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ES+Redis+MySQL,这个高可用架构设计太顶了!

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大家好,我是Java架构师

背景

会员系统是一种基础系统,跟公司所有业务线的下单主流程密切相关。如果会员系统出故障,会导致用户无法下单,影响范围是全公司所有业务线。所以,会员系统必须保证高性能、高可用,提供稳定、高效的基础服务。


随着同程和艺龙两家公司的合并,越来越多的系统需要打通同程 APP、艺龙 APP、同程微信小程序、艺龙微信小程序等多平台会员体系。


例如微信小程序的交叉营销,用户买了一张火车票,此时想给他发酒店红包,这就需要查询该用户的统一会员关系。


因为火车票用的是同程会员体系,酒店用的是艺龙会员体系,只有查到对应的艺龙会员卡号后,才能将红包挂载到该会员账号。


除了上述讲的交叉营销,还有许多场景需要查询统一会员关系,例如订单中心、会员等级、里程、红包、常旅、实名,以及各类营销活动等等。


所以,会员系统的请求量越来越大,并发量越来越高,今年清明小长假的秒并发 tps 甚至超过 2 万多。


在如此大流量的冲击下,会员系统是如何做到高性能和高可用的呢?这就是本文着重要讲述的内容。


ES 高可用方案

| ES 双中心主备集群架构

同程和艺龙两家公司融合后,全平台所有体系的会员总量是十多亿。在这么大的数据体量下,业务线的查询维度也比较复杂。


有的业务线基于手机号,有的基于微信 unionid,也有的基于艺龙卡号等查询会员信息。


这么大的数据量,又有这么多的查询维度,基于此,我们选择 ES 用来存储统一会员关系。ES 集群在整个会员系统架构中非常重要,那么如何保证 ES 的高可用呢?


首先我们知道,ES 集群本身就是保证高可用的,如下图所示:

当 ES 集群有一个节点宕机了,会将其他节点对应的 Replica Shard 升级为 Primary Shard,继续提供服务。


但即使是这样,还远远不够。例如 ES 集群都部署在机房 A,现在机房 A 突然断电了,怎么办?


例如服务器硬件故障,ES 集群大部分机器宕机了,怎么办?或者突然有个非常热门的抢购秒杀活动,带来了一波非常大的流量,直接把 ES 集群打死了,怎么办?面对这些情况,让运维兄弟冲到机房去解决?


这个非常不现实,因为会员系统直接影响全公司所有业务线的下单主流程,故障恢复的时间必须非常短,如果需要运维兄弟人工介入,那这个时间就太长了,是绝对不能容忍的。


那 ES 的高可用如何做呢?我们的方案是 ES 双中心主备集群架构。

我们有两个机房,分别是机房 A 和机房 B。我们把 ES 主集群部署在机房 A,把 ES 备集群部署在机房 B。会员系统的读写都在 ES 主集群,通过 MQ 将数据同步到 ES 备集群。


此时,如果 ES 主集群崩了,通过统一配置,将会员系统的读写切到机房 B 的 ES 备集群上,这样即使 ES 主集群挂了,也能在很短的时间内实现故障转移,确保会员系统的稳定运行。


最后,等 ES 主集群故障恢复后,打开开关,将故障期间的数据同步到 ES 主集群,等数据同步一致后,再将会员系统的读写切到 ES 主集群。


| ES 流量隔离三集群架构

双中心 ES 主备集群做到这一步,感觉应该没啥大问题了,但去年的一次恐怖流量冲击让我们改变了想法。


那是一个节假日,某个业务上线了一个营销活动,在用户的一次请求中,循环 10 多次调用了会员系统,导致会员系统的 tps 暴涨,差点把 ES 集群打爆。


这件事让我们后怕不已,它让我们意识到,一定要对调用方进行优先级分类,实施更精细的隔离、熔断、降级、限流策略。


首先,我们梳理了所有调用方,分出两大类请求类型:

