99%的开发团队会犯的4大“异地多活”设计误区

李玟
李玟

发布于 2016-10-11 15:28

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  1. 引言

在一些规模稍大的IT项目中,“异地多活”是一个十分困扰开发团队的设计方案。因为“异地多活”的方案几乎是互联网业务的标配;但在实际项目中,网络、数据、事务等各种问题混杂在一起,很多问题看似是无法解决的。如:“网络断了怎么保证数据一致性”、“怎么保证异地事务一致性”、“业务怎么无缝的在多个地点切换”......等等。

其实很多时候困扰我们的是过于“追求完美的异地多活方案”,这样导致“异地多活”设计中出现很多了的思维误区,而如果不意识到这些误区,就会陷入死胡同,导致无法实现真正的“异地多活”方案。

接下来就为大家总结一下,在“异地多活”设计中最常见的几种误区...

  1. 所有业务异地多活

“异地多活”是为了保证业务的高可用,但很多朋友在考虑这个“业务”的时候,会不自觉的陷入一个思维误区:我要保证所有业务的“异地多活”!

比如说假设我们需要做一个“用户子系统”,这个子系统负责“注册”、“登录”、“用户信息”三个业务。为了支持海量用户,我们设计了一个“用户分区”的架构,即:正常情况下用户属于某个主分区,每个分区都有其它数据的备份,用户用邮箱或者手机号注册,路由层拿到邮箱或者手机号后,通过hash计算属于哪个中心,然后请求对应的业务中心。基本的架构如下:






​考虑这样一个系统,如果3个业务要同时实现异地多活,我们会发现如下一些难以解决的问题:

【注册】

A中心注册了用户,数据还未同步到B中心,此时A中心宕机,为了支持注册业务多活,那我们可以挑选B中心让用户去重新注册。看起来很容易就支持多活了,但仔细思考一下会发现这样做会有问题:一个手机号只能注册一个账号,A中心的数据没有同步过来,B中心无法判断这个手机号是否重复,如果B中心让用户注册,后来A中心恢复了,发现数据有冲突,怎么解决?实际上是无法解决的,因为注册账号不能说挑选最后一个生效;而如果B中心不支持本来属于A中心的业务进行注册,注册业务的双活又成了空谈。

有的朋友可能会说:那我修改业务规则,允许一个手机号注册多个账号不就可以了么?

这样做是不可行的,类似一个手机号只能注册一个账号这种规则,是核心业务规则,修改核心业务规则的代价非常大,几乎所有的业务都要重新设计,为了架构设计去改变业务规则,而且是这么核心的业务规则是得不偿失的。

【用户信息】

用户信息的修改和注册有类似的问题,即:A、B两个中心在异常的情况下都修改了用户信息,如何处理冲突?

由于用户信息并没有账号那么关键,一种简单的处理方式是按照时间合并,即:最后修改的生效。业务逻辑上没问题,但实际操作也有一个很关键的坑:怎么保证多个中心所有机器时间绝对一致?在异地多中心的网络下,这个是无法保证的,即使有时间同步也无法完全保证,只要两个中心的时间误差超过1s,数据就可能出现混乱,即:先修改的反而生效。

还有一种方式是生成全局唯一递增ID,这个方案的成本很高,因为这个全局唯一递增ID的系统本身又要考虑异地多活,同样涉及数据一致性和冲突的问题。

综合上面的简单分析,我们可以发现,如果“注册”“登录”、“用户信息”全部都要支持异地多活的话,实际上是挺难的,有的问题甚至是无解的。那这种情况下我们应该如何考虑“异地多活”的方案设计呢?答案其实很简单:优先实现核心业务的异地多活方案!

