實(shí)現(xiàn)新型框架設(shè)計(jì)，提高Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)效率，和傳統(tǒng)框架對(duì)比有效性有所提高.此架構(gòu)模式較為普通，通過(guò)分層思想實(shí)現(xiàn)分區(qū)分開(kāi)地展示，模型表示為服務(wù)器端數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，前端表現(xiàn)層為視圖，控制器能夠?qū)I(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行實(shí)現(xiàn).

3.2 業(yè)務(wù)控制層

業(yè)務(wù)控制層主要目的就是承上啟下，并且兼顧邏輯層.接收前端傳輸用戶輸入，對(duì)其進(jìn)行格式化，在業(yè)務(wù)邏輯接口中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，并且對(duì)數(shù)據(jù)開(kāi)展深加工處理.前后相互銜接過(guò)程主要包括以下內(nèi)容：

（1）利用Node.JS內(nèi)置對(duì)象，能夠使前端和后端數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)，利用Request 對(duì)象得到前臺(tái)輸入數(shù)據(jù)信息，Response對(duì)象能夠使業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和結(jié)果通過(guò)后臺(tái)處理，之后發(fā)送到前端，并且利用相應(yīng)方式展現(xiàn)在頁(yè)面中.

（2）整合數(shù)據(jù)訪問(wèn)層和業(yè)務(wù)控制層，將數(shù)據(jù)訪問(wèn)層耦合到相應(yīng)模塊的業(yè)務(wù)控制層中，也就是業(yè)務(wù)控制層對(duì)數(shù)據(jù)加工處理之后，再通過(guò)數(shù)據(jù)訪問(wèn)層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持久化操作.

此應(yīng)用系統(tǒng)是關(guān)于技術(shù)社區(qū)的，所以應(yīng)用包括回復(fù)、郵件、標(biāo)簽、話題、用戶、上傳和聚合信息等控制器.上述控制器能夠?qū)崿F(xiàn)模塊業(yè)務(wù)邏輯，利用數(shù)據(jù)訪問(wèn)層與松耦合的方式交互，保證整體結(jié)構(gòu)的良好性和易擴(kuò)展性［6］.圖4 為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的流程.

圖4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的流程

3.3 視圖引擎展示層

EJS 框架屬于系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)社區(qū)中視圖引擎展示層核心前端的展示框架，EJS為實(shí)際使用過(guò)程中的前端展示組件.一般都是和視圖模塊、EJS框架、錯(cuò)誤處理組件、視圖工具組件相互結(jié)合，其中，DJS 框架和錯(cuò)誤處理組件是主要部分.模板的創(chuàng)建為頁(yè)面展示與業(yè)務(wù)邏輯的分離，也就是動(dòng)靜分離，利用CSS 層與Html 層疊樣式將靜態(tài)內(nèi)容展現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)Java代碼得到后端傳輸數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)創(chuàng)建業(yè)務(wù)模型.

頁(yè)面展示部分為Html 結(jié)合CSS 靜態(tài)代碼片斷，由于要展示在瀏覽器中，所以滿足W3C標(biāo)準(zhǔn).應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯利用Java代碼實(shí)現(xiàn)，接收Response對(duì)前端數(shù)據(jù)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式化處理，更方便實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的展現(xiàn).

3.4 日志模塊

正確使用日志在程序設(shè)計(jì)人員編寫(xiě)程序的過(guò)程中尤為重要，調(diào)試信息也是記錄在日志中的.日志模塊基于Seelog 實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)，根據(jù)Level 的不同值控制不同類型日志的輸出，從而簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)程序與部署程序過(guò)程，提高實(shí)用性.一般地，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中設(shè)置Level 值，在程序部署過(guò)程中提高Level值，對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中調(diào)試信息屏蔽.日志模塊在記錄日志時(shí)融入了Seelog部署中的思想，根據(jù)不同Level 值記錄日志.但Webgo 日志系統(tǒng)是輕量級(jí)的，僅利用系統(tǒng)自帶的接口傳輸信息，用戶通過(guò)此接口實(shí)現(xiàn)輸出和自定義設(shè)置［7］.

4 結(jié)束語(yǔ)

在幾年的時(shí)間里，Node.JS 逐漸發(fā)展成為一個(gè)成熟的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，吸引了許多開(kāi)發(fā)者.有許多大型高流量網(wǎng)站都采用Node.JS進(jìn)行開(kāi)發(fā)，此外，開(kāi)發(fā)人員還可以使用他開(kāi)發(fā)一些快速移動(dòng)Web框架.

利用Node.JS技術(shù)解決異步并發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用架構(gòu)問(wèn)題，和不同組件技術(shù)相互結(jié)合，保證了架構(gòu)性能，提高了擴(kuò)展性.在實(shí)踐過(guò)程中，利用業(yè)務(wù)需求改變各個(gè)維度具體實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)最前端負(fù)載均衡到最后底層分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都能夠使用不同實(shí)現(xiàn)方式創(chuàng)建系統(tǒng)，對(duì)高層服務(wù)接口與平臺(tái)一致性進(jìn)行保證，使中小型網(wǎng)絡(luò)對(duì)中等規(guī)模高并發(fā)的性能需求得到滿足.