  • 第一类是跟用户的下单主流程密切相关的请求,这类请求非常重要,应该高优先级保障。

  • 第二类是营销活动相关的,这类请求有个特点,他们的请求量很大,tps 很高,但不影响下单主流程。


基于此,我们又构建了一个 ES 集群,专门用来应对高 tps 的营销秒杀类请求,这样就跟 ES 主集群隔离开来,不会因为某个营销活动的流量冲击而影响用户的下单主流程。


如下图所示:

| ES 集群深度优化提升

讲完了 ES 的双中心主备集群高可用架构,接下来我们深入讲解一下 ES 主集群的优化工作。


有一段时间,我们特别痛苦,就是每到饭点,ES 集群就开始报警,搞得每次吃饭都心慌慌的,生怕 ES 集群一个扛不住,就全公司炸锅了。


那为什么一到饭点就报警呢?因为流量比较大, 导致 ES 线程数飙高,cpu 直往上窜,查询耗时增加,并传导给所有调用方,导致更大范围的延时。那么如何解决这个问题呢?


通过深入 ES 集群,我们发现了以下几个问题: 

  • ES 负载不合理,热点问题严重。ES 主集群一共有几十个节点,有的节点上部署的 shard 数偏多,有的节点部署的 shard 数很少,导致某些服务器的负载很高,每到流量高峰期,就经常预警。

  • ES 线程池的大小设置得太高,导致 cpu 飙高。我们知道,设置 ES 的 threadpool,一般将线程数设置为服务器的 cpu 核数,即使 ES 的查询压力很大,需要增加线程数,那最好也不要超过“cpu core * 3 / 2 + 1”。如果设置的线程数过多,会导致 cpu 在多个线程上下文之间频繁来回切换,浪费大量 cpu 资源。

  • shard 分配的内存太大,100g,导致查询变慢。我们知道,ES 的索引要合理分配 shard 数,要控制一个 shard 的内存大小在 50g 以内。如果一个 shard 分配的内存过大,会导致查询变慢,耗时增加,严重拖累性能。

  • string 类型的字段设置了双字段,既是 text,又是 keyword,导致存储容量增大了一倍。会员信息的查询不需要关联度打分,直接根据 keyword 查询就行,所以完全可以将 text 字段去掉,这样就能节省很大一部分存储空间,提升性能。

  • ES 查询,使用 filter,不使用 query。因为 query 会对搜索结果进行相关度算分,比较耗 cpu,而会员信息的查询是不需要算分的,这部分的性能损耗完全可以避免。

  • 节约 ES 算力,将 ES 的搜索结果排序放在会员系统的 jvm 内存中进行。

  • 增加 routing key。我们知道,一次 ES 查询,会将请求分发给所有 shard,等所有shard返回结果后再聚合数据,最后将结果返回给调用方。如果我们事先已经知道数据分布在哪些 shard 上,那么就可以减少大量不必要的请求,提升查询性能。


经过以上优化,成果非常显著,ES 集群的 cpu 大幅下降,查询性能大幅提升。ES 集群的 cpu 使用率: 

会员系统的接口耗时:

会员 Redis 缓存方案

一直以来,会员系统是不做缓存的,原因主要有两个:

  • 第一个,前面讲的 ES 集群性能很好,秒并发 3 万多,99 线耗时 5 毫秒左右,已经足够应付各种棘手的场景。

  • 第二个,有的业务对会员的绑定关系要求实时一致,而会员是一个发展了 10 多年的老系统,是一个由好多接口、好多系统组成的分布式系统。


所以,只要有一个接口没有考虑到位,没有及时去更新缓存,就会导致脏数据,进而引发一系列的问题。


例如:用户在 APP 上看不到微信订单、APP 和微信的会员等级、里程等没合并、微信和 APP 无法交叉营销等等。

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那后来为什么又要做缓存呢?是因为今年机票的盲盒活动,它带来的瞬时并发太高了。虽然会员系统安然无恙,但还是有点心有余悸,稳妥起见,最终还是决定实施缓存方案。


| ES 近一秒延时导致的 Redis 缓存数据不一致问题的解决方案

在做会员缓存方案的过程中,遇到一个 ES 引发的问题,该问题会导致缓存数据的不一致。


我们知道,ES 操作数据是近实时的,往 ES 新增一个 Document,此时立即去查,是查不到的,需要等待 1 秒后才能查询到。


如下图所示:

