出行领域架构设计

作者：王小雪。滴滴出行架构师，原快的打车架构师。 来源：程序员杂志

某知名打车平台从随着业务的发展，系统访问量迅速膨胀，很多复杂的问题要在短时间内解决，且不能影响线上业务，这是比较大的挑战，本文将会阐述打车架构演变过程遇到的一些有代表性的问题和解决方案。

LBS的瓶颈和方案

先看看基本的系统模型，如图1所示。

图1 系统模型示意图

1. 司机每隔几秒钟上报一次经纬度，存储在MongoDB里；
2. 乘客发单时，通过MongoDB圈选出附近司机；
3. 将订单通过长连接服务推送给司机；
4. 司机接单，开始服务。

MongoDB集群是一主多从的复制集方式，读写都很密集（4w+/s写、1w+/s读）时出现以下问题：

1. 从服务器CPU负载急剧上升；
2. 查询性能急剧降低（大量查询耗时超过800毫秒）；
3. 查询吞吐量大幅降低；
4. 主从复制出现较大的延迟。

原因是当时的MongoDB版本（2.6.4）是库级别的锁每次写都会锁库，还有每一次LBS查询会分解成许多单独的子查询，增大整个查询的锁等待概率。我们最后将全国分为4个大区，部署多个独立的MongoDB集群，每个大区的用户存储在对应的MongoDB集群里。

长连接服务稳定性

我们的长连接服务通过Socket接收客户端心跳、推送消息给乘客和司机。打车大战期间，长连接服务非常不稳定。

先说说硬件问题，现象是CPU的第一个核经常使用率100%，其他的核却非常空闲，系统吞吐量上不去，对业务的影响很大。经过较长时间排查，最终发现这是因为服务器用了单队列网卡，I/O中断都被分配到了一个CPU核上，大量数据包到来时，单个CPU核无法全部处理，导致LVS不断丢包连接中断。最后解决这个问题其实很简单，换成多队列网卡就行。

再看软件问题，长连接服务当时用Mina实现，Mina本身存在一些问题：内存使用控制粒度不够细、垃圾回收难以有效控制、空闲连接检查效率不高、大量连接时周期性CPU使用率飙高。快的打车的长连接服务特点是：大量的广播、消息推送具有不同的优先级、细粒度的资源监控。最后我们用AIO重写了这个长连接服务框架，彻底解决了这个问题。主要有以下特性：

1. 针对快的场景定制开发；
2. 资源（主要是ByteBuffer）池化，减少GC造成的影响；
3. 广播时，一份ByteBuffer复用到多个通道，减少内存拷贝；
4. 使用TimeWheel检测空闲连接，消除空闲连接检测造成的CPU尖峰；
5. 支持按优先级发送数据。

其实Netty已经实现了资源池化和TimeWheel方式检测空闲连接，但无法做到消息优先级区分和细粒度监控，这也算是快的自身的定制特性吧，通用的通信框架确实不好满足。选用AIO方式仅仅是因为AIO的编程模型比较简单而已，其实底层的性能并没有多大差别。

系统分布式改造

打车系统最初只有两个系统，一个提供HTTP服务的Web系统，一个提供TCP长连接服务的推送系统，所有业务运行在这个Web系统里，代码量非常庞大，代码下载和编译都需要花较长时间。

业务代码都混在一起，频繁的日常变更导致并行开发的分支非常多，测试和代码合并以及发布验证的效率非常低下，常常一发布就通宵。这种情况下，系统的伸缩性和扩展性非常差，关键业务和非关键业务混在一起，互相影响。

因此我们Web系统做了拆分，将整个系统从上往下分为3个大的层次：业务层、服务层以及数据层。

我们在拆分的同时，也仔细梳理了系统之间的依赖。对于强依赖场景，用Dubbo实现了RPC和服务治理。对于弱依赖场景，通过RocketMQ实现。Dubbo是阿里开源的框架，在阿里内部和国内大型互联网公司有广泛的应用，我们对Dubbo源码比较了解。RocketMQ也是阿里开源的，在内部得到了非常广泛的应用，也有很多外部用户，可简单将RocketMQ理解为Java版的Kafka，我们同样也对RocketMQ源码非常了解，快的打车所有的消息都是通过RocketMQ实现的，这两个中间件在线上运行得非常稳定。