对于我们的这个模拟案例来说,“登录”才是最核心的业务,“注册”和“用户信息”虽然也是主要业务,但并不一定要实现异地多活。主要原因在于业务影响。对于一个日活1000万的业务来说,每天注册用户可能是几万,修改用户信息的可能还不到1万,但登录用户是1000万,很明显我们应该保证登录的异地多活。对于新用户来说,注册不了影响并不很明显,因为他还没有真正开始业务;用户信息修改也类似,用户暂时修改不了用户信息,对于其业务不会有很大影响,而如果有几百万用户登录不了,就相当于几百万用户无法使用业务,对业务的影响就非常大了:公司的客服热线很快就被打爆了,微博微信上到处都在传业务宕机,论坛里面到处是在骂娘的用户,那就是互联网大事件了!

而登录实现“异地多活”恰恰是最简单的,因为每个中心都有所有用户的账号和密码信息,用户在哪个中心都可以登录。用户在A中心登录,A中心宕机后,用户到B中心重新登录即可。

有的朋友可能会问,如果某个用户在A中心修改了密码,此时数据还没有同步到B中心,用户到B中心登录是无法登录的,这个怎么处理?这个问题其实就涉及另外一个思维误区了,我们稍后再谈。

  1. 实时一致性

异地多活本质上是通过异地的数据冗余,来保证在极端异常的情况下业务也能够正常提供给用户,因此数据同步是异地多活设计方案的核心,但我们大部分人在考虑数据同步方案的时候,也会不知不觉的陷入完美主义误区:我要所有数据都实时同步!

数据冗余就要将数据从A地同步到B地,从业务的角度来看是越快越好,最好和本地机房一样的速度最好,但让人头疼的问题正在这里:异地多活理论上就不可能很快,因为这是物理定律决定的,即:光速真空传播是每秒30万公里,在光纤中传输的速度大约是每秒20万公里,再加上传输中的各种网络设备的处理,实际还远远达不到光速的速度。

除了距离上的限制外,中间传输各种不可控的因素也非常多,例如挖掘机把光纤挖断,中美海底电缆被拖船扯断、骨干网故障等,这些故障是第三方维护,我们根本无能为力也无法预知。例如广州机房到北京机房,正常情况下RTT大约是50ms左右,遇到网络波动之类的情况,RTT可能飙升到500ms甚至1s,更不用说经常发生的线路丢包问题,那延迟可能就是几秒几十秒了。

因此异地多活方案面临一个无法彻底解决的矛盾:业务上要求数据快速同步,物理上正好做不到数据快速同步,因此所有数据都实时同步,实际上是一个无法达到的目标。

既然是无法彻底解决的矛盾,那就只能想办法尽量减少影响。有几种方法可以参考:

尽量减少异地多活机房的距离,搭建高速网络;

尽量减少数据同步;

保证最终一致性,不保证实时一致性;

【减少距离:同城多中心】

为了减少两个业务中心的距离,选择在同一个城市不同的区搭建机房,机房间通过高速网络连通,例如在北京的海定区和通州区各搭建一个机房,两个机房间采用高速光纤网络连通,能够达到近似在一个机房的性能。

这个方案的优势在于对业务几乎没有影响,业务可以无缝的切换到同城多中心方案;缺点就是无法应对例如新奥尔良全城被水淹,或者2003美加大停电这种极端情况。所以即使采用这种方案,也还必须有一个其它城市的业务中心作为备份,最终的方案同样还是要考虑远距离的数据传输问题。

【减少数据同步】

另外一种方式就是减少需要同步的数据。简单来说就是不重要的数据不要同步,同步后没用的数据不同步。

以前面的“用户子系统”为例,用户登录所产生的token或者session信息,数据量很大,但其实并不需要同步到其它业务中心,因为这些数据丢失后重新登录就可以了。

有的朋友会问:这些数据丢失后要求用户重新登录,影响用户体验的呀!
确实如此,毕竟需要用户重新输入账户和密码信息,或者至少要弹出登录界面让用户点击一次,但相比为了同步所有数据带来的代价,这个影响完全可以接受,其实这个问题也涉及了一个异地多活设计的典型思维误区,后面我们会详细讲到。