ES 的近实时机制为什么会导致 Redis 缓存数据不一致呢?具体来讲,假设一个用户注销了自己的 APP 账号,此时需要更新 ES,删除 APP 账号和微信账号的绑定关系。而 ES 的数据更新是近实时的,也就是说,1 秒后你才能查询到更新后的数据。


而就在这 1 秒内,有个请求来查询该用户的会员绑定关系,它先到 Redis 缓存中查,发现没有,然后到 ES 查,查到了,但查到的是更新前的旧数据。


最后,该请求把查询到的旧数据更新到 Redis 缓存并返回。就这样,1 秒后,ES 中该用户的会员数据更新了,但 Redis 缓存的数据还是旧数据,导致了 Redis 缓存跟 ES 的数据不一致。


如下图所示:

面对该问题,如何解决呢?我们的思路是,在更新 ES 数据时,加一个 2 秒的 Redis 分布式并发锁,为了保证缓存数据的一致性,接着再删除 Redis 中该会员的缓存数据。


如果此时有请求来查询数据,先获取分布式锁,发现该会员 ID 已经上锁了,说明 ES 刚刚更新的数据尚未生效,那么此时查询完数据后就不更新 Redis 缓存了,直接返回,这样就避免了缓存数据的不一致问题。


如下图所示:

上述方案,乍一看似乎没什么问题了,但仔细分析,还是有可能导致缓存数据的不一致。


例如,在更新请求加分布式锁之前,恰好有一个查询请求获取分布式锁,而此时是没有锁的,所以它可以继续更新缓存。


但就在他更新缓存之前,线程 block 了,此时更新请求来了,加了分布式锁,并删除了缓存。当更新请求完成操作后,查询请求的线程活过来了,此时它再执行更新缓存,就把脏数据写到缓存中了。


发现没有?主要的问题症结就在于“删除缓存”和“更新缓存”发生了并发冲突,只要将它们互斥,就能解决问题。


如下图所示:

实施了缓存方案后,经统计,缓存命中率 90%+,极大缓解了 ES 的压力,会员系统整体性能得到了很大提升。


| Redis 双中心多集群架构

接下来,我们看一下如何保障 Redis 集群的高可用。


如下图所示: 

关于 Redis 集群的高可用,我们采用了双中心多集群的模式。在机房 A 和机房 B 各部署一套 Redis 集群。


更新缓存数据时,双写,只有两个机房的 Redis 集群都写成功了,才返回成功。查询缓存数据时,机房内就近查询,降低延时。这样,即使机房 A 整体故障,机房 B 还能提供完整的会员服务。

高可用会员主库方案

上述讲到,全平台会员的绑定关系数据存在 ES,而会员的注册明细数据存在关系型数据库。


最早,会员使用的数据库是 SqlServer,直到有一天,DBA 找到我们说,单台 SqlServer 数据库已经存储了十多亿的会员数据,服务器已达到物理极限,不能再扩展了。按照现在的增长趋势,过不了多久,整个 SqlServer 数据库就崩了。


你想想,那是一种什么样的灾难场景:会员数据库崩了,会员系统就崩了;会员系统崩了,全公司所有业务线就崩了。想想就不寒而栗,酸爽无比,为此我们立刻开启了迁移 DB 的工作。


| MySQL 双中心 Partition 集群方案

经过调研,我们选择了双中心分库分表的 MySQL 集群方案,如下图所示:

会员一共有十多亿的数据,我们把会员主库分了 1000 多个分片,平分到每个分片大概百万的量级,足够使用了。


MySQL 集群采用 1 主 3 从的架构,主库放在机房 A,从库放在机房 B,两个机房之间通过专线同步数据,延迟在 1 毫秒内。


会员系统通过 DBRoute 读写数据,写数据都路由到 master 节点所在的机房 A,读数据都路由到本地机房,就近访问,减少网络延迟。另外,搜索公众号Linux就该这样学后台回复“猴子”,获取一份惊喜礼包。