借着分布式改造的机会，我们对系统全局也做了梳理，建立研发流程、代码规范、SQL规范，梳理链路上的单点和性能瓶颈，建立服务降级机制。

无线开放平台

当时客户端与服务端通信面临以下问题。

1. 每新增一个业务请求，Web工程就要改动发布。
2. 请求和响应格式没有规范，导致服务端很难对请求做统一处理，而且与第三方集成的方式非常多，维护成本高。
3. 来多少请求就处理多少，根本不考虑后端服务的承受能力，而某些时候需要对后端做保护。
4. 业务逻辑比较分散，有的在Web应用里，有的在Dubbo服务里。提供新功能时，工程师关注的点比较多，增加了系统风险。
5. 业务频繁变化和快速发展，文档无法跟上，最后没人能说清到底有哪些协议，协议里的字段含义。

针对这些问题，我们设计了快的无线开放平台KOP，以下是一些大的设计原则。

1. 接入权限控制 为接入的客户端分配标示和密钥，密钥由客户端保管，用来对请求做数字签名。服务端对客户端请求做签名校验，校验通过才会执行请求。
2. 流量分配和降级 同样的API，不同接入端的访问限制可以不一样。可按城市、客户端平台类型做ABTest。极端情况下，优先保证核心客户端的流量，同时也会优先保证核心API的服务能力，例如登录、下单、接单、支付这些核心的API。被访问被限制时，返回一个限流错误码，客户端根据不同场景酌情处理。
3. 流量分析 从客户端、API、IP、用户多个维度，实时分析当前请求是否恶意请求，恶意的IP和用户会被冻结一段时间或永久封禁。
4. 实时发布 上线或下线API不需要对KOP进行发布，实时生效。当然，为了安全，会有API的审核机制。
5. 实时监控 能统计每个客户端对每个API每分钟的调用总量、成功量、失败量、平均耗时，能以分钟为单位查看指定时间段内的数据曲线，并且能对比历史数据。当响应时间或失败数量超过阈值时，系统会自动发送报警短信。

实时计算与监控

我们基于Storm和HBase设计了自己的实时监控平台，分钟级别实时展现系统运行状况和业务数据（架构如图2所示），包含以下几个主要部分。

图2 监控系统架构图

1. 核心计算模型 求和、求平均、分组。
2. 基于Storm的实时计算 Storm的逻辑并不复杂，只有两个Bolt，一个将一条日志解析成KV对，另外一个基于KV和设定的规则进行计算。每隔一分钟将数据写入RocketMQ。
3. 基于HBase的数据存储 只有插入没有更新，避免了HBase行锁竞争。rowkey是有序的，因为要根据维度和时间段查询，这样会形成HBase Region热点，导致写入比较集中，但是没有性能问题，因为每个维度每隔1分钟定时插入，平均每秒的插入很少。即使前端应用的日志量突然增加很多，HBase的插入频度仍然是稳定的。
4. 基于RocketMQ的数据缓冲 收集的日志和Storm计算的结果都先放入MetaQ集群，无论Storm集群还是存储节点，发生故障时系统仍然是稳定的，不会将故障放大；即使有突然的流量高峰，因为有消息队列做缓冲，Storm和HBase仍然能以稳定的TPS处理。这些都极大的保证了系统的稳定性。RocketMQ集群自身的健壮性足够强，都是物理机。SSD存储盘、高配内存和CPU、Broker全部是M/S结构。可以存储足够多的缓冲数据。