【保证最终一致性】

第三种方式就是业务不依赖数据同步的实时性,只要数据最终能一致即可。例如:A机房注册了一个用户,业务上不要求能够在50ms内就同步到所有机房,正常情况下要求5分钟同步到所有机房即可,异常情况下甚至可以允许1小时或者1天后能够一致。

最终一致性在具体实现的时候,还需要根据不同的数据特征,进行差异化的处理,以满足业务需要。例如对“账号”信息来说,如果在A机房新注册的用户5分钟内正好跑到B机房了,此时B机房还没有这个用户的信息,为了保证业务的正确,B机房就需要根据路由规则到A机房请求数据(这种处理方式其实就是后面讲的“二次读取”)。

而对“用户信息”来说,5分钟后同步也没有问题,也不需要采取其它措施来弥补,但还是会影响用户体验,即用户看到了旧的用户信息,这个问题怎么解决呢?这个问题实际上也涉及到了一个思维误区,在最后我们统一分析。

  1. 只使用存储系统的同步功能

数据同步是异地多活方案设计的核心,幸运的是基本上存储系统本身都会有同步的功能,例如MySQL的主备复制、Redis的Cluster功能、elasticsearch的集群功能。这些系统本身的同步功能已经比较强大,能够直接拿来就用,但这也无形中将我们引入了一个思维误区:只使用存储系统的同步功能!

既然说存储系统本身就有同步功能,而且同步功能还很强大,为何说只使用存储系统是一个思维误区呢?因为虽然绝大部分场景下,存储系统本身的同步功能基本上也够用了,但在某些比较极端的情况下,存储系统本身的同步功能可能难以满足业务需求。

以MySQL为例,MySQL5.1版本的复制是单线程的复制,在网络抖动或者大量数据同步的时候,经常发生延迟较长的问题,短则延迟十几秒,长则可能达到十几分钟。而且即使我们通过监控的手段知道了MySQL同步时延较长,也难以采取什么措施,只能干等。

Redis又是另外一个问题,Redis 3.0之前没有Cluster功能,只有主从复制功能,而为了设计上的简单,Redis主从复制有一个比较大的隐患:从机宕机或者和主机断开连接都需要重新连接主机,重新连接主机都会触发全量的主从复制,这时候主机会生成内存快照,主机依然可以对外提供服务,但是作为读的从机,就无法提供对外服务了,如果数据量大,恢复的时间会相当的长。

综合上述的案例可以看出,存储系统本身自带的同步功能,在某些场景下是无法满足我们业务需要的。尤其是异地多机房这种部署,各种各样的异常都可能出现,当我们只考虑存储系统本身的同步功能时,就会发现无法做到真正的异地多活。

解决的方案就是拓开思路,避免只使用存储系统的同步功能,可以将多种手段配合存储系统的同步来使用,甚至可以不采用存储系统的同步方案,改用自己的同步方案。

例如,还是以前面的“用户子系统”为例,我们可以采用如下几种方式同步数据:

消息队列方式:对于账号数据,由于账号只会创建,不会修改和删除(假设我们不提供删除功能),我们可以将账号数据通过消息队列同步到其它业务中心。

二次读取方式:某些情况下可能出现消息队列同步也延迟了,用户在A中心注册,然后访问B中心的业务,此时B中心本地拿不到用户的账号数据。为了解决这个问题,B中心在读取本地数据失败的时候,可以根据路由规则,再去A中心访问一次(这就是所谓的二次读取,第一次读取本地,本地失败后第二次读取对端),这样就能够解决异常情况下同步延迟的问题。

存储系统同步方式:对于密码数据,由于用户改密码频率较低,而且用户不可能在1s内连续改多次密码,所以通过数据库的同步机制将数据复制到其它业务中心即可,用户信息数据和密码类似。