这样,采用双中心的 MySQL 集群架构,极大提高了可用性,即使机房 A 整体都崩了,还可以将机房 B 的 Slave 升级为 Master,继续提供服务。


双中心 MySQL 集群搭建好后,我们进行了压测,测试下来,秒并发能达到 2 万多,平均耗时在 10 毫秒内,性能达标。


| 会员主库平滑迁移方案

接下来的工作,就是把会员系统的底层存储从 SqlServer 切到 MySQL 上,这是个风险极高的工作。


主要有以下几个难点:

  • 会员系统是一刻都不能停机的,要在不停机的情况下完成 SqlServer 到 MySQL 的切换,就像是在给高速行驶的汽车换轮子。

  • 会员系统是由很多个系统和接口组成的,毕竟发展了 10 多年,由于历史原因,遗留了大量老接口,逻辑错综复杂。这么多系统,必须一个不落的全部梳理清楚,DAL 层代码必须重写,而且不能出任何问题,否则将是灾难性的。

  • 数据的迁移要做到无缝迁移,不仅是存量 10 多亿数据的迁移,实时产生的数据也要无缝同步到 MySQL。另外,除了要保障数据同步的实时性,还要保证数据的正确性,以及 SqlServer 和 MySQL 数据的一致性。


基于以上痛点,我们设计了“全量同步、增量同步、实时流量灰度切换”的技术方案。


首先,为了保证数据的无缝切换,采用实时双写的方案。因为业务逻辑的复杂,以及 SqlServer 和 MySQL 的技术差异性,在双写 MySQL 的过程中,不一定会写成功,而一旦写失败,就会导致 SqlServer 和 MySQL 的数据不一致,这是绝不允许的。


所以,我们采取的策略是,在试运行期间,主写 SqlServer,然后通过线程池异步写 MySQL,如果写失败了,重试三次,如果依然失败,则记日志,然后人工排查原因,解决后,继续双写,直到运行一段时间,没有双写失败的情况。


通过上述策略,可以确保在绝大部分情况下,双写操作的正确性和稳定性,即使在试运行期间出现了 SqlServer 和 MySQL 的数据不一致的情况,也可以基于 SqlServer 再次全量构建出 MySQL 的数据。


因为我们在设计双写策略时,会确保 SqlServer 一定能写成功,也就是说,SqlServer 中的数据是全量最完整、最正确的。


如下图所示:

 讲完了双写,接下来我们看一下“读数据”如何灰度。整体思路是,通过 A/B 平台逐步灰度流量,刚开始 100% 的流量读取 SqlServer 数据库,然后逐步切流量读取 MySQL 数据库,先 1%,如果没有问题,再逐步放流量,最终 100% 的流量都走 MySQL数据库。


在逐步灰度流量的过程中,需要有验证机制,只有验证没问题了,才能进一步放大流量。


那么这个验证机制如何实施呢?方案是,在一次查询请求里,通过异步线程,比较 SqlServer 和 MySQL 的查询结果是否一致,如果不一致,记日志,再人工检查不一致的原因,直到彻底解决不一致的问题后,再逐步灰度流量。


如下图所示:
所以,整体的实施流程如下:

首先,在一个夜黑风高的深夜,流量最小的时候,完成 SqlServer 到 MySQL 数据库的全量数据同步。


接着,开启双写,此时,如果有用户注册,就会实时双写到两个数据库。那么,在全量同步和实时双写开启之间,两个数据库还相差这段时间的数据,所以需要再次增量同步,把数据补充完整,以防数据的不一致。


剩下的时间,就是各种日志监控,看双写是否有问题,看数据比对是否一致等等。


这段时间是耗时最长的,也是最容易发生问题的,如果有的问题比较严重,导致数据不一致了,就需要从头再来,再次基于 SqlServer 全量构建 MySQL 数据库,然后重新灰度流量。


