12306.cn网站性能技术

陈皓2012年02月17日 10:52 分类 : IT技术  > 系统架构
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12306.cn网站挂了,被全国人民骂了。我这两天也在思考这个事,我想以这个事来粗略地和大家讨论一下网站性能的问题。因为仓促,而且完全基于本人有限的经验和了解,所以,如果有什么问题还请大家一起讨论和指正。(这又是一篇长文,只讨论性能问题,不讨论那些UI,用户体验,或是是否把支付和购票下单环节分开的功能性的东西)

业务

任何技术都离不开业务需求,所以,要说明性能问题,首先还是想先说说业务问题。

  • 其一有人可能把这个东西和QQ或是网游相比。但我觉得这两者是不一样的,网游和QQ在线或是登录时访问的更多的是用户自己的数据,而订票系统访问的是中心的票量数据,这是不一样的。不要觉得网游或是QQ能行你就以为这是一样的。网游和QQ 的后端负载相对于电子商务的系统还是简单。
  • 其二有人说春节期间订火车的这个事好像网站的秒杀活动。的确很相似,但是如果你的思考不在表面的话,你会发现这也有些不一样。火车票这个事,一方面会伴随着大量的查询操作,更BT的是下单的时候需要对数据库很多的一致性的操作,一方面是从起点到终点各个分段票的一致性,另一方面,买的人路线、车次、时间选择有很多,会不停地改变下单方式。而秒杀,直接杀就好了,没有那么多查询和一致性的问题。另外,关于秒杀,完全可以做成只接受前N个用户的请求(完全不操作后端的任何数据, 仅仅只是对用户的下单操作log),这种业务,只需要在内存cache中放好可秒杀的数量,还可以把数据分布开来放,100商品,10台服务器一台放10个,无需在当时操作任何数据库。可以订单数够后,停止秒杀,然后批量写数据库。而且秒杀的商品不多。火车票这个不是像秒杀那么简单的,春运时间,几乎所有的票都是热门票,而且几乎是全国人民都来了,而且还有转车业务,多条线的库存都要做事务操作,你想想吧,这有多难。(淘宝的双十一也就3百万用户,而火车票瞬时有千万级别甚至是亿级别的)(更新:2014年1月11日:来了淘宝后,对淘宝的系统有了解,淘宝的秒杀活动,本质上是用输验证码并在CDN上把用户直接过滤掉了,比如:1千万个用户过滤了只剩2万个用户,这样数据库就顶得住了)
  • 其三有人拿这个系统和奥运会的票务系统比较。我觉得还是不一样。虽然奥运会的票务系统当年也一上线就废了。但是奥运会用的是抽奖的方式,也就是说不存在先来先得的抢的方式,而且,是事后抽奖,事前只需要收信息,事前不需要保证数据一致性,没有锁,很容易水平扩展。
  • 其四订票系统应该和电子商务的订单系统很相似,都是需要对库存进行:1)占住库存,2)支付(可选),3)扣除库存的操作。这个是需要有一致性的检查的,也就是在并发时需要对数据加锁的。B2C的电商基本上都会把这个事干成异步的,也就是说,你下的订单并不是马上处理的,而是延时处理的,只有成功处理了,系统才会给你一封确认邮件说是订单成功。我相信有很多朋友都收到认单不成功的邮件。这就是说,数据一致性在并发下是一个瓶颈
  • 其五铁路的票务业务很变态,其采用的是突然放票,而有的票又远远不够大家分,所以,大家才会有抢票这种有中国特色的业务的做法。于是当票放出来的时候,就会有几百万人甚至上千万人杀上去,查询,下单。几十分钟内,一个网站能接受几千万的访问量,这个是很恐怖的事情。据说12306的高峰访问是10亿PV,集中在早8点到10点,每秒PV在高峰时上千万。

多说几句:

  • 库存是B2C的恶梦,库存管理相当的复杂。不信,你可以问问所有传统和电务零售业的企业,看看他们管理库存是多么难的一件事。不然,就不会有那么多人在问凡客的库存问题了。(你还可以看看《乔布斯传》,你就知道为什么Tim会接任Apple的CEO了,最主要的原因是他搞定了苹果的库存周期问题)
  • 对于一个网站来说,浏览网页的高负载很容易搞定,查询的负载有一定的难度去处理,不过还是可以通过缓存查询结果来搞定,最难的就是下单的负载。因为要访问库存啊,对于下单,基本上是用异步来搞定的。去年双11节,淘宝的每小时的订单数大约在60万左右,京东一天也才能支持40万(居然比12306还差),亚马逊5年前一小时可支持70万订单量。可见,下订单的操作并没有我们相像的那么性能高。
  • 淘宝要比B2C的网站要简单得多,因为没有仓库,所以,不存在像B2C这样有N个仓库对同一商品库存更新和查询的操作。下单的时候,B2C的 网站要去找一个仓库,又要离用户近,又要有库存,这需要很多计算。试想,你在北京买了一本书,北京的仓库没货了,就要从周边的仓库调,那就要去看看沈阳或 是西安的仓库有没有货,如果没有,又得看看江苏的仓库,等等。淘宝的就没有那么多事了,每个商户有自己的库存,库存就是一个数字,并且库存分到商户头上了,反而有利于性能扩展。
  • 数据一致性才是真正的性能瓶颈。有 人说nginx可以搞定每秒10万的静态请求,我不怀疑。但这只是静态请求,理论值,只要带宽、I/O够强,服务器计算能力够,并支持的并发连接数顶得住10万TCP链接的建立 的话,那没有问题。但在数据一致性面前,这10万就完完全全成了一个可望不可及的理论值了。