回源读取方式:对于登录的session数据,由于数据量很大,我们可以不同步数据;但当用户在A中心登录后,然后又在B中心登录,B中心拿到用户上传的session id后,根据路由判断session属于A中心,直接去A中心请求session数据即可,反之亦然,A中心也可以到B中心去拿取session数据。

重新生成数据方式:对于第4中场景,如果异常情况下,A中心宕机了,B中心请求session数据失败,此时就只能登录失败,让用户重新在B中心登录,生成新的session数据。

(注意:以上方案仅仅是示意,实际的设计方案要比这个复杂一些,还有很多细节要考虑)

综合上述的各种措施,最后我们的“用户子系统”同步方式整体如下: ​






  1. 100%可用性

前面我们在给出每个思维误区对应的解决方案的时候,其实都遗留了一些小尾巴:某些场景下我们无法保证100%的业务可用性,总是会有一定的损失。例如密码不同步导致无法登录、用户信息不同步导致用户看到旧的用户信息等等,这个问题怎么解决?

其实这个问题涉及异地多活设计方案中一个典型的思维误区:我要保证业务100%可用!但极端情况下就是会丢一部分数据,就是会有一部分数据不能同步,怎么办呢,有没有什么巧妙和神通的办法能做到?

很遗憾,答案是没有!异地多活也无法保证100%的业务可用,这是由物理规律决定的,光速和网络的传播速度、硬盘的读写速度、极端异常情况的不可控等,都是无法100%解决的。所以针对这个思维误区,我的答案是“忍”!也就是说我们要忍受这一小部分用户或者业务上的损失,否则本来想为了保证最后的0.01%的用户的可用性,做个完美方案,结果却发现99.99%的用户都保证不了了。

对于某些实时强一致性的业务,实际上受影响的用户会更多,甚至可能达到1/3的用户。以银行转账这个业务为例,假设小明在北京XX银行开了账号,如果小明要转账,一定要北京的银行业务中心是可用的,否则就不允许小明自己转账。如果不这样的话,假设在北京和上海两个业务中心实现了实时转账的异地多活,某些异常情况下就可能出现小明只有1万存款,他在北京转给了张三1万,然后又到上海转给了李四1万,两次转账都成功了。这种漏洞如果被人利用,后果不堪设想。

当然,针对银行转账这个业务,可以有很多特殊的业务手段来实现异地多活。例如分为“实时转账”和“转账申请”。实时转账就是我们上述的案例,是无法做到“异地多活”的;但“转账申请”是可以做到“异地多活”的,即:小明在上海业务中心提交转账请求,但上海的业务中心并不立即转账,而是记录这个转账请求,然后后台异步发起真正的转账操作,如果此时北京业务中心不可用,转账请求就可以继续等待重试;假设等待2个小时后北京业务中心恢复了,此时上海业务中心去请求转账,发现余额不够,这个转账请求就失败了。小明再登录上来就会看到转账申请失败,原因是“余额不足”。不过需要注意的是“转账申请”的这种方式虽然有助于实现异地多活,但其实还是牺牲了用户体验的,对于小明来说,本来一次操作的事情,需要分为两次:一次提交转账申请,另外一次要确认是否转账成功。

虽然我们无法做到100%可用性,但并不意味着我们什么都不能做,为了让用户心里更好受一些,我们可以采取一些措施进行安抚或者补偿,例如:

挂公告:说明现在有问题和基本的问题原因,如果不明确原因或者不方便说出原因,可以说“技术哥哥正在紧急处理”比较轻松和有趣的公告。

事后对用户进行补偿:例如送一些业务上可用的代金券、小礼包等,降低用户的抱怨。

补充体验:对于为了做异地多活而带来的体验损失,可以想一些方法减少或者规避。以“转账申请”为例,为了让用户不用确认转账申请是否成功,我们可以在转账成功或者失败后直接给用户发个短信,告诉他转账结果,这样用户就不用不时的登录系统来确认转账是否成功了。

注:本文转载至最适合中小开发者使用的全SSD云主机平台PPPCloud,www.pppcloud.cn

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