直到最后,100% 的流量全部灰度到 MySQL,此时就大功告成了,下线灰度逻辑,所有读写都切到 MySQL 集群。


| MySQL 和 ES 主备集群方案

做到这一步,感觉会员主库应该没问题了,可 dal 组件的一次严重故障改变了我们的想法。


那次故障很恐怖,公司很多应用连接不上数据库了,创单量直线往下掉,这让我们意识到,即使数据库是好的,但 dal 组件异常,依然能让会员系统挂掉。


所以,我们再次异构了会员主库的数据源,双写数据到 ES,如下所示:

如果 dal 组件故障或 MySQL 数据库挂了,可以把读写切到 ES,等 MySQL 恢复了,再把数据同步到 MySQL,最后把读写再切回到 MySQL 数据库。


如下图所示:

异常会员关系治理

会员系统不仅仅要保证系统的稳定和高可用,数据的精准和正确也同样重要。


举个例子,一个分布式并发故障,导致一名用户的 APP 账户绑定了别人的微信小程序账户,这将会带来非常恶劣的影响。


首先,一旦这两个账号绑定了,那么这两个用户下的酒店、机票、火车票订单是互相可以看到的。


你想想,别人能看到你订的酒店订单,你火不火,会不会投诉?除了能看到别人的订单,你还能操作订单。


例如,一个用户在 APP 的订单中心,看到了别人订的机票订单,他觉得不是自己的订单,就把订单取消了。


这将会带来非常严重的客诉,大家知道,机票退订费用是挺高的,这不仅影响了该用户的正常出行,还导致了比较大的经济损失,非常糟糕。


针对这些异常会员账号,我们进行了详细的梳理,通过非常复杂烧脑的逻辑识别出这些账号,并对会员接口进行了深度优化治理,在代码逻辑层堵住了相关漏洞,完成了异常会员的治理工作。


如下图所示:

展望:更精细化的流控和降级策略

任何一个系统,都不能保证百分之一百不出问题,所以我们要有面向失败的设计,那就是更精细化的流控和降级策略。

| 更精细化的流控策略

热点控制。针对黑产刷单的场景,同一个会员 id 会有大量重复的请求,形成热点账号,当这些账号的访问超过设定阈值时,实施限流策略。


基于调用账号的流控规则。这个策略主要是防止调用方的代码 bug 导致的大流量。例如,调用方在一次用户请求中,循环很多次来调用会员接口,导致会员系统流量暴增很多倍。所以,要针对每个调用账号设置流控规则,当超过阈值时,实施限流策略。


全局流控规则。我们会员系统能抗下 tps 3 万多的秒并发请求量,如果此时,有个很恐怖的流量打过来,tps 高达 10 万,与其让这波流量把会员数据库、ES 全部打死,还不如把超过会员系统承受范围之外的流量快速失败,至少 tps 3 万内的会员请求能正常响应,不会让整个会员系统全部崩溃。


| 更精细化的降级策略

基于平均响应时间的降级。会员接口也有依赖其他接口,当调用其他接口的平均响应时间超过阈值,进入准降级状态。


如果接下来 1s 内进入的请求,它们的平均响应时间都持续超过阈值,那么在接下的时间窗口内,自动地熔断。


基于异常数和异常比例的降级。当会员接口依赖的其他接口发生异常,如果 1 分钟内的异常数超过阈值,或者每秒异常总数占通过量的比值超过阈值,进入降级状态,在接下的时间窗口之内,自动熔断。


目前,我们最大的痛点是会员调用账号的治理。公司内,想要调用会员接口,必须申请一个调用账号,我们会记录该账号的使用场景,并设置流控、降级策略的规则。


但在实际使用的过程中,申请了该账号的同事,可能异动到其他部门了,此时他可能也会调用会员系统,为了省事,他不会再次申请会员账号,而是直接沿用以前的账号过来调用,这导致我们无法判断一个会员账号的具体使用场景是什么,也就无法实施更精细的流控和降级策略。


所以,接下来,我们将会对所有调用账号进行一个个的梳理,这是个非常庞大且繁琐的工作,但无路如何,硬着头皮也要做好。


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来源:同程艺龙技术中心

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