我说那么多,我只是想从业务上告诉大家,我们需要从业务上真正了解春运铁路订票这样业务的变态之处。


前端性能优化技术

要解决性能的问题,有很多种常用的方法,我在下面列举一下,我相信12306这个网站使用下面的这些技术会让其性能有质的飞跃。

一、前端负载均衡

通过DNS的负载均衡器(一般在路由器上根据路由的负载重定向)可以把用户的访问均匀地分散在多个Web服务器上。这样可以减少Web服务器的请求负载。因为http的请求都是短作业,所以,可以通过很简单的负载均衡器来完成这一功能。最好是有CDN网络让用户连接与其最近的服务器(CDN通常伴随着分布式存储)。(关于负载均衡更为详细的说明见“后端的负载均衡”)

二、减少前端链接数

我看了一下12306.cn,打开主页需要建60多个HTTP连接,车票预订页面则有70多个HTTP请求,现在的浏览器都是并发请求的(当然,浏览器的一个页面的并发数是有限的,但是你挡不住用户开多个页面,而且,后端服务器TCP链接在前端断开始,还不会马上释放或重要)。所以,只要有100万个用户,就有可能会有6000万个链接(访问第一次后有了浏览器端的cache,这个数会下来,就算只有20%也是百万级的链接数),太多了。一个登录查询页面就好了。把js打成一个文件,把css也打成一个文件,把图标也打成一个文件,用css分块展示。把链接数减到最低。

三、减少网页大小增加带宽

这个世界不是哪个公司都敢做图片服务的,因为图片太耗带宽了。现在宽带时代很难有人能体会到当拨号时代做个图页都不敢用图片的情形(现在在手机端浏览也是这个情形)。我查看了一下12306首页的需要下载的总文件大小大约在900KB左右,如果你访问过了,浏览器会帮你缓存很多,只需下载10K左右的文件。但是我们可以想像一个极端一点的案例,1百万用户同时访问,且都是第一次访问,每人下载量需要1M,如果需要在120秒内返回,那么就需要,1M * 1M /120 * 8 = 66Gbps的带宽。很惊人吧。所以,我估计在当天,12306的阻塞基本上应该是网络带宽,所以,你可能看到的是没有响应。后面随着浏览器的缓存帮助12306减少很多带宽占用,于是负载一下就到了后端,后端的数据处理瓶颈一下就出来。于是你会看到很多http 500之类的错误。这说明后端服务器垮了。

四、前端页面静态化

静态化一些不常变的页面和数据,并gzip一下。还有一个变态的方法是把这些静态页面放在/dev/shm下,这个目录就是内存,直接从内存中把文件读出来返回,这样可以减少昂贵的磁盘I/O。使用nginx的sendfile功能可以让这些静态文件直接在内核心态交换,可以极大增加性能。

五、优化查询

很多人查询都是在查一样的,完全可以用反向代理合并这些并发的相同的查询。这样的技术主要用查询结果缓存来实现,第一次查询走数据库获得数据,并把数据放到缓存,后面的查询统统直接访问高速缓存。为每个查询做Hash,使用NoSQL的技术可以完成这个优化。(这个技术也可以用做静态页面)

对于火车票量的查询,个人觉得不要显示数字,就显示一个“有”或“无”就好了,这样可以大大简化系统复杂度,并提升性能。把查询对数据库的负载分出去,从而让数据库可以更好地为下单的人服务。

六、缓存的问题

缓存可以用来缓存动态页面,也可以用来缓存查询的数据。缓存通常有那么几个问题:

1)缓存的更新。也叫缓存和数据库的同步。有这么几种方法,一是缓存time out,让缓存失效,重查,二是,由后端通知更新,一量后端发生变化,通知前端更新。前者实现起来比较简单,但实时性不高,后者实现起来比较复杂 ,但实时性高。

2)缓存的换页。内存可能不够,所以,需要把一些不活跃的数据换出内存,这个和操作系统的内存换页和交换内存很相似。FIFO、LRU、LFU都是比较经典的换页算法。相关内容参看Wikipeida的缓存算法。

3)缓存的重建和持久化。缓存在内存,系统总要维护,所以,缓存就会丢失,如果缓存没了,就需要重建,如果数据量很大,缓存重建的过程会很慢,这会影响生产环境,所以,缓存的持久化也是需要考虑的。

诸多强大的NoSQL都很好支持了上述三大缓存的问题。


后端性能优化技术

前面讨论了前端性能的优化技术,于是前端可能就不是瓶颈问题了。那么性能问题就会到后端数据上来了。下面说几个后端常见的性能优化技术。

一、数据冗余

关于数据冗余,也就是说,把我们的数据库的数据冗余处理,也就是减少表连接这样的开销比较大的操作,但这样会牺牲数据的一致性。风险比较大。很多人把NoSQL用做数据,快是快了,因为数据冗余了,但这对数据一致性有大的风险。这需要根据不同的业务进行分析和处理。(注意:用关系型数据库很容易移植到NoSQL上,但是反过来从NoSQL到关系型就难了)

二、数据镜像

几乎所有主流的数据库都支持镜像,也就是replication。数据库的镜像带来的好处就是可以做负载均衡。把一台数据库的负载均分到多台上,同时又保证了数据一致性(Oracle的SCN)。最重要的是,这样还可以有高可用性,一台废了,还有另一台在服务。

陈皓
酷壳

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