云計算架構設計遵循的原則

呂昭波

2006年，云計算產品誕生，云計算的概念也被提出，現在云計算幾乎已經滲入所有的行業和應用場景中。我們不一定能直接感受到云計算對日常生活、工作、學習的影響，但作為IT基礎設施，它卻悄然支撐著我們正在使用的各個應用。

在很多書和云服務商的官方文檔中都介紹過云計算的概念、發展歷史、產品體系，這里不再贅述。我們可以從另一個角度去認識云計算的整體架構和服務能力，也就是云計算架構體系，其中概括了云計算從下到上的組成結構，包括基礎設施、云計算操作系統、產品體系（包含安全與合規、監控與管理）、解決方案體系、服務體系。

完整的技術架構設計也是有步驟可循的，先是收集需求分析，根據需求分析進行架構設計，再進行評估改進及交付實施，然后持續運營。

在架構設計的各個階段中，每個階段均導入前一個階段的結果，經過當前階段處理后輸出設計方案或搭建環境，漸進式地推進完整解決方案的設計。

①需求分析階段由用戶輸入需求痛點，經過分析后輸出需求分析表。

②在架構設計階段中，根據需求分析表來匹配合適的設計模式，形成完整的架構設計方案。

③在評估改進階段，對已完成的架構設計方案進行評估，輸出經過評估和參考良好架構設計原則改進過的架構設計方案。

④在交付實施階段，根據經過評估改進的架構設計方案在云平臺中搭建環境、部署業務，提供符合架構設計的云端環境。

⑤在架構的持續運營中，輸入解決方案和當前業務運行狀況，持續巡檢、分析、評估，輸出改進措施，進行重構改進，并周而復始地根據新需求提供方案。

基于云計算進行架構設計，所有的技術解決方案都應遵循一定的原則，這也是架構設計中要追求的目標。

架構設計的原則，包括合理部署、業務持續、彈性擴展、性能效率、安全合規、持續運營。這六大原則代表了架構設計中需要考慮的不同角度，只有同時遵循這些原則才能設計出完善的架構方案，但在實際情況中，并不需要在架構設計中把所有設計模式都融入進去，構建繁雜的架構方案。

合理部署

業務系統在公有云上的部署包括使用虛擬機形式的云主機，以及性能更強的物理云主機形式，托管服務包括托管應用、托管物理服務器。

基于IT歷史資源狀況、合規性要求等，很多企業還沒有上云，針對這種情況，將云計算操作系統抽取出來打包為獨立的軟件和服務，在用戶的私有化環境中進行部署。區別于公有云面向“任何”用戶開放使用，私有化部署僅面向少數指定的用戶使用。

混合架構能夠對公有云和私有化部署的平臺、傳統的VMware、OpenStack虛擬化平臺或物理服務器等資源進行統一管理和調度，混合架構既享受了不變更本地環境、滿足合規要求的好處，又享受了云平臺資源豐富、服務能力充足等優勢?；旌霞軜嬕彩钱斍捌髽I轉型上云的一種中間狀態，會長期存在。

在跨境電商、游戲出海等場景下會使用到全球范圍內的多個地域，將業務和數據靠近用戶來部署可以減少網絡延遲、提升訪問體驗。因此，納入全球部署，來重點解決如何在全球范圍內盡可能靠近用戶部署的問題，也能實現數據同步存儲和處理的方案。

不能相信任何一塊硬盤、任何一臺云主機、任何一個可用區、任何一個地域，也不能完全相信任何一個云服務商，進行業務部署時應選擇多個公有云平臺，提升業務持續性，彌補單個云服務商在資源和服務上的短板，屏蔽云服務商的一些技術鎖定和商業綁定。

業務持續

業務持續性主要是指高可用、高可靠、災難恢復三方面，在設計模式中也是按照這個邏輯展開的。

高可用（High Availability）是指當業務運行的資源出現故障時，通過冗余等設計來避免業務中斷。

高可靠（Continuous Operations）是指業務運行的資源無故障，業務可持續提供服務。

災難恢復（Disaster Recovery）是指當業務運行環境遭到破壞時，在不同環境中恢復應用和數據的能力。

在架構設計的每一層中都應實現冗余和業務持續性，沒有冗余就意味著會出現單點，而單點一旦出現故障，就會造成局部服務終止。

存儲產品：塊存儲通過3個副本實現冗余，當一個副本出現錯誤時，通過其他副本來校驗和恢復數據；對象存儲中通過糾刪碼來實現數據冗余校驗，提供可恢復能力；對象存儲提供跨區域復制功能，避免單個地域成為對象存儲的單點。

備份方案：在云端通過跨可用區、跨地域的數據備份提升可靠性，避免只存儲一份數據；在混合架構中將數據備份到云端，在本地環境數據損壞時，可通過云端備份文件進行恢復。

容災方案：對業務系統實現容災，避免當前業務環境成為單點，提升整體業務的可用性和抗風險能力。

高可用：通過跨可用區的負載均衡部署實現云主機和可用區的冗余；通過全局負載均衡實現跨地域和跨云平臺的高可用。

彈性擴展

緊耦合的系統不容易擴展，在出現軟件Bug和系統故障時難以排查問題，調用每個系統組件的壓力各不相同，小問題逐級放大，容易造成整個業務中斷。要保持系統彈性擴展，首先要進行系統組件的解耦，包含動態數據和靜態數據解耦，解耦后的組件可實現功能單元化，各司其職。

解耦之后再對組件和服務進行擴展，即計算資源的縱向擴展、橫向擴展和自動伸縮，包括數據庫層的擴展，還有通過混合架構延展本地環境的計算、存儲備份、安全防護、產品服務能力。對應用和數據的遷移也算作整個系統的擴展，從一個環境遷移到另外一個環境，系統應保持彈性擴展，在需要遷移時能夠快速實施遷移。最后還要進行均衡，組件解耦、資源和服務擴展之后需要統一的接入入口，以屏蔽底層解耦與擴展帶來的接口不統一等問題，將這些都納入均衡和全局負載均衡中來。

在各個層面實現解耦，通過消息隊列來解耦組件之間的通信，并解耦事件；通過Redis等共享存儲實現狀態數據與計算資源的解耦；采用云主機部署業務應該面向服務而非資源，將資源與業務解耦；存儲實現彈性可掛載和可卸載的云硬盤，采用可綁定和解綁定的EIP；通過DDoS防護、WAF防護等解耦安全防護與計算資源；使用原生的計算能力、存儲能力將業務與云平臺的特性解耦，實現業務在多個云平臺中的可擴展。

組件解耦是實現可擴展的前提，可通過以下方式進行：

保持無狀態，將狀態數據存儲到Redis中；

放到負載均衡中，擴容、縮容不影響整體業務；

通過消息隊列、API Gateway解耦，生產者、消費者可擴展且互不影響。

實現業務的全局負載均衡，后端業務能夠在混合架構、多云環境中進行擴展。

性能效率

非常多的解決方案和案例中都涉及高并發、流量激增帶來的對性能的挑戰，在性能效率中，主要目標是發現和提升應用的性能，提高資源和組件的效率。

首先是計算性能，通過采用高配置的云主機或物理云主機來提升單機性能，通過集群形式擴展整體服務性能。

其次是存儲和緩存，通過Redis來緩存熱點數據、存儲臨時狀態數據，在內存中進行計算能夠提升業務性能。在每一層使用緩存，通過CDN緩存靜態文件，對沒有命中的文件進行回源；通過Redis緩存數據庫，加速數據庫的訪問；通過Redis緩存熱點配置文件、熱點數據，提前加載，減少訪問時間。

再次是對網絡性能的優化，在業務實現全球部署時選擇數據中心，并且基于全球基礎網絡、CDN及全球應用加速來提升網絡性能，獲得請求加速效果。

最后介紹應用性能監測和壓力測試，從應用的角度上來評測當前的性能狀況、發現問題瓶頸，并針對性地解決問題。

安全合規

安全合規一方面是為了滿足業務安全防護的自身需求，另一方面是滿足安全監管的合規要求，在具體實施時會將這兩方面交叉在一起。

首先，從用戶賬號和權限管理切入，為合適的人員分配恰當的賬號、角色，授予權限，對于通過API或CLI來訪問的程序或人員分配恰當的公鑰、私鑰和權限，對于臨時訪問的對象存儲文件Token等也進行嚴格管理。其次，還有在整個安全體系中的終端安全、數據安全、網絡安全、應用安全，以及對日志、行為、數據庫操作的審計。最后，還有《信息安全技術-網絡安全等級保護基本要求》、網站備案要求、滿足GDPR等各地區對業務和數據隱私要求的制度等。

在賬號體系中設置主賬號、子賬號，并對公鑰、密鑰進行管理；設置合適的角色，為賬號、角色分配所需要的權限。

通過ACL控制網絡訪問；通過安全組限制云主機開放的端口等；通過子網和路由控制跨子網的通信。將數據庫以及只需要內部訪問的云主機配置到內網VPC中，設置允許訪問的VPC，設置為不連通外網。

防止DDoS、CC、SQL注入、XSS等攻擊。

安全審計，保留訪問日志、操作日志，逐步實現低頻存儲、歸檔存儲等。

持續運營

云平臺提供的資源與服務均有SLA，云主機的SLA通常為99.95 %，用戶構建的業務系統都是基于云資源和云服務的SLA，在此之上構建可用性、可靠性更高的業務系統。對于自身業務系統，也需要制定SLA來表明服務可用性或其他指標，制定了用戶業務的SLA后，就可以按照SLA閾值來設置高可用限流值，綜合評估整體業務的服務可用性和數據可靠性，并指定故障應急措施。

在持續運營中會對云資源、云服務、事件及用戶的應用進行監控，并設置告警，在達到告警條件時，通過電話、短信、郵件、釘釘、微信等方式通知相關人員，將告警交給回調函數，可實現自動化故障處理或相應的應急預案，減少人工介入。

應該在架構設計的每一層進行監控與告警，包括對云資源、事件、應用運行狀況的全方位監控。對于用戶自定義監測的資源與服務，需要配置合理有效的告警策略來及時發現異常情況。可通過Advisor實現云平臺巡檢，持續監測資源的變化，持續定期評估業務架構，及時發現業務架構是否還匹配業務需求。

此外，還需要具備自動化響應及處理功能，自動伸縮能夠通過監控CPU等指標自動擴容或縮容云主機數量；通過定時器固定周期擴容或縮容云主機數量。實現事件驅動響應，由事件消息觸發執行腳本、回調函數等操作，實現智能運維，根據事件和告警自動觸發運維操作，編排運維腳本，通過智能運維的方式來減少人工運維。

及時發現消費及業務成本的變化，并對成本進行優化。設置賬戶余額告警值，避免快速消費，實現成本控制。評估資源使用時長，將按時計費的資源轉變為按月、按年計費，優化資源的使用。通過Advisor中建議的成本優化釋放沒有使用的EIP，根據CPU等指標來減少云主機數量或降低云主機配置，云主機處理對象存儲時通過內網進行訪問，減少外網訪問的流量費用。通過多云部署實現成本優化，綜合多個云平臺的資源價格選擇資源，選用較優的組合方案，通過其他云平臺更低單價的競價實例云主機來處理OLAP的業務。