某个系统的实时业务指标（关键数据被隐藏），见图3。

图3 某个业务系统大盘截图

数据层改造

随着业务发展，单数据库单表已经无法满足性能要求，特别是发券和订单，我们选择在客户端分库分表，自己做了一个通用框架解决分库分表的问题。但是还有以下问题：

1. 数据同步 快的原来的数据库分为前台库和后台库，前台库给应用系统使用，后台库只供后台使用。不管前台应用有多少库，后台库只有一个，那么前台的多个库多个表如何对应到后台的单库单表？MySQL的复制无法解决这个问题。
2. 离线计算抽取 还有大数据的场景，大数据同事经常要dump数据做离线计算，都是通过Sqoop到后台库抽数据，有的复杂SQL经常会使数据库变得不稳定。而且，不同业务场景下的Sqoop会造成数据重复抽取，给数据库添加了更多的负担。

我们最终实现了一个数据同步平台，见图4。

图4 数据同步平台架构图

1. 数据抽取用开源的canal实现，MySQL binlog改为Row模式，将canal抽取的binlog解析为MQ消息，打包传输给MQ；
2. 一份数据，多种消费场景，之前是每种场景都抽取一份数据；
3. 各个消费端不需要关心MySQL，只需要关心MQ的Topic；
4. 支持全局有序，局部有序，并发乱序；
5. 可以指定时间点回放数据；
6. 数据链路监控、报警；
7. 通过管理平台自动部署节点。

分库分表解决了前台应用的性能问题，数据同步解决了多库多表归一的问题，但是随着时间推移，后台单库的问题越来越严重，迫切需要一种方案解决海量数据存储的问题，同时又要让现有的上层应用不会有太大改动。因此我们基于HBase和数据同步设计了实时数据中心，如图5所示。

图5 实时数据中心架构图

1. 将前台MySQL多库多表通过同步平台，都同步到了HBase；
2. 为减少后台应用层的改动，设计了一个SQL解析模块，将SQL查询转换为HBase查询；
3. 支持二级索引。 说说二级索引，HBase并不支持二级索引，对它而言只有一个索引，那就是Rowkey。如果要按其它字段查询，那就要为这些字段建立与Rowkey的映射关系，这就是所谓的二级索引。HBase二级索引可以通过Coprocessor在数据插入之前执行一段代码，这段代码运行在HBase服务端（Region Server），可以让这段代码负责插入二级索引。实时数据中心的二级索引是在客户端负责插入的，并没有使用Coprocessor，主要原因是Coprocessor不容易实现索引的批量插入，而批量插入，实践证明，是提升HBase插入性能非常有效的手段。二级索引的应用其实还有些条件，如下：
4. 排序 在HBase中，只有一种排序，就是按Rowkey排序，因此，在建立索引的时候，实际上就定死了将来查询结果的排序。某个索引字段的reverse属性为true，则按这个字段倒序排序，否则正序排序。
5. 打散 单调变化的Rowkey读写压力很难均匀分布到多个Region上，而打散将会使读写均匀分布到多个Region，因此提升了读写性能。但打散也有局限性，主要的是，经过打散的字段将无法支持范围查询。而且，hash和reverse这两个属性是互斥的，且hash优先级高，就是说一旦设置了hash=true，则会忽略reverse这个属性。
6. 串联 另外需要特别强调的是，索引配置也影响到多表归一，作为“串联”的字段，必须建立唯一索引，如果串联字段上没有建立唯一索引，将无法完成多表归一。

我们还实现了一套将SQL语句转换成HBaseAPI的引擎，可以通过SQL语句直接操作HBase。这里需要指出的是HSQL引擎和Hive是不同的，Hive主要用于将SQL语句转换成Hadoop的Map/Reduce任务，当然也可以转换成HBase的查询。但Hive无法利用二级索引（HBase本来就不存在二级索引这个概念），Hive主要面向的是大批量、低频度、高延迟、顺序读的访问场景，而HSQL可以有效利用二级索引，它面向的是小批量、高频度、低延迟、随机读的访